СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ ВОЛКОВА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ МЕТОДОМ "ПАРУСНОГО" ЗАХВАТА Российский патент 2008 года по МПК F03D1/00 

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для развертывания ветроэлектростанций практически в любых, даже удаленных и труднодоступных местах. Кроме того, предлагаемое изобретение, используя в качестве захвата ветрового потока устройство в виде паруса, позволяет его поверхность изготавливать из полупроводникового материала, тем самым эта поверхность может собирать дополнительно солнечную энергию, повышая энергетическую эффективность ветровой электростанции.

Наиболее близким техническим решением является способ производства ветроэнергетики за счет использования лопастных ветроколес [1].

В качестве ближайшего аналога способа предложен способ ветроэнергетических модулей [1], который имеет повышенный КПД за счет помещения ветрового колеса в кольцевой обтекатель, закрепленный на центральном теле с помощью профилированных лопаток. Лопатки (или направляющий аппарат) сконструированы так, что создают предварительную закрутку ветрового потока на подходе к ветроколесу. Таким образом, устраняются закрутка на выходе из него и связанные с этим явлением потери мощности, достигающие в обычных ВЭУ 10%. Кольцевой обтекатель существенно снижает шум работающего ветроколеса. На входе он закрыт сеткой, обеспечивающей 100% защиту птиц.

Целью изобретения является повышение эффективности использования и расширение технических возможностей за счет резкого увеличения площади захвата ветрового потока, включая захват ветра, отраженного от плоскостей рельефа местности. Также целью изобретения является резкое снижение стоимости оборудования, снижение затрат при его установке и эксплуатации, а также улучшение режима его регулирования за счет соосного ступенчатого размещения в пространстве направляющих лопаток рабочих винтов и генераторов, т.е. за счет применения в устройстве многоступенчатой турбины и многоступенчатого генератора. Захваченный ветровой поток на вводе его в турбину и выводе из нее проходит сквозь сопло с профилем Лаваля, что позволяет более полно использовать ветровую энергию. Совмещение в конструкции паруса нескольких функций, таких как сбор ветрового потока, сбор тепловой и световой энергии, позволяет особенно резко повысить КПД данной установки.

Поставленная цель достигается тем, что известный способ производства энергии методом "парусного" захвата заключается в том, что вращение рабочих лопаток турбины осуществляют за счет потока ветра, улавливаемого их поверхностью, а также за счет ветра, отраженного от центрального тела и кольцевого обтекателя, при этом направляющие лопатки создают предварительную закрутку для рабочих лопаток, отличающийся тем, что кольцевой обтекатель выполнен с внутренней формой в виде расширяющегося сопла и в передней своей части снабжен обеспечивающим улавливание ветровых потоков от рельефа местности парусом, образуя с последним внутренний профиль сопла Лаваля, при этом рабочие и направляющие лопатки расположены после самого узкого сечения кольцевого обтекателя. Парус может быть выполнен из солнечных и тепловых батарей. Устройство для производства энергии методом "парусного" захвата, содержащее направляющие и рабочие лопатки турбины, вращающие генератор, центральное тело, установленное в сечении рабочих лопаток, и кольцевой обтекатель, отличается тем, что кольцевой обтекатель выполнен с внутренней формой в виде расширяющегося сопла и в передней своей части снабжен парусом, образуя с последним внутренний профиль сопла Лаваля, при этом нижняя часть паруса, образующая внутренний профиль, выполнена плоской, рабочие и направляющие лопатки могут иметь несколько рядов, представляя из себя многоступенчатую турбину, а генератор вынесен под парус перед рабочими лопатками и может быть многоступенчатым, при этом генераторы располагаются на одной оси с турбиной, подключаясь к ней за счет муфт сцепления по мере увеличения мощности ветрового потока, при этом вход в критическую часть сопла Лаваля имеет изменяемую геометрию за счет диафрагмы или центрального тела.

