АЭРОТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (АТВУ) Российский патент 2005 года по МПК F03D1/04 

Данное изобретение относится к энергетике и представляет собой аэротермодинамическую ветроэнергетическую установку АТВУ (ATWT - AeroThermodynamic Wind Turbine), предназначенную для преобразования кинетической энергии ветра, в том числе со значительной турбулентной составляющей, в электрическую энергию. Предназначена для применения в промышленности, городском и сельском коммунальном хозяйстве и т.п. (в составе ветропарков или отдельных установок).

Известны ветроэнергетические установки (ВЭУ), преобразующие энергию ветра для получения механической или электрической энергии, в которых в качестве рабочего элемента используется винт (ветроколесо), ротор Дарье и т.п. К недостаткам их конструкции следует отнести большие габаритные размеры, нестабильность динамических нагрузок, ведущих к нестабильности параметров вырабатываемого электрического тока, что ведет к необходимости применения специальных стабилизирующих устройств.

Кроме того, практика использования большого количества ветрогенераторов в составе ветропарков показывает, что создаваемое такими установками шумовое поле является опасным для здоровья человека, поскольку его частота находится в инфразвуковом диапазоне (4-7 Hz), что по экологическим нормам недопустимо.

В настоящее время известна и более эффективна ветроэнергетическая установка роторного типа, по техническому устройству и существенным признакам наиболее близкая к представленному изобретению, которая принята в качестве прототипа, а именно RU 2124142 С1, 27.12.1998, кл. 6 F 03 D 1/04, содержащая установленный на опоре энергоагрегат, с сопловым аппаратом и двумя или более турбинами, механически связанными с генератором, с обтекаемой оболочкой с крыльями, заполненной газом, плотность которого меньше плотности атмосферы, выполненной с возможностью перемещения для изменения сечения смежных каналов. Основными недостатками прототипа являются: сложность конструкции, невысокая надежность в эксплуатации, высокая стоимость установки.

Технический результат изобретения заключается в повышении к.п.д. (коэффициента полезного действия) ветроэнергетической установки, простоте конструкции, обеспечении высокой надежности, снижении шумности, простоте эксплуатации и обслуживания, сравнительно невысокой стоимости изготовления.

Технический результат изобретения обеспечивается применением легких и дешевых материалов, простотой технологии изготовления, доступностью к вращающимся агрегатам, применением минимума автоматизации управления.

Аэротермодинамическая ветроэнергетическая установка состоит из генератора, механически связанного с турбиной, вытяжного кольцевого крыла с внутренней поверхностью, выполненной по профилю «Де-Лаваль», являющегося несущим элементом установки и оснащенного флюгерной поверхностью, обеспечивающей ориентацию по ветру, несущих радиальных кронштейнов для крепления генератора, кабины генератора с обтекаемой наружной поверхностью и с внутренней несущей конструкцией для опор генератора и опоры турбины, входного неподвижного конуса, закрывающего ротор турбины, радиальных кронштейнов, несущих входной конус, входного кольцевого крыла, имеющего замкнутый контур для вращения ротора турбины, опорной мачты установки и поворотного стенда с токосъемниками, осуществляющего коммуникацию между кабиной генератора и опорной мачтой, причем профиль входного кольцевого крыла выполнен в паре с вытяжным кольцевым крылом. Флюгерная поверхность содержит датчик скорости ветра и сигнальную лампочку, входной конус представляет собой обтекаемую коническую поверхность из стекло пластика, а лопатки ротора турбины выполнены из полимеров или стеклопластика. Кабина генератора соединена трубным проходом с поворотным стендом для доступа к вращающимся агрегатам. Опорная мачта выполнена в виде цилиндрической металлический конструкции, укрепленной на анкерах бетонного фундамента и имеющей внутреннюю лестницу для поворотного стенда, кабельные линии и освещение.

Представленное изобретение поясняется приведенными чертежами.

На Фиг.1 показана аэродинамическая ветроэнергетическая установка, общий вид.

На Фиг.2 - вид А по Фиг.1

На Фиг.3 - вид Б по Фиг.1, принципиальная схема устройства установки. Вид А - профиль передней кромки вытяжного кольцевого крыла. Вид Б - отбойный козырек вытяжного кольцевого крыла.

