ВЕТРОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2014 года по МПК F03D11/00 F03D1/04 F03D3/04 

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики и может быть использовано для преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую и электрическую энергию.

Актуальность изобретения.

Проблема обеспечения жителей Земли энергией столь актуальна, что заставляет мощные в военном отношении страны принудительно перераспределять невозобновляемые источники энергии в своих целях. Разумное же человечество уменьшение полезных ископаемых компенсирует поиском альтернативных источников получения энергии.

Среди множества альтернативных возобновляемых источников энергии ветроэнергетика является весьма привлекательной.

Результаты исследований американских энергетиков впечатляют - согласно полученным данным даже с учетом всех погрешностей и невысокого КПД (преобразование кинетической энергии ветра в механическую на уровне 39-42% и преобразование механической энергии в электрическую на уровне 90-94%) ветряные электростанции могут обеспечить энергией весь земной шар [1, 2].

Ветроэнергетика развивается особо быстрыми темпами - 25-30% в год. К 2012 году установочная мощность ветроэлектрических установок в мире должна приблизиться к 160 ГВт [3].

Достоинства и недостатки ветроэнергетики.

Достоинства. Экологически чистый вид энергии. Производство электроэнергии с помощью «ветряков» не сопровождается выбросами CO₂ и других газов. Ветровые электростанции занимают мало места и легко вписываются в любой ландшафт, а также отлично сочетаются с другими видами хозяйственного использования территорий.

Энергия ветра, в отличие от ископаемого топлива, неистощима. Ветровая энергетика - лучшее решение для труднодоступных мест. Недостатки. Нестабильность. Нестабильность заключается в негарантированности получения необходимого количества электроэнергии. Ветряк, как парусник, работает, пока есть ветер. Относительно невысокий выход электроэнергии. Ветровые генераторы значительно уступают в выработке электроэнергии дизельным генераторам, что приводит к необходимости установки сразу нескольких турбин. Кроме того, ветровые турбины неэффективны при пиковых нагрузках. Высокая стоимость. Стоимость установки, производящей 1 мегаватт электроэнергии, составляет 1 миллион долларов.

Шумовое загрязнение, шум, производимый «ветряками», может причинять беспокойство как диким животным, так и людям, проживающим поблизости [16].

Ветряки являются причиной низкочастотных колебаний, которые влияют на здоровье людей.

Главным недостатком данных устройств, как и всех других ветряков, являются простои из-за отсутствия постоянно действующего ветрового потока.

Нет ветра - нет электроэнергии. Извольте тратить накопленное. Существует множество ветряков различных конструкций ветровых колес и ветровых турбин [4, 5, 6].

Некоторые недостатки ветряков конструкторы успешно устраняют. В основе Ветровой турбины Фуллера [17] - безлопастного ветряка - лежит несколько дополненная турбина Теслы, изобретенная в 1913 году.

Турбина Теслы - это набор из множества тонких металлических дисков, разделенных небольшими зазорами. Поток рабочей жидкости или газа поступает с внешнего края дисков и проходит по зазорам к центру, закручиваясь и увлекая за счет эффекта пограничного слоя сами диски. В центре же поток выходит через осевое отверстие.

На высоте, как известно, ветер дует сильнее, чем у поверхности земли. Британские архитекторы David Arnold и Alexa Ratzlaff предлагают создавать специальные небоскребы, главной целью которых как раз и будет ГЕНЕРАЦИЯ ветряной энергии, - ветровой поток должен разгоняться по винтообразным ребрам здания и подаваться на ветряки, расположенные на крыше небоскреба [21]. Проект интересен, но пока не воссоздан даже на моделях. При своем движении воздушный поток гудит, множество ветряков на крыше небоскреба тоже при работе лопастей генерируют инфразвуковые волны опасные для здоровья людей. Как жить в таком доме?

Данный проект можно принять за идейную основу нашего прототипа как попытку использовать постоянно действующие потоки воздуха на больший высотах, конечно, устанавливать ветряки на крышах жилых помещений весьма нежелательно.

Известна ТЕПЛОВИХРЕВАЯ электростанция [26], которая содержит трубу с генератором вихря, ветроколеса, установленные на вертикальном валу, и электрогенератор. Электростанция снабжена дополнительным генератором вихря, дефлектором, системой подогрева воздуха с трубами. Ветроколеса установлены в трубе, а крылья ветроколес размещены в зоне вихревого воздушного потока. Большим достоинством этого изобретения является генерация постоянного воздушного потока, что предотвратит простои ветряка.

Недостатки следующие.

Принцип обычной печки, в трубе которой установлено ветровое колесо. Новизна в том, что для увеличения тяги восходящий воздушный поток, возникающий за счет разницы ТЕМПЕРАТУР между низом и верхом трубы, приводится в вихревое движение, которое, по мнению авторов, должно значительно увеличить мощность и скорость воздушного потока.