Предложенный способ реализует установка, представленная на фиг.1; 2; 3; 4.

Установка включает рабочее колесо с лопатками 1, установленное на центральном теле 3, перед рабочими лопатками установлены направляющие лопатки 10. Для более полного использования ветрового потока турбина, состоящая из ряда рабочих и направляющих лопаток, может содержать несколько ступеней, т.е. несколько рядов рабочих 1 и направляющих лопаток 10. Кольцевой обтекатель 2 охватывает все ступени турбины и имеет внутреннее сечение в виде расширяющегося конуса или в виде сопла.

Для увеличения площади рабочих лопаток и снижения сопротивления ветровому потоку электромагнитный генератор 5 может быть вынесен в переднюю часть основания паруса 7, верхняя часть которого выполнена также в виде сопла, а генератор соединен с основной осью 6. Для того чтобы удерживать определенные обороты вращения турбины, имеющие наибольший КПД, в установке можно использовать сразу несколько генераторов, соединенных между собой муфтами сцепления 13. По мере того, как сила ветрового потока увеличивается за счет муфт сцепления, к турбине подключается все большее количество генераторов.

Как известно, определенный тип генератора при определенном количестве оборотов в минуту вырабатывает наибольшее количество энергии. Используя особенности конструкции парусной ВЭУ, на ее нижней части могут располагаться генераторы 5, способные за счет муфт сцепления 13 независимо друг от друга подключаться к турбине. Схема включения их во вращательное движение может быть следующая.

При усилении потока ветра, который увеличивает силу вращения одного генератора на 25%, к этому генератору автоматически подключается другой генератор, потребляющий именно эту мощность, за счет чего две ступени генераторов будут иметь ту же скорость вращения, что и до повышения скорости ветра. Если допустим, основной генератор вырабатывал мощность 1 кВт, суммарная мощность при этом составит 1,25 кВт. Далее, если мощность ветрового потока возросла еще на 25%, то к исходному генератору подключается третий генератор, уже имеющий мощность 0,5 кВт, при этом генератор с мощностью 0,25 кВт отключается. Общая суммарная мощность при этом составит 1,5 кВт. При дальнейшем увеличении на 25% ветровой мощности все три генератора подключаются и вырабатывают 1,75 кВт. Если продолжить цепочку генераторов, для которых ступенчатое изменение мощности ветра составляет 25%, то следующий генератор, подключенный в эту цепочку, будет иметь мощность 2 кВт. При этом все четыре генераторные ступени будут изменять свою мощность от 0,25 до 3,75 кВт с дискретностью 0,25 кВт, для этой схемы следующая ступень будет иметь мощность, равную 4 кВт. При этом диапазон мощности будет варьироваться от 0,25 до 7,75 кВт. В этом диапазоне плавность регулировки составит 3,2%. Наращивая по возрастающей еще две следующие генераторные ступени, последние будут иметь мощность 8 кВт и 16 кВт. В этом составе семиступенчатый генератор будет иметь мощность максимальную 31,75 кВт, где плавность регулировки в диапазоне от 0,25 до 31,75 кВт составит 0,8%. Нижняя горизонтальная часть конструкции паруса называется палубой 32 и позволяет разместить подключаемые ступени генераторов таким образом, чтобы наименее мощный подходил как можно ближе к турбине, а наиболее мощный был от нее дальше с целью снижения сопротивления ветровому потоку и для того, чтобы муфты сцепления и соединительные оси более мощных генераторов, которые по теории вероятности будут менее задействованы в работе, были отключены при пониженном ветровом потоке.