На Фиг.4 показана аэродинамическая схема устройства установки.

На Фиг.5 показана схема ориентации установки по ветру.

На Фиг.6 показана схема аэродинамического действия на диск турбины установки.

На Фиг.7 показана схема гашения турбулентности воздушных потоков в установке.

На Фиг.8 показана диспозиционная (компоновочная) схема установки.

Аэротермодинамическая ветроэнергетическая установка состоит из вытяжного кольцевого крыла 5 с флюгерной поверхностью 1, входного кольцевого крыла 10, турбины 9, механически связанного с ней электрогенератора, заключенного в обтекаемую кабину 4, неподвижного входного конуса 8, закрепленных несущими радиальными кронштейнами 7 к входному кольцевому крылу 10 и вытяжному кольцевому крылу 5, закрепленного посредством поворотного стенда с токосъемниками 11 на опорной мачте 12.

Вытяжное кольцевое крыло 5 имеет следующие конструктивные особенности:

- Внутренняя поверхность вытяжного кольцевого крыла 5 выполнена по профилю «Де-Лаваль» (см. Bojan Kraut "STROJARSKI PRIRUČNIK", TEHNIČKA KNIGA, ZAGREB, 1988, с 201). Материал крыла - любое легкое аэродинамическое покрытие (сплавы алюминия, стеклопластик и т.п.) с сотовым или минватным наполнением.

- Передняя кромка 6 вытяжного кольцевого крыла 5 имеет профиль, создающий входной тороидальный (кольцевой) воздушный вихрь 13, который дополнительно увеличивает массовый проток воздуха 16 через турбину 9.

- По периметру выходной кромки вытяжного кольцевого крыла 5 имеется внешний кольцевой отбойный козырек 2, создающий выходной тороидальный (кольцевой) воздушный вихрь 15, который дополнительно ускоряет воздушный поток 18.

Флюгерная поверхность 1 обеспечивает без применения дополнительных механизмов и приспособлений ориентацию установки по ветру по оси вращения 20. Флюгерная поверхность 1 оснащена датчиком скорости ветра, устройством молниеотвода и сигнальной лампой.

В кабине генератора 4 с обтекаемой наружной поверхностью и внутренней несущей конструкцией для крепления турбины и генератора предусмотрен доступ для осмотра и ремонта.

Несущие радиальные кронштейны 7 входного кольцевого крыла 10, а также несущие радиальные кронштейны 3 крепления входного конуса 8 и кабины генератора 4 выполнены по типу конструктивных элементов, применяющихся в авиастроении.

Турбина 9 расположена внутри входного кольцевого крыла 10, в задней его части, где воздушный поток 18 имеет максимальную плотность и скорость, что обеспечивает максимальный к.п.д.

Принцип работы установки.

Воздушный поток 16, движущийся вдоль оси установки, ориентированной по ветру благодаря флюгерной поверхности 1 вытяжного кольцевого крыла 5, попадает на турбину 9, заставляя ее вращаться. Генератор 4, закрепленный на одной оси с турбиной 9, вырабатывает электрический ток, который снимается через токосъемники поворотного стенда 11.

Для повышения эффективности установки предусмотрены следующие особенности конструкции.

1. Благодаря профилю передней кромки вытяжного кольцевого крыла 5, создающему на входе тороидальный (кольцевой) воздушный вихрь 13, на входе в турбину 9 создается конвергентный набегающий поток воздуха 17, за счет чего массовый приток воздуха на турбину 9 увеличивается.

2. Форма входного кольцевого крыла 10 и его положение в установке с кольцевым зазором 14 позволяет погасить турбулентность входного потока воздуха 19 и направить его на лопасти турбины 9.

3. Форма внутренней поверхности вытяжного кольцевого крыла 5, исполненной по профилю «Де-Лаваля», способствует созданию зоны разряжения в задней части установки 18, за турбиной 9, что существенно увеличивает скорость воздушного потока на турбине.

4. Кольцевой отбойный козырек 2 создает выходной тороидальный (кольцевой) воздушный вихрь 15, ускоряющий скорость воздушного потока, создавая дополнительное разряжение в воздушном потоке 18 за турбиной 9.