Вызывает сомнение, что вихревое динамическое движение воздушного потока благотворно повлияет на крылья ветрового колеса или на лопатки ветровой турбины.

Большую тягу на коротком участке трубы таким способом не получишь и не пойдет ли вся электроэнергия ветряка на подогрев воздуха? А главное, если нет нагрева, то нет и тяги, значит ветряк будет простаивать (если топливо не подвезут или ремонтные работы на нагревателе). Топливо можно более эффективно использовать в обычных электрогенераторах.

Данное изобретение принято нами за прототип.

ЦЕЛЬЮ предлагаемого изобретения является создание ветровой электростанции на воздушном потоке за счет разницы атмосферного давления в начале и в конце аэродинамической трубы, а также уменьшение или устранение шумового и вибрационного воздействия ветроэнергетических установок на окружающую среду.

Предлагаемая ветровая электростанция на постоянном воздушном потоке включает множество ветроэнергетических установок обычной конструкции и аэродинамическую трубу. Основным отличием является то, что каждая ветроэнергетическая установка расположена в подземном туннели, соединенном с вертикальной аэродинамической трубой большой протяженности, подвешенной к аэростату, в результате чего, за счет значительного перепада атмосферного давления на концах трубы, создается постоянно действующий воздушный поток, а значит и работа электростанции будет без простоев, при этом подземное расположение ветроэнергетических установок значительно снижает звуковые и вибрационные воздействия на жилые массивы, что дает возможность расположить электростанцию ближе к потребителю и уменьшить расходы на транспортировку электроэнергии.

В качестве ветроэнергетических установок могут быть приемлемы любые ветряки с ветроколесами или турбинами, соответствующие технико-экономическим расчетам и экологии окружающей среды. Аэродинамическая труба с ребрами жесткости в виде полимерных обручей подвешивается на тросах к аэростату, который удерживается от смещения теми же тросами посредством наземных автоматических натяжных устройств.

Под воздействием ветровых боковых нагрузок полимерный рукав может изгибаться, что не повлияет на производительность ветряка. АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА должна иметь протяженность несколько сот метров или несколько километров исходя из технических возможностей.

Внутри трубы большой протяженности за счет перепада давления на ее концах будет создаваться сильный поток воздуха, который должен создавать значительные нагрузки на стенки аэродинамической трубы, что потребует высокой прочности ее оболочки.

Из всего многообразия полимеров в экстремальных условиях наиболее приемлемы УГЛЕПЛАСТИКИ. Наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна, которые получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила нефтяных и каменноугольных пеков и т.д.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы, способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000 град. Углепластики очень легки и, в то же время, прочные материалы [22]. Например, полимер этого класса, названный «Хайпол», обладает следующими параметрами: рабочая температура до 2000 град., химическая инертность к окислительным средам, не горит, в 1.5 раза легче алюминия и весьма прочен [23]. Вызывает интерес последняя разработка российских ученых - полимер ГРАФИН, обладающий особенными и экзотическими свойствами [24]. За эту разработку российские ученые получили Нобелевскую премию в 2010 году. Углеграфитовые трубки могут достигать прочность в 50 раз выше, чем сталь.

Углеродные тонкие пленки, полученные из этих полимеров, могут быть использованы в качестве стенок внутренней аэродинамической трубы.

Из тех же материалов могут быть изготовлены решетки и сетки фильтрационных устройств воздухозаборника.

Материалом для воздушных шаров обычно служат эластомеры, т.е. природные или синтетические каучуки. Каучук обладает способностью обратимо растягиваться до 900%. Из этих же материалов могут быть изготовлены и тросы, проложенные по стенкам аэродинамической трубы, с помощью которых конструкция крепится к воздушным шарам.

Нижний конец аэродинамической трубы жестко закрепляется на диффузоре, уплотняющем воздушный поток.

На разных уровнях аэродинамической трубы закрепляются научная аппаратура (на период испытаний), датчики, видеокамеры, передатчики видео и телеметрической информации.

На фиг.1 представлен вид на ветровую электростанцию сбоку в разрезе; на фиг.2 - вид на электростанцию сверху, где 1 - шар аэростата, 2 - гондола с контрольно-измерительной аппаратурой, 3 - трос, 4 - натяжное устройство, 5 - аэродинамическая труба, 6 - ребра жесткости, 7 - насыпь, 8 - воздухозаборник с фильтром, 9 - ветроэнергетическая установка, 10 - туннель, 11 - диффузор, выполняющий функцию уплотнителя воздушного потока.

Ход монтажных работ.

