ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК F03D1/04 

Изобретение относится к энергетике и представляет собой ветроэнергетическую установку, т.е. установку для преобразования энергии ветра в электрическую или иную энергию для использования в промышленности, сельском хозяйстве и т п.

Издавна известны ветроэнергетические установки, использующие кинетическую энергию воздушных потоков путем прямого силового воздействия ветра и лопастей ветроколеса или турбины /"Ветроэнергетика" Под редакцией Д.де Рензо, М., Энергоатомиздат, 1982, стр.81-96/.

Известна также более эффективная ветроэнергетическая установка, наиболее близкая данному изобретению по совокупности существенных признаков и технической сущности /Патент России 2124142, 1998 г./, которая принята в качестве прототипа. Эта ветроэнергетическая установка выполнена в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего, по крайней мере, одну турбину с сопловым аппаратом, механически связанную с генератором, центральную оболочку, кольцевую переднюю оболочку с, по крайней мере, одним входным каналом турбины, образующую с центральной оболочкой выходной канал турбины, а также кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой диффузорный выходной канал, причем энергоагрегат снабжен дополнительной кольцевой оболочкой, образующей с внешними поверхностями передней и центральной оболочек сужающе-расширяющийся первый промежуточный канал, сообщенный в промежуточной части с выходным каналом турбины, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом с диффузорным выходным каналом.

Данная ветроэнергетическая установка имеет существенные преимущества перед известными аналогами, так как в ней значительно эффективнее преобразуется энергия ветрового потока в полезную электрическую энергию. Однако, как будет показано ниже, энергия ветра более полно может быть использована благодаря данному изобретению в ветроэнергетической установке в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего, по крайней мере, одну турбину с сопловым аппаратом, механически связанную с генератором, центральную оболочку, кольцевую переднюю оболочку с, по крайней мере, одним входным каналом турбины, образующую с центральной оболочкой выходной канал турбины, а также кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой диффузорный выходной канал, причем энергоагрегат снабжен дополнительной кольцевой оболочкой, образующей с внешними поверхностями передней и центральной оболочек сужающе-расширяющийся первый промежуточный канал, сообщенный в промежуточной части с выходным каналом турбины, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом с диффузорным выходным каналом, причем во входном канале и/или в сужающейся части первого и/или второго промежуточного канала установлены направляющие ребра, образующие аппарат для закрутки потока воздуха; генератор снабжен обтекателем с расположенными во входном канале направляющими лопастями; оболочки соединены между собой перемычками, образующими направляющие аппараты в проточной части межоболочных каналов; на входе во входной и/или межоболочные каналы установлены защитные решетки, выполненные в виде направляющих аппаратов для закрутки потока, генератор снабжен циркуляционной системой охлаждения, радиаторы которой установлены в пустотах, по крайней мере, одной из оболочек, причем, по крайней мере, в одной из оболочек выполнены дополнительные входные каналы, а коммуникационные трубы системы охлаждения помещены в перемычках, соединяющих оболочки, установка снабжена пневматической системой запуска, имеющей связанный с ротором турбогенератора пневмодвигатель и источник сжатого воздуха, а на валу турбогенератора установлен маховик.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен продольный разрез энергоузла ветроэнергоустановки, на фиг. 2 показан вариант крепления энергоузла, на фиг.3 представлено крепление энергоузла на аэростате.