Благодаря перечисленным конструктивным особенностям предлагаемой установки, порывистый и турбулентный воздушный поток 19 внутри установки стабилизируется и в рабочей зоне турбины становится ламинарным и с повышением давления, максимальным по скорости и плотности, что повышает эффективность установки и стабильность выработки электроэнергии.

Теоретические основы

Приповерхностные ветровые потоки обладают явно выраженным профилем скорости в зависимости от высоты и значительной турбулентной составляющей, зависящей от местного рельефа, застроек и растительного покрова. Движущиеся воздушные массы имеют высокую энергию (кинетическую, термодинамическую и барометрическую) kW/m³ [1]

E_Σ - общая энергия воздушного потока [kW/m³],

E_к - кинетическая энергия воздушного потока = ρ(ν²/2),

E_т - термодинамическая энергия воздушного потока = i (энталпия),

Е_в - барометрическая энергия воздушного потока = RT = pV.

Следовательно, энергия ветра зависит от состояния воздушных масс [2]:

ρ - плотность воздуха,

ν - скорость воздуха,

Т - температура воздуха,

р - барометрическое давление.

Специфическая энергия е_Σ = f (ρ, ν, Т, р) [kW/kg].

Применением аэродинамической установки (турбины) можно утилизировать комплексно энергию, содержащуюся в ветре.

Турбина принимает всю трансформированную энергию ветра на установке. В установке происходят следующие изменения состояния набежавшего ветра:

1. Рост скорости Δν_w на входе в турбину 21 за счет:

- конвергенции кольцевого крыла 10 и редукции проточного сечения за счет входного конуса 8;

- конвергенции набегающего воздушного потока под действием всасывающего ротора 13.

2. Рост давления 16 Δph на входе в турбину 9 за счет:

- препятствия струе воздуха со стороны диска турбины 9;

- погашения ΔpW вихревых движений в кольцевом зазоре между входным кольцевым крылом 10 и входным конусом 8.

3. Увеличивается к.п.д. турбины за счет работы ее в замкнутом контуре (кольцевом просвете) без индуктивного сопротивления.

4. За диском турбины 9 создается разряжение ΔpV 23 за счет:

- отсасывающего действия воздушной струи ΔрV1 18;

- дополнительного ускорения воздушной струи ΔpV2 в профиле «Де-Лаваля»;

- отсасывающего действия аэродинамического генератора ΔpV3 15 на выходе из вытяжного кольцевого крыла 5, дополнительно ускоряющего воздушный поток 18;

- падения парциального давления водяного пара в воздухе в результате конденсации, происходящей при адиабатической экспансии через турбину ΔpV4 (эжекторное охлаждение) в случае выхода за рамки конденсации.

5. Возникновение аэродинамического момента, ориентирующего установку по ветру на поверхностях:

- лобового сечения входного кольцевого крыла 10 + MI;

- наружной поверхности вытяжного кольцевого крыла 5 - MII;

- флюгерной поверхности 1 - MIII.

При этом:

М_II+М_III>M_I (противоположное направление действия - уравновешивается)

М=f(α), при α=0° состояние равновесия, и аэродинамические моменты отсутствуют.

- Сила, реализованная на турбине [3]:

Δp_h - добавочное давление набегающего потока на диск турбины,

Δр_v - добавочное разряжение воздушного потока за диском турбины,

А[n²] - поверхность сечения входного кольцевого крыла,

- скорость ветра,

Δp_h [N/m²] - функция конструкции установки,

Δp_v [N/m²] - функция конструкции установки,

η - к.п.д.,

η_ATWT [%] значительно выше > η_ВЭУ классической винтовой ВЭУ за счет синергетических действий:

- конвергенции воздушного потока;

- погашения турбулентных потоков;

- увеличения объема входящего воздуха;

- действия переднего аэродинамического генератора;

- действия заднего аэродинамического генератора;

- работы турбины в замкнутом контуре;

- составной ΔpV за счет парциального давления водяного пара;

- эжекторного (вытягивающего) эффекта с обратной стороны турбины;

- турбина имеет выше КПД, чем винт.