Выбирают место, малопригодное для промышленного и сельхозиспользования. Строят туннели с воздухозаборниками и диффузором, устанавливают в них ветроэнергетические установки, и сооружение присыпают землей. Несложно подвезти аэростат в собранном виде, катушки с полимерной пленкой и дуги обручей, а также натяжные устройства с намотанным тросом к месту монтажа.

Аэростат 1 приводят в рабочее состояние, прикрепляют к натяжным устройствам 4, гондолу 2 оборудуют контрольно-измерительной аппаратурой и медленно поднимают в воздух. К натянутым тросам 3 крепят ребра жесткости 6 в виде полимерных обручей и секции аэродинамической трубы 5. По мере наращивания трубы за счет состыковки ее секций аэростат поднимается вверх.

Параллельно этим работам внутри здания электроподстанции, находящейся на некотором удалении от ветроэнергетических установок, монтируются контроллер, инвертор, трансформатор, переключатель на другие виды электропитания (АВР) и интерфейс линии электропередачи (ЛЭП), а также наземная станция наблюдения и ретранслятор для автоматического контроля и управления электроподстанцией на расстоянии. Электроэнергия от генераторов поступает по кабелю на контроллер, который управляется всей энергосистемой станции. Далее энергия трансформируется и поступает через интерфейс на ЛЭП общегосударственной сети.

Для обеспечения энергией устройств самой электростанции и близлежащих устройств наблюдения служат инвертор и АВР.

АВР позволяет переключить питание объекта при остановке ветроэнергетической установки (ремонт, профилактика) на другие установки или горэлектросеть.

Так как электростанция автоматическая, то все ее параметры и видеонаблюдения передаются через ретранслятор на пункт сбора данных районной госэлектросети.

Предлагаемая ветровая электростанция проста, а значит и экономически низкозатратная. Неприхотлива в выборе места - пригодна и в труднодоступных условиях. Ей не страшны и отсутствие ветра, и его сильные порывы, ветроэнергетические установки, запрятанные в подземные туннели, могут работать и при изгибе аэродинамической трубы под напором горизонтальных потоков воздуха. Постоянно действующие высокоскоростные потоки ветра на больших высотах могут только ускорять воздушный поток внутри аэродинамической трубы, за счет дополнительного разрежения воздуха на верхнем конце трубы. Устройство удобно для технического обслуживания и самой аэродинамической трубы - достаточно подтянуть аэростат натяжными устройствами к земле.

Конструкция ветровой электростанции не предполагает ограничений на длину и диаметр аэродинамической трубы, на количество установленных ветроэнергетических установок, а значит и на ее производительность.

Источники информации

1. Журнал «Технологии», 11, 2009.

2. http: stigru. com/technologies.

3. Журнал « Рынок электротехники», 2, 2006.

4. http://www.bellona.ru/Energy.

5. http://mexiko.spaceweb.ru.

6. http:www.newchemistry.ru.

7. RU 2399789 C1,2008.

8.http://www.riocman.ru.

9. RU 2205977, 2004, C1.

10. RU 2372519, 2008, C1.

11. http:www.arisvr.ru.

12. RU 2392489 C1.

14. http;//www.promdex.com.

15. http;acnergy.ru.

16. http: www.priroda.ru.

17. http://wind.atmosfera.ua/ru/catalog.

18. http:www.rf-energy.ru.

19. http:stgru.com/technology.ru.

20. http:www.dzeen.com.

21. http:www.ecologie.com.

22. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М.: Высшая школа, 2004.

23. http: highpol.com.

24. http:newchemistry.ru.

25. RU 2268396.

26. RU 2070660.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветровая электростанция на постоянном воздушном потоке включает множество ветроэнергетических установок и аэродинамическую трубу. Каждая ветроэнергетическая установка расположена в подземном туннеле, соединенном с вертикальной аэродинамической трубой большой протяженности, подвешенной к аэростату. В результате, за счет значительного перепада атмосферного давления на концах трубы, создается постоянно действующий воздушный поток, а значит и работа электростанции будет без простоев. Подземное расположение ветроэнергетических установок значительно снижает звуковые и вибрационные воздействия на жилые массивы, что дает возможность расположить электростанцию ближе к потребителю и уменьшить расходы на транспортировку электроэнергии. 2 ил.

Ветровая электростанция на постоянном воздушном потоке, включающая множество ветроэнергетических установок и аэродинамическую трубу, отличающаяся тем, что каждая ветроэнергетическая установка расположена в подземном туннеле, соединенном с вертикальной аэродинамической трубой большой протяженности, подвешенной к аэростату, в результате чего, за счет значительного перепада атмосферного давления на концах трубы, создается постоянно действующий воздушный поток, а значит и работа электростанции будет без простоев, при этом подземное расположение ветроэнергетических установок значительно снижает звуковые и вибрационные воздействия на жилые массивы, что дает возможность расположить электростанцию ближе к потребителю и уменьшить расходы на транспортировку электроэнергии.