ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2005 года по МПК F03D3/00 F03D3/04 

Изобретение относится к энергетике, использующей возобновляемые источники энергии, а более конкретно к ветроэлектрическим установкам с ветродвигателями, ветровая турбина которых имеет вертикальную ось вращения. Наиболее успешно настоящее изобретение может быть использовано при применении ветроэнергетической установки в условиях ограниченности свободных площадей, например на крышах зданий или в передвижных энергетических установках.

Из патента РФ № 1471756, опубликованного 30.10.94, известна ветроэнергетическая установка, в которой для интенсификации воздушного потока, поступающего на ветроагрегат, используется тепло солнечной энергии. Ветроустановка содержит установленное под углом поглощающее основание, расположенное над ним с образованием воздушной полости прозрачное покрытие, сообщенный с этой полостью рабочий канал и установленный в нем ветроагрегат. Установка дополнительно содержит оребренную поглощающую поверхность, размещенную в полости. Поглощающее основание снабжено чередующимися углублениями и выступами. Ребра со стороны основания ориентированы в направлении рабочего канала, а со стороны прозрачного покрытия имеют отражающее солнечное излучение покрытие. Покрытие может иметь пилообразный профиль. Ребра могут контактировать с поглощающим основанием и покрытием.

Поглощающая поверхность нагревается солнечным излучением и нагревает воздух с двух сторон. Вследствие разности температур и давлений объема воздуха под прозрачным покрытием и в рабочем канале, создается мощный воздушный поток вдоль поглощающей поверхности и ее ребер, поступающий в рабочий канал. Из рабочего канала этот мощный поток воздуха поступает на ветроагрегат, который вырабатывает электроэнергию.

Такое решение обеспечивает повышение эффективности работы ветроагрегата. Однако для реализации такого решения требуется наличие больших дополнительных площадей. Установка сложна по конструкции, а ее работа эффективна только при наличии солнечного света.

Ближайшей по конструкции к заявляемому изобретению, и выбранной заявителем в качестве прототипа, является ветроэнергетическая установка по патенту РФ № 2168059, опубликованному 25.05.2001. Установка содержит ветровую турбину с вертикальной осью вращения, образованную из трех осесимметричных профилированных лопастей, соединенных верхней и нижней крышками, имеющими форму круга. Ветровая турбина расположена внутри воздухонаправляющего аппарата, представляющего из себя систему неподвижных осесимметричных направляющих створок в количестве 6-11 штук, закрепленных верхней и нижней крышками, и равномерно расположенными по окружности. Каждая из лопастей ветровой турбины представляет собой часть боковой поверхности цилиндра с образующей, параллельной оси вращения. Поперечное сечение каждой из направляющих створок имеет профиль в виде синусоиды. При этом внутренние и внешние кромки лопастей ветровой турбины ориентированы таким образом, чтобы обеспечить плавное перетекание потока воздуха с направляющих створок на лопасти ветровой турбины. К ветротурбине подключено общеизвестное внешнее устройство, вырабатывающее электроэнергию, например, в виде генератора постоянного тока, установленного на оси ветротурбины и связанного через блок управления с аккумулятором.

При обтекании установки ветром направляющие створки направляют воздушный поток на вогнутую поверхность лопастей ветровой турбины, затеняя выпуклую поверхность лопастей. Поток воздуха после торможения на одной из лопастей турбины перетекает на другую, где еще раз тормозится. Таким образом обеспечивается высокая степень отдачи энергии воздушного потока ветровой турбине и преобразование его в электроэнергию.

Однако работа установки, а именно ее мощность и эффективность работы, полностью зависит от наличия ветра и его силы.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать ветроэнергетическую установку, которая была бы выполнена таким образом, чтобы обеспечивалось увеличение мощности установки и эффективности ее работы без увеличения габаритов установки и занимаемых ею площадей, а так же существенного усложнения ее электрической части.

Поставленная задача решается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей ветряное колесо с лопастной ветровой турбиной с вертикальной осью вращения, расположенной внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси ветровой турбины, накопитель энергии и блок управления, новым является то, что установка дополнительно содержит фотоэлектрический преобразователь световой энергии, фотоэлектрические элементы которого установлены на верхней крышке воздухонаправляющего аппарата и связаны с накопителем энергии.

Благодаря такому решению увеличивается объем электроэнергии, вырабатываемой установкой, и ее работа становится более стабильной при постоянно меняющейся силе ветра. При этом габариты установки и занимаемая ею площадь сохраняется прежними, а электрическая часть установки практически не усложняется, т.к. электрическая энергия от фотоэлектрического преобразователя световой энергии подается на штатный накопитель энергии установки. Все это и обеспечивает решение поставленной задачи.

Новым так же является то, что в центре верхней крышки воздухонаправляющего аппарата установлена воздухоотводящая труба, в которой на верхнем конце оси вращения ветровой турбины установлен электрический генератор.