Общее сечение паруса и кольцевого обтекателя выполнено в виде сопла типа Лаваля, в критической части которого может быть установлена диафрагма 14 или центральное тело специальной формы, подводя или отводя которое, изменяют скорость потока воздуха, поступающего в турбину, которая за счет уменьшения или увеличения своей внутренней площади изменяет сечение критической части сопла, тем самым влияет на установку определенной скорости ветрового потока, что позволяет очень плавно удерживать необходимые обороты вращения турбины. Изменяемая диаграмма в основном применяется в установке для усиления скорости ветрового потока, когда скорость ветра незначительная. При нормальном и сильном ветре диафрагма 14 прижата к стенкам паруса 7 и кольцевого обтекателя 2, а центральное тело удалено на большое расстояние, при этом за более грубую регулировку оборотов отвечает муфта сцепления 13. Применение многоступенчатого генератора и регулируемого критического сечения сопла позволяет удерживать постоянные обороты вращения турбины, тем самым не применяя редукторных устройств, на которых теряется мощность до 10% и более. Вся конструкция может быть установлена на оси вращения 4, при этом в зависимости от требований к конструкции ось может размещаться как по ее центру, так и в передней части паруса. Для поворота установки под ветровой поток в хвостовой части паруса 7 под кольцевым обтекателем установлено опорное колесо 42, лыжа или конек (в зависимости от места применения установки). Если конструкция имеет очень большой вес, то специальное колесо 43 (типа вагонного) опирается на рельс 12, расположенный вокруг оси, при этом угловые передние части паруса также могут иметь опорные колеса, располагающиеся на этом рельсе. Для того чтобы конструкция постоянно поворачивалась к ветру, в задней части она может иметь киль 15. Ветровой поток, отражающийся от нижней плоскости поверхности, на которой закреплена установка, захватывается ветровой юбкой 16, а отраженная часть потока, направленная вверх, захватывается верхним отражателем 8.

Общие отличительные особенности предлагаемой парусной ветроэнергетической установки (фиг.1) под названием "ветряк степной", устанавливаемой на ровной плоскости, а именно в поле, степи, озере (на льду или в воде), плоской крыше и т.п., заключается в том, что она в горизонтальном сечении имеет внутренний профиль паруса в виде сопла Лаваля, а в вертикальном сечении внутренний профиль паруса в виде сопла имеет только верхняя часть, нижняя часть выполнена в виде прямой линии и образует плоскость, параллельную плоскости поверхности расположения установки.

Для увеличения мощности ветроэнергетической установки парусного типа целесообразно использовать имеющийся рельеф местности в виде возвышенности, бокового откоса, скалы, здания, русла реки и т.п., от которого отражается ветровой поток и направляется в парус.

Если рассмотреть особенности ветроэнергетической установки "горного" типа (ВЭУ), которая расположена на возвышенности типа холма, здания, скалы и т.п. (фиг.2), то в ее конструкции может применяться рельсовая кольцевая опора 12, которая располагается строго по ее центру. При этом конструкция позволяет максимально захватывать отраженный ветровой поток от склона холма с помощью ветровой юбки 16 и верхнего отражателя 8, для увеличения КПД последний выставляется над вершиной холма и всегда поворачивается в сторону ветрового потока. Для еще большего усиления ветрового потока по склону холма (фиг.2) могут располагаться в радиальном направлении вертикальные направляющие 24, изготовленные из металла, пластика, ткани и т.п., которые в свою очередь могут поворачиваться вокруг шарнира 19 на фигурных верхних 17 и нижних 18 направляющих. При этом ветровой поток, отраженный холмом с подветренной стороны, будет максимально направлен в парусную установку. Для того чтобы максимально возможно увеличить ветровой поток, направляющийся в парусную установку, можно применять обычные паруса, ограничивающие боковое огибание ветром холма и закрепленные на тросах к основной установке и мачтах, которые в свою очередь могут крепиться на подвижной платформе, двигающейся по круговой направляющей 23, расположенной в основании холма. Вертикальные направляющие 24 для их большой эффективности могут быть соединены между собой верхним сплошным парусом.

