УПРАВЛЯЕМОЕ ДАВЛЕНИЕМ УСТРОЙСТВО УЛУЧШЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРЯНОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2015 года по МПК F03D1/04 

Область техники

Данное изобретение относится к управляемому давлением устройству улучшения параметров ветряной турбины, которое может быть объединено с новыми ветряными турбинами или использовано для модернизации существующих ветряных турбин. В конструкции используется модифицированный кожух (ветронаправляющее средство), расположенный непосредственно выше по потоку ветряной турбины. Использование модифицированного кожуха усиливает воздушный поток, направляемый на лопасти турбины, таким образом, что увеличивается выходная мощность, снимаемая с турбины.

Уровень техники

В условиях современного глобального потепления и пристального внимания к проблемам сохранения окружающей среды становятся все более и более важными возобновляемые источники энергии, среди которых ветряные турбины, как наземные, так и оффшорные, являются наиболее популярным средством получения возобновляемой энергии. Хотя доказано, что использование турбин являются технически реализуемым вариантом, все же ему присущ ряд ограничений. Одна из основных проблем для ветряных турбин заключается в явлении, известном как "порог Бетца", который определяет максимальные величины для параметров ветряных турбин. Это явление происходит по причине падения давления на роторе турбины, при котором воздух непосредственно за лопастями находится под субатмосферным давлением, и воздух непосредственно перед лопастями находится под давлением, выше атмосферного. Это повышенное давление перед турбиной отклоняет некоторую часть ветрового потока или находящегося выше по потоку воздуха в направлении в обход турбины, что накладывает ограничение на величину энергии, которая может быть извлечена турбиной.

Однако этот порог Бетца в большинстве ветряных турбин достигается редко из-за флуктуаций скорости ветра, которые являются другим недостатком при использовании ветряных турбин. Постоянство скорости ветра не может быть гарантировано, и поэтому энергия, вырабатываемая ветряными турбинами, изменчива, и это очевидным образом создает проблемы при подаче электроэнергии потребителю. В результате нормальной практикой является тщательный выбор площадок для размещения ветряных турбин, которые должны находиться в районах, в высшей мере характеризующихся преобладающими скоростями ветра, а также на небольшом возвышении. Предпочтительно также, чтобы лопасти турбины располагались на некоторой высоте над землей, так как скорость ветра на высоте в общем выше из-за его торможения на уровне земли и более низкой плотности воздуха на высоте. Однако вне зависимости от высоты при обтекании воздушным потоком твердых тел, таких как лопасти турбины, возникает турбулентность, приводящая к увеличению торможения и потерям на теплопередачу. Поэтому в таких устройствах, в данном случае в ветряных турбинах, чем больше турбулентность воздуха или "ветра", обтекающего лопасти, тем ниже эффективность преобразования ветровой энергии на лопастях турбины.

Раскрытие изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается управляемое давлением устройство улучшения параметров ветряной турбины, включающее кожух, содержащий по меньшей мере первую и вторую секции, отделенные друг от друга промежутком.

Предпочтительно промежуток проходит в основном по всей окружности кожуха.

Предпочтительно промежуток проходит в основном в радиальном направлении.

Предпочтительно кожух содержит три или более секций, каждая из которых отделена от соседних секций соответствующим промежутком.

Предпочтительно устройство содержит крепление, соединяющее первую и вторую секции друг с другом.

Предпочтительно крепление содержит расположенную в основном по окружности группу створок, проходящих между первой и второй секциями кожуха и скрепленных с ними.

Предпочтительно каждая секция кожуха имеет в основном коническую форму.

Предпочтительно первая секция имеет большую конусность, чем вторая секция.

Предпочтительно устройство содержит средство сброса давления, способное при работе изменять давление воздуха внутри кожуха.

Предпочтительно средство сброса давления содержит одно или несколько отверстий в кожухе.

Предпочтительно средство сброса давления содержит одну или несколько створок, обеспеченных у соответствующего отверстия в стенке кожуха, причем створка или каждая из створок выполнена с возможностью смещения между закрытым положением, при котором отверстие перекрыто, и открытым положением, открывающим отверстие.

Предпочтительно створка или каждая из створок выполнена с возможностью смещения при работе из закрытого положения под действием порогового давления, развиваемого в кожухе.

Предпочтительно каждая створка смещена в закрытое положение.

Предпочтительно каждая створка смещена пружинисто.

Предпочтительно устройство содержит основание, на котором смонтирован кожух.

Предпочтительно кожух выполнен поворотным на основании или вместе с основанием.

Предпочтительно основание содержит платформу, к которой