Ветроэнергетическая установка выполнена в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего, по крайней мере, одну турбину 1 с сопловым аппаратом 2. Вал турбины 1 механически связан с генератором 3. Под термином "генератор" здесь следует понимать не только генератор электрического тока, но любое устройство для преобразования механической энергии в любой вид энергии, удобной для использования в конкретных обстоятельствах. Это может быть, например, насос в системе гидропривода, компрессор пневмопривода и т. п. Энергоагрегат содержит также центральную оболочку 4, кольцевую переднюю оболочку 5, снабженную направляющими ребрами 6, образующими аппарат для закрутки потока, дополнительными каналами воздухозабора 7, по крайней мере, одним входным каналом 8 турбины 1. Оболочка 5 образует с центральной оболочкой 4 выходной канал 9 турбины 1. Кроме того, энергоагрегат имеет кольцевую наружную оболочку 10, образующую с центральной оболочкой 4 диффузорный выходной канал 11. Энергоагрегат снабжен также дополнительной кольцевой оболочкой 12, образующей с внешними поверхностями передней 5 и центральной 4 оболочек сужающийся - расширяющийся первый промежуточный канал 13, сообщенный в промежуточной части с выходным каналом 9 турбины 1, а с внутренней поверхностью наружной оболочки 10 - второй промежуточный канал 14, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом 13 с диффузорным выходным каналом 11. В сужающихся частях первого 13 и второго 14 промежуточных каналов могут быть установлены также направляющие ребра 6, образующие аппараты для закрутки потока. Кроме того, эти каналы сообщены с дополнительными каналами воздухозабора 7. Кольцевой стабилизатор 15 образует с внешней поверхностью оболочки 10 дополнительный ускорительный канал 16. Задняя кромка наружной оболочки 10 совпадает с ее максимальным диаметром. В одном из вариантов генератор 3 расположен перед турбиной 1 во входном канале 8. В этом случае генератор имеет обтекатель с расположенными во входном канале 8 направляющими лопастями /на чертежах этот вариант не показан/. На валу генератора 3 может быть установлен стабилизирующий маховик 17. На входе в каналы 8, 13, 14 могут быть установлены защитные решетки 18, выполненные в виде направляющих аппаратов для закрутки потока.

Оболочки 4, 5, 10, 12 и стабилизатор 15 соединены между собой перемычками /пилонами / 19, которые образуют направляющие аппараты в проточной части межоболочных каналов.

Выходная часть дополнительной оболочки 12 может быть выполнена с возможностью перемещения /т.е. поворота или осевого перемещения/ для изменения сечения смежных каналов 13 и 14, а выходная часть передней оболочки 5 выполнена с возможностью перемещения для изменения сечения смежных каналов 9 и 13. Эти подвижные части могут быть выполнены регулируемыми, т.е. с поворотными створками и проставками.

Входные кромки оболочек 4, 5, 10, 12 и кольцевого стабилизатора 15 выполнены с учетом скорости и плотности воздушного потока.

Опора энергоагрегата может быть выполнена в виде колонны, на которой смонтирована, по крайней мере, одна установка. Генератор 3 может быть снабжен циркуляционной системой охлаждения, радиаторы которой могут быть установлены в пустотах одной или нескольких оболочек, причем коммутационные трубы системы охлаждения проложены в перемычках 19. Установка может быть снабжена пневматической системой запуска, которая имеет связанный с ротором турбокомпрессора пневмодвигатель и источник сжатого воздуха. Эта же система может быть использована в качестве аккумулятора энергии на режимах пониженного энергопотребления. Кольцевой стабилизатор прикреплен к колонне 20 шарниром 21, например, цилиндрическим (фиг.2). Такое выполнение обеспечивает разворот энергоагрегата на ветер при любом направлении последнего.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Свободный воздушный поток, движущийся вдоль поверхности наружной оболочки 8 установки, за счет эжекции создает разрежение на донном срезе установки. Причем зона эффективного влияния этого потока, участвующего в создании разрежения, составляет не менее одного диаметра донного среза установки, то есть в этом процессе участвует кольцевой воздушный поток, наибольший диаметр которого не менее трех диаметров донного среза установки.

Для повышения эффективности установки все внутренние поверхности оболочек снабжены направляющими ребрами 6, преобразующими поступающий ламинарный поток в винтовой (вихревой) поток. Для стабилизации винтового потока и увеличения его плотности оболочки 4, 5, 10, 12 установки снабжены дополнительными воздухозаборниками 7.