Данное усовершенствование, которое использует обычный матерчатый парус, может быть также эффективно применено и для парусной ВЭУ "степного" типа, но его эффективность будет несколько меньше, так как "горное" ВЭУ получает дополнительную ветровую энергию от боковой поверхности склона. Как "горные", так и "степные" ВЭУ, использующие обычные паруса, способные захватить ветровой поток сотнями и тысячами квадратных метров, целесообразно снабжать несколькими рядами турбин (фиг.3), которые могут располагаться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении, а для придания жесткости основному парусу внутреннюю его полость можно снабжать вертикальными или горизонтальными перегородками, которые одновременно служат для стабилизации ветрового потока, имея профиль сопла соответствующего диаметра. Конструкция парусного ВЭУ "горного" типа испытывает достаточно высокую динамическую нагрузку особенно в горизонтальном и вертикальном направлении, поэтому, одновременно обеспечивая ее круговую подвижность (фиг.2), целесообразно ось вращения 4 установить в радиальный подшипник 27 для противодействия возникающим горизонтальным силам, а для противодействия вертикальной силе, поднимающей конструкцию вверх, ось вращения 4 может быть в своей нижней части снабжена расширяющимся диском 28, который верхней своей частью упирается в упорный подшипник 29. Для придания конструкции еще большей жесткости подшипник радиальный 31 дополнительно может быть установлен вокруг опорного рельса 12, а упорный подшипник 30 над ним.

С развитием парусных ВЭУ проектировщики производственных и жилых зданий будут учитывать особенности их работы, проектируя здания, имеющие особенные очертания, позволяющие собирать для ВЭУ как можно больше ветровой энергии. Парусные ВЭУ добиваются очень высокой скорости ветрового потока за счет его сжатия при входе в турбину, поэтому объем всей турбины в отличие от объема, который занимают рабочие лопатки обычных открытых лопастных ВЭУ или "модульных" ВЭУ, наименьший. При этом нужно учесть, что оборотистые турбины создают высокочастотную вибрацию, которая намного меньше распространяется на большие расстояния, а поэтому ее достаточно легко экранировать, тем более что небольшой объем вращающихся деталей позволяет применять для защиты от вибрации сразу несколько экранов. "Модульные" ВЭУ, а особенно мощные открытые лопастные ВЭУ, создают низкочастотную вибрацию, которая может распространяться на десятки километров, при этом ее не возможно экранировать, поэтому эти станции представляют достаточно серьезную опасность для экологии.

Кроме того, парусная ВЭУ, требующая для создания ветрового потока конструкцию, имеющую большую развернутую площадь, способную строго ориентироваться в пространстве, может в себе совмещать одновременно солнечно-энергетическую установку, если плоскость паруса изготовить из материала, преобразующего световую и тепловую энергию солнца. Установка этого типа будет называться СВЭУ (солнечно-ветроэнергетическая установка). В жарких и особенно пустынных районах, когда устанавливается полный штиль, корпус СВЭУ может разворачиваться наибольшей своей собирающей поверхностью к солнцу. Эта поверхность, облицованная солнечными батареями, находится со стороны, обратной ветровому захвату. Кроме того, пропуская под данной затемненной поверхностью воду, можно аккумулировать тепловую энергию в закрытом резервуаре для обогрева здания в момент, когда солнце уже не светит. Максимально высокий КПД СВЭУ достигается в момент, когда одновременно дует ветер и установка обогревается солнцем. Установки этого типа могли бы успешно применяться по берегам морей и океанов в теплых и солнечных районах, где с воды практически постоянно дует ветер, а прибрежные возвышенности усиливают его поток.