Так как общий η_ATWT [%] установки является функцией скорости ветра, действующего на установку тогда действительно [4]:

или

где ВЭУ - классическая ветроэнергетическая установка винтового типа. По классическим аэродинамическим расчетам в области обычных ветров 4÷6 [м/с]:

что само собой доказывает преимущество установки перед классической ВЭУ винтового типа.

Установка подвержена ветровым нагрузкам на заданной высоте, которая определяется расстоянием оси вращения турбины от горизонта грунта, на котором установка возведена. Так как установка способна гасить и утилизировать турбулентность ветровых потоков, она по высоте установки не очень требовательна, а ее меньший ротационный диаметр не обуславливает этого. Единственное требования по высоте установки - чтобы она была достаточна для доступа к интенсивным воздушным струям, не требуя при этом, чтобы эти потоки были ламинарными.

Благодаря специальному профилю 6 передней кромки вытяжного кольцевого крыла 5, создающему входной тороидальный воздушный вихрь 13, на входе в турбину 9 формируется конвергентный набегающий поток ветра 21, за счет чего увеличивается массовый приток воздуха, что отличает установку от классических установок винтового типа: [7]

D_i - диаметр передней (входной) части вытяжного кольцевого крыла,

ρ - плотность воздуха,

К_к - коэффициент конвергенции ветровой струи:

К_к=f(V_w); К_к>1 (см. [6]).

Увеличенный массовый воздушный поток 17 утилизируется на турбине 9 благодаря вытяжному (эжекторному) действию вытяжного кольцевого крыла 5. Увеличенный массовый воздушный поток увеличивает энергоотдачу, а также обеспечивает рост давления 22 перед диском турбины 9.

Воздушная струя в кольцевом зазоре между двумя кольцевыми профилями 14 ускоряется и за диском турбины 9 создается зона вакуума 23, создающая дополнительный момент на валу турбины и поглощающая увеличенный (конвергированный) воздушный поток 17 на входе во входное кольцевое крыло 10. Таким образом, обеспечивается прохождение воздушного потока через турбину без турбулентных завихрений, тормозящих воздушный поток, и тогда Δp_h [2] = max, что обеспечивает максимальную нагрузку турбины.

Выходящая воздушная струя первично ускоряется в кольцевом зазоре 14, затем продолжает ускоряться за счет внутреннего профиля вытяжного кольцевого крыла 5 (Де-Лаваль), сглаживая турбулентности и усиливая весь массовый проток через турбину 9, и тогда Δр_h [2] = max, что обеспечивает максимальную нагрузку турбины.

Ускорение выходящего потока еще дополнительно увеличивается за счет действия внешнего кольцевого козырька 2 по периметру выходной кромки вытяжного кольцевого крыла 5, генерирующего выходной тороидальный вихрь 15.

Представленная установка имеет существенные преимущества перед известными аналогами, так как она значительно эффективнее преобразует кинетическую энергию ветрового потока в электрическую энергию и не требует механизма для поворота по ветру. Кроме того, установка отличается от других ВЭУ простотой конструкции, поскольку самым технологически сложным узлом конструкции является исполненная по профилю «Де-Лаваля» внутренняя поверхность вытяжного кольцевого крыла.

1. Установка утилизирует все составляющие энергии ветра (термодинамика движущихся масс смеси газов).

2. Установка значительно ускоряет на входе в рабочую зону турбины набегающий воздушный поток, увеличивает кинетическую составляющую его энергии, создает оптимальный режим работы для турбины и не генерирует инфразвук.

3. Установка создает низкое давление (вакуум) за диском турбины и тем самым увеличивает перепад давления, который реализуется на турбине.

4. Установка создает конвергенцию набежавшего воздушного потока, увеличивая таким образом массовый проток воздуха (и реализованную энергию на турбине) через установку.

5. Установка сама ориентируется по ветру благодаря флюгерной поверхности вытяжного кольцевого крыла.

6. В установке адиабатическая экспансия проходящего через турбину воздушного потока создает перепад температуры (ΔtT), который дополнительно увеличивает вакуум за диском турбины, что приводит к дополнительной конденсации атмосферной влаги, которую можно собирать.