Благодаря такому решению дополнительно увеличивается электропроизводительность установки, упрощается ее конструкция и занимаемая ею площадь.

Ниже сущность настоящего изобретения более подробно разъясняется подробными примерами его осуществления, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 схематично представлен общий вид заявляемой установки в аксонометрии;

на фиг 2 - сечение А-А по фиг.1;

на фиг.3 - электрическая схема установки.

Конструкцию ветроэнергетической установки рассмотрим в варианте применения для выработки электроэнергии генератора постоянного тока и накопителя энергии в виде аккумуляторной батареи.

Ветроэлектрическая установка содержит воздухонаправляющий аппарат 1 (фиг.1), состоящий из профилированных направляющих лопастей 2, закрепленных между верхней крышкой 3 и нижней крышкой 4, и расположенных равномерно по окружности. В центре верхней крышки 3 установлена воздухоотводящая труба 5. Внутри воздухонаправляющего аппарата 1 (фиг.2) на вертикальной оси 6 установлена ветровая турбина 7 с профилированными осесимметричными лопастями 8, закрепленными верхней и нижней крышками (не показаны), и равномерно расположенными по окружности. На верхнем конце оси 6 (фиг.1) ветровой турбины установлен электрогенератор 9 постоянного тока. Генератор 9 расположен внутри воздухоотводящей трубы 5 на свободном конце оси 6. Это позволяет исключить промежуточные элементы для передачи вращающего момента, необходимые при расположении генератора в нижней части установки. Это упрощает установку и уменьшает занимаемую ей площадь. Генератор 9 (фиг.3) связан с электрическим преобразователем 10, соединенным с накопителем энергии, выполненным в виде аккумуляторной батареи 11. Электрический преобразователь 10 и аккумуляторная батарея 11 связаны с блоком управления 12. Если для пользователя электроэнергии необходимо переменное напряжение, тогда на выходе электрической части ветроэнергетической установки установлен инвертор 13, связанный с аккумуляторной батареей 11.

Установка дополнительно содержит фотоэлектрический преобразователь 14 световой энергии (солнечную батарею), фотоэлектрические элементы 15 которого размещены на верхней крышке 3 воздухонаправляющего аппарата. Верхняя крышка 3 имеет большую площадь, что позволяет разместить на ней большое количество фотоэлектрических элементов 15, существенно увеличивающих электрическую мощность энергетической установки, при сохранении габаритов установки и занимаемой ею площади. При этом фотоэлектрическая установка не мешает работе ветроэлектрической установки, а ветроэлектрическая установка не мешает работе фотоэлектрической установки. Эта особенность заявляемой установки имеет очень важное значение при ее использовании в условиях ограниченных площадей, например на крышах зданий или в передвижных энергетических установках. Фотоэлектрический преобразователь 14 световой энергии связан с электрическим преобразователем 16, который в свою очередь связан с аккумуляторной батареей 11 установки и блоком управления 12.

Установка работает следующим образом.

При наличии ветра ветровой поток поступает на профилированные направляющие лопасти 2 воздухонаправляющего аппарата 1, которые направляют его на ветровую турбину 7. Ветровой поток попадает на вогнутую поверхность лопастей 8 турбины 7, а их выпуклая поверхность остается затененной направляющими лопастями 2. При этом на выпуклых поверхностях лопастей 8 турбины создается зона разряжения, а на вогнутых поверхностях - зона повышенного давления. В результате этого создается вращающий момент, приводящий во вращение ось 6 ветровой турбины 7. Связанный с верхним концом оси 6 генератор 9 постоянного тока вырабатывает электроэнергию, которая через его электрический преобразователь 10 поступает в аккумуляторную батарею 11. Поток воздуха, отдав часть энергии одной из лопастей 8 турбины 7, поступает на другую лопасть, отдавая часть энергии ей, и так далее. Таким образом воздушный поток почти полностью отдает свою кинетическую энергию ветровой турбине, которая при помощи генератора 9 превращает ее в электрическую энергию. Отдавший свою энергию поток воздуха удаляется из воздуиной турбины через водухоотводящую трубу 5. При этом из-за разности давлений воздуха на входе в воздухонаправляющий аппарат 1 и на верхнем срезе воздухоотводящей трубы 5 интенсифицируется отдача энергии от воздушного потока ветровой турбине 7. Это дополнительно увеличивает электропроизводительность установки и улучшает удаление отработавшего воздуха в атмосферу.

В дневное время суток работает фотоэлектрический преобразователь 14 световой энергии. Фотоэлектрические элементы 15 преобразователя вырабатывают электроэнергию. Суммарный поток электроэнергии поступает от фотоэлектрического преобразователя 14 14 световой энергии через его электрический преобразователь 16 на аккумуляторную батарею 11 ветроэнергетической установки и накапливается в ней. При этом чем больше интенсивность светового потока, тем больше поток электроэнергии, поступающего в аккумуляторную батарею.