Конструкция парусного ВЭУ "парашютного" типа в зависимости от условий ее применения не менее эффективна, чем вышеперечисленные типы ВЭУ. Так в этой установке в качестве паруса используется традиционный купол 51 (фиг.4), который переходит в кольцевой обтекатель 2. Эта система достаточно легко управляема и очень мобильна. Так, например, в парусной ВЭУ "парашютного" типа можно использовать очень легкую турбину и генератор, при этом для ее работы достаточно закрепить стропы парашюта 52 на любой основе, ветровой поток сам расправит купол 51 и будет направлен в турбину. При смене ветра вся система автоматически будет поворачиваться за ним. При использовании более тяжелой турбины и генератора последние могут быть подвешены на воздушный шар 53, если площадь купола слишком большая, то ее верхний край также можно подвесить на шар 53. Данная система позволяет поднимать "парусную" электростанцию на достаточно большие высоты и удерживать ее на тросе 54 (фиг.4). Эту станцию можно применять там, где имеются лесные массивы и горные долины, в которых очень слабый ветровой поток у поверхности земли.

ЛИТЕРАТУРА

1. Журнал "Наука и жизнь" №9, 2003 год, стр.70-72.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Способ заключается в том, что вращение рабочих лопаток турбины осуществляют за счет потока ветра, улавливаемого их поверхностью, а также за счет ветра, отраженного от центрального тела и кольцевого обтекателя, при этом направляющие лопатки создают предварительную закрутку для рабочих лопаток. Кольцевой обтекатель выполнен с внутренней формой в виде расширяющегося сопла и в передней своей части снабжен обеспечивающим улавливание ветровых потоков от рельефа местности парусом, образуя с последним внутренний профиль сопла Лаваля. Рабочие и направляющие лопатки расположены после самого узкого сечения кольцевого обтекателя. Устройство содержит направляющие и рабочие лопатки турбины, вращающие генератор, центральное тело, установленное в сечении рабочих лопаток, и кольцевой обтекатель, который выполнен с внутренней формой в виде расширяющегося сопла и в передней своей части снабжен парусом, образуя с последним внутренний профиль сопла Лаваля. Нижняя часть паруса, образующая внутренний профиль, выполнена плоской, рабочие и направляющие лопатки могут иметь несколько рядов, представляя из себя многоступенчатую турбину, а генератор вынесен под парус перед рабочими лопатками и может быть многоступенчатым, при этом генераторы располагаются на одной оси с турбиной, подключаясь к ней за счет муфт сцепления по мере увеличения мощности ветрового потока. Вход в критическую часть сопла Лаваля имеет изменяемую геометрию за счет диафрагмы или центрального тела. Устройство пригодно для развертывания в удаленных и труднодоступных местах. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ производства энергии методом "парусного" захвата, заключающийся в том, что вращение рабочих лопаток турбины осуществляют за счет потока ветра, улавливаемого их поверхностью, а также за счет ветра, отраженного от центрального тела и кольцевого обтекателя, при этом направляющие лопатки создают предварительную закрутку для рабочих лопаток, отличающийся тем, что кольцевой обтекатель выполнен с внутренней формой в виде расширяющегося сопла и в передней своей части снабжен обеспечивающим улавливание ветровых потоков от рельефа местности парусом, образуя с последним внутренний профиль сопла Лаваля, при этом рабочие и направляющие лопатки расположены после самого узкого сечения кольцевого обтекателя.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что парус может быть выполнен из солнечных и тепловых батарей.3. Устройство для производства энергии методом "парусного" захвата, содержащее направляющие и рабочие лопатки турбины, вращающие генератор, центральное тело, установленное в сечении рабочих лопаток, и кольцевой обтекатель, отличающееся тем, что кольцевой обтекатель выполнен с внутренней формой в виде расширяющегося сопла и в передней своей части снабжен парусом, образуя с последним внутренний профиль сопла Лаваля, при этом нижняя часть паруса, образующая внутренний профиль, выполнена плоской, рабочие и направляющие лопатки могут иметь несколько рядов, представляя из себя многоступенчатую турбину, а генератор вынесен под парус перед рабочими лопатками и может быть многоступенчатым, при этом генераторы располагаются на одной оси с турбиной, подключаясь к ней за счет муфт сцепления по мере увеличения мощности ветрового потока, при этом вход в критическую часть сопла Лаваля имеет изменяемую геометрию за счет диафрагмы или центрального тела.