7. Установка обеспечивает достаточно высокое число оборотов на турбине, что позволяет применять низкоскоростные асинхронные генераторы без редукторов (мультипликаторов).

8. Установка по сравнению с другими ВЭУ является низким источником шума, так как все источники шума закрыты в объемном корпусе; а инфразвуковая составляющая вообще отсутствует.

9. Установка эффективно утилизирует энергию турбулентных потоков и порывов ветра, что делает ее применимой в географических районах со сложной топографией. Таким образом, установка не очень требовательна к высоте ее установки.

10. Установка отличается технологической простотой конструкции (для исполнения, для эксплуатации, для монтажа и для ремонта) с простейшей электронной автоматизацией.

11. Благодаря ускорению воздушной струи на входе установка имеет более низкий порог включения (производит электричество уже при минимальных скоростях ветра) по сравнению с подобными ВЭУ.

12. Предлагаемая установка сравнительных недостатков, как таковых, не имеет и представляет собой лишь улучшение параметров и характеристик существующих ВЭУ.

13. Установка более совместима с экологическим окружением, чем другие существующие в настоящее время ВЭУ.

Библиографические данные

1. Willy J.G. Flugzeugtriebwerke;

2. Erich Hau, Windkraftanlagen;

3. Eckhard Rebhan (Hrsg.), Energiehandbuch;

4. Hutte, Die Grundlagen der Ingenierwissenschaften;

5. Horst Crome, Handbuch Windenergie Technik;

6. Robert Y. Redlinger, Per Dannemand Andersen, Poul Erik Morthorst, Wind Energy in the 21^st Century;

7. Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bossanyi, Wind Energy Handbook;

8. Т.Е.Faber, Fluid dynamics for physicists;

9. European Wind Atlas, Copyright © 1989 by Rise National Laboratory;

10. Bojan Kraut Kniga, Zagreb, 1988.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Технический результат заключается в повышении КПД (коэффициента полезного действия) ветроустановки и надежности, упрощении конструкции, эксплуатации и обслуживания. Аэродинамическая ветроэнергетическая установка содержит генератор, турбину, вытяжное кольцевое крыло с внутренней поверхностью «Де-Лаваль», являющееся несущим элементом и оснащенное флюгерной поверхностью, несущие радиальные кронштейны, кабину генератора с обтекаемой наружной поверхностью с внутренней несущей конструкцией для опор генератора и опоры турбины, входной неподвижный конус, радиальные кронштейны, входное кольцевое крыло, опорную мачту, поворотный стенд с токосъемниками, осуществляющий коммуникацию между кабиной генератора и опорной мачтой, причем профиль входного кольцевого крыла выполнен в паре с вытяжным кольцевым крылом. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Аэродинамическая ветроэнергетическая установка, содержащая генератор, турбину, вытяжное кольцевое крыло с внутренней поверхностью, выполненной по профилю «Де-Лаваль», являющееся несущим элементом установки и оснащенное флюгерной поверхностью, обеспечивающей ориентацию по ветру, несущие радиальные кронштейны для крепления генератора, кабину генератора с обтекаемой наружной поверхностью и с внутренней несущей конструкцией для опор генератора и опоры турбины, входной неподвижный конус, закрывающий ротор турбины, радиальные кронштейны, несущие входной конус, входное кольцевое крыло, имеющее замкнутый контур для вращения ротора турбины, опорную мачту установки и поворотный стенд с токосъемниками, осуществляющий коммуникацию между кабиной генератора и опорной мачтой, причем профиль входного кольцевого крыла выполнен в паре с вытяжным кольцевым крылом.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что флюгерная поверхность содержит датчик скорости ветра и сигнальную лампочку, входной конус представляет собой обтекаемую коническую поверхность из стеклопластика, а лопатки ротора турбины выполнены из полимеров или стеклопластика.3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что кабина генератора соединена трубным проходом с поворотным стендом для доступа к вращающимся агрегатам.4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что опорная мачта выполнена в виде цилиндрической металлической конструкции, укрепленной на анкерах бетонного фундамента и имеющей внутреннюю лестницу для поворотного стенда, кабельные линии и освещение.