Как показали детальные расчеты, преобразование свободного потока, поступающего во входные конфузоры установки в вихревой поток, увеличивает скорость потока при одновременном увеличении плотности потока.

Под воздействием двух потоков энергии, со стороны входного канала и со стороны донного среза, воздушный вихревой поток в минимальном сечении канала 14 в зоне задней кромки дополнительной оболочки 12 достигает максимальной скорости. То есть плотность, скорость и, соответственно, кинетическая энергия вихревого потока резко возрастают. Этот процесс связан с уменьшением энтальпии потока. Соответственно, с ростом скорости происходит понижение давления в этом сечении, величину которого обозначим P₁. Это давление будет существенно ниже, чем давление Р₀ в свободном потоке. Давление в выходном сечении канала 13 также будет равно P₁. Следовательно, на воздушный канал 13 воздействуют также две энергии - одна со стороны выходного сечения канала 13, другая со стороны его входного сечения. Векторы воздействия этих энергий на вихревой поток совпадают. Взаимодействие этих энергий приведет к существенному возрастанию скорости в минимальном сечении канала 13 (в зоне задней кромки передней оболочки 5) и соответствующему понижению давления в этой зоне. Так, если условно принять, что давление в выходной части канала 14 составит не более P₁=0,85 Р₀, то давление Р₂ в зоне минимального сечения канала 13 составит не более P₂=0,7 Р₀.

Давление в выходном сечении воздушного канала 8 также будет равно Р₂. В минимальном сечении канала 8 установлена воздушная турбина 1 с направляющим сопловым аппаратом 2, и в этом сечении (на турбине) скорость воздушного потока за счет взаимодействия энергии поступающего в канал 8 воздушного вихревого потока и разрежения в выходном сечении канала 8 достигнет максимальной величины - местной скорости звука или близкой к ней. Кинетическая энергия на турбине 1 представляет собой располагаемую работу, которая будет преобразована во вращение турбины 1 и связанного с ней электрического генератора 3.

Процессы преобразования энергии в каналах установки идентичны процессам, происходящим в соплах Лаваля для вихревых потоков, и минимальное давление потока в рабочей зоне турбины будет равно Р₃=0,528 Р₀ или несколько меньше в зависимости от скорости вихревого потока. Воздушные турбины работоспособны даже при незначительных перепадах давления, и установка будет работать при скоростях свободного воздушного потока V₀=5..6 м/с, но количество выработанной электроэнергии будет меньше.

В прототипе используется синергический эффект действия композиции свободных потоков - внешнего и внутренних, который превышает суммарный эффект действия каждого потока в отдельности. Свободный ветровой поток характеризуется порывистостью и неравномерностью, т.е. не является ламинарным. В предлагаемой установке повышается эффективность и стабильность воздушного потока преобразованием его в вихревой поток.

Для увеличения массы поступающего в установку воздушного потока все оболочки установки снабжены дополнительными воздухозаборниками 7, которые обеспечивают не только приток дополнительной массы воздух, но и сообщают проходящим по входным каналам установки потокам дополнительное ускорение.

Для стабилизации работы установки в случаях значительной неравномерности свободного ветрового потока используется маховик 17, установленный на валу генератора.

Для предотвращения попадания в установку посторонних предметов все входные каналы выполнены со специальными защитными устройствами 18, например, в виде жалюзи, где пластины одновременно являются первичными направляющими воздушного потока.

В предлагаемой установке для уменьшения аэродинамического сопротивления вихревого потока все оболочки соединены между собой профилированными перемычками 19, в которых проложены коммутационные трубы системы охлаждения генератора.

Предлагаемые ветроэнергетические установки наиболее эффективно использовать в районах с повышенными скоростями ветра, например, на островах, морском побережье, в горах и т.п.

Установки могут монтироваться в различных вариантах - на колоннах (башнях) (фиг. 2), подвешиваться гирляндами на тросах, закрепляться на каких-либо опорах (в горном ущелье). В районах, где средние скорости ветра невелики, можно использовать аэростат как вариант подвески установки (фиг. 3).