Электрический преобразователь 10 генератора 9 ветровой турбины 7 и электрический преобразователь 16 фотоэлектрического преобразователя 14 световой энергии выполнены из общеизвестных электрических элементов и по общеизвестным схемам. Они обеспечивают непрерывное поступление потока электроэнергии, вырабатываемого генератором 9 и фотоэлектрическим преобразователем 14 в аккумуляторную батарею 11, независимо от мощностей потоков и величины уровня зарядки батареи.

Блок управления 12 ветроэнергетической установки обеспечивает ее работу в автоматическом режиме при различных условиях выработки электроэнергии, ее накопления и потребления. При наличии ветра в светлое время суток и отсутствии потребления электроэнергии блок 12 управления обеспечивает зарядку аккумуляторной батареи 11 от параллельно работающих источников электроэнергии - генератора 9 и фотоэлектрического преобразователя 14 световой энергии. При наличии ветра в темное время суток обеспечивается зарядка батареи 11 от генератора 9. При отсутствии ветра в светлое время суток обеспечивается зарядка аккумуляторной батареи от фотоэлектрического преобразователя 14. При потреблении электроэнергии блок управления 12 включает в работу инвертор 13, который преобразует постоянный ток напряжением 12 вольт от аккумуляторной батареи 11 в переменный ток напряжением 220 вольт с частотой 60 герц. При этом при наличии ветра и в светлое время суток одновременно с потреблением электоэнергии идет ее поступление в аккумуляторную батарею 11 от генератора 9 и фотоэлектрического преобразователя 14 световой энергии, работающих параллельно. При работе установки на одном из источников электроэнергии одновременно с потреблением электроэнергии идет ее поступление в аккумуляторную батарею 11 от работающего источника. И наконец, при отсутствии ветра в темное время суток потребление электроэнергии идет за счет разрядки батареи 11.

Конструктивное решение заявляемой ветроэнергетической установки обеспечивает следующие преимущества, в дополнение к указанному выше:

- повышение эффективности использования полезных площадей при условиях их ограниченности;

- увеличение на 20-25% количества электроэнергии, получаемой с единицы площади;

- уменьшение времени нахождения аккумуляторной батареи без подзарядки, что увеличивает срок ее работоспособности;

- уменьшение себестоимости вырабатываемой электроэнергии за счет использования для двух источников электричества общих блоков - аккумуляторной батареи, инвертора и блока управления.

Подробное описание конструкции и работы заявляемой ветроэнергетической установки рассмотрено в случае применения генератора постоянного тока и накопителя энергии в виде аккумуляторной батареи. Однако очевидно, что заявляемое изобретение может быть реализовано и в случае применения генераторов переменного тока и других видов накопителей энергии, например, аккумуляторов водорода, получаемого электролизом воды, или аккумуляторов тепла.

Из приведенного выше подробного описания заявляемого изобретения для каждого специалиста в данной области совершенно очевидна возможность его реализации с обеспечением решения поставленной задачи. При этом так же очевидно, что при реализации изобретения могут быть сделаны незначительные изменения в ее конструкции, которые однако не будут выходить за объем прав изобретателя, определяемых приводимой ниже формулой изобретения.

Заявляемая ветроэнергетическая установка проста по конструкции и в реализации. Она выполняется из простых и недорогостоящих составных элементов. При этом она обеспечивает получение множества преимуществ, которые подробно рассмотрены выше.

Изобретение относится к энергетике, использующей возобновляемые источники энергии, а более конкретно к ветроэлектрическим установкам с ветродвигателями, ветровая турбина которых имеет вертикальную ось вращения. Технический результат заключается в увеличении мощности установки и повышении ее эффективности без увеличения габаритов и занимаемых площадей, а также без существенного усложнения электрической части установки. Установка содержит ветряное колесо с лопастной ветровой турбиной с вертикальной осью вращения, расположенной внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на верхнем конце оси ветровой турбины, накопитель энергии и блок управления. Дополнительно установка содержит фотоэлектрический преобразователь световой энергии, фотоэлектрические элементы которого установлены на верхней крышке воздухонаправляющего аппарата и связаны с накопителем энергии. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая ветряное колесо с лопастной ветровой турбиной с вертикальной осью вращения, расположенной внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси ветровой турбины, накопитель энергии и блок управления, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит фотоэлектрический преобразователь световой энергии, фотоэлектрические элементы которого установлены на верхней крышке воздухонаправляющего аппарата и связаны с накопителем энергии.2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в центре верхней крышки воздухонаправляющего аппарата установлена воздухоотводящая труба, в которой на верхнем конце оси вращения ветровой турбины установлен электрический генератор.