Существующий уровень развития электротехники позволяет применять в установке практически без каких-либо изменений серийно выпускаемые промышленностью высокооборотные электрические генераторы, также серийно выпускаются воздушные турбины в комплекте с сопловыми направляющими аппаратами, например воздушные турбины энергетических установок самолетов и других летательных аппаратов, узлы турбодетандеров и пр. Целесообразно изготавливать турбогенераторные узлы в сборе, т.е. полной заводской готовности для сокращения затрат времени и средств на монтаж установок на месте их эксплуатации. Вес высокооборотного электрогенератора мощностью 1000 кВт не превышает 700 кг, а общий вес турбогенераторного узла такой мощности будет составлять чуть больше одной тонны. Оболочки установок могут изготовляться из различных материалов по давно отработанным технологиям в зависимости от мощности и типа установки - композитных материалов, проката алюминиевых сплавов, пластмасс и др. материалов. Оболочки могут быть сборными из сегментов, надувными и пр.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам. Технический результат, заключающийся в повышении эффективности использования энергии ветрового потока, обеспечивается за счет того, что в ветроэнергетической установке, выполненной в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего, по крайней мере, одну турбину с сопловым аппаратом, механически связанную с генератором, центральную оболочку, кольцевую переднюю оболочку с, по крайней мере, одним входным каналом турбины, образующую с центральной оболочкой выходной канал турбины, а также кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой диффузорный выходной канал, причем энергоагрегат снабжен дополнительной кольцевой оболочкой, образующей с внешними поверхностями передней и центральной оболочек сужающе-расширяющийся первый промежуточный канал, сообщенный в промежуточной части с выходным каналом турбины, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом с диффузорным выходным каналом, согласно изобретению во входном канале и/или в сужающейся части первого и/или второго промежуточного канала установлены направляющие ребра, образующие аппарат для закрутки потока воздуха. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветроэнергетическая установка в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего, по крайней мере, одну турбину с сопловым аппаратом, механически связанную с генератором, центральную оболочку, кольцевую переднюю оболочку с, по крайней мере, одним входным каналом турбины, образующую с центральной оболочкой выходной канал турбины, а также кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой диффузорный выходной канал, причем энергоагрегат снабжен дополнительной кольцевой оболочкой, образующей с внешними поверхностями передней и центральной оболочек сужающе-расширяющийся первый промежуточный канал, сообщенный в промежуточной части с выходным каналом турбины, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом с диффузорным выходным каналом, отличающаяся тем, что во входном канале и/или в сужающейся части первого и/или второго промежуточного канала установлены направляющие ребра, образующие аппарат для закрутки потока воздуха. 2. Ветроэнергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что генератор снабжен обтекателем с расположенными во входном канале направляющими лопастями. 3. Ветроэнергетическая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что оболочки соединены между собой перемычками, образующими направляющие аппараты в проточной части межоболочных каналов. 4. Ветроэнергетическая установка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что на входе во входной и/или межоболочные каналы установлены защитные решетки, выполненные в виде направляющих аппаратов для закрутки потока. 5. Ветроэнергетическая установка по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что генератор снабжен циркуляционной системой охлаждения, радиаторы которой установлены в пустотах, по крайней мере, одной из оболочек. 6. Ветроэнергетическая установка по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что, по крайней мере, в одной из оболочек выполнены дополнительные воздухозаборные каналы. 7. Ветроэнергетическая установка по п. 5 или 6, отличающаяся тем, что коммуникационные трубы системы охлаждения помещены в перемычках, соединяющих оболочки. 8. Ветроэнергетическая установка по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что она снабжена пневматической системой запуска, имеющей связанный с ротором турбогенератора пневмодвигатель и источник сжатого воздуха. 9. Ветроэнергетическая установка по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что на валу турбогенератора установлен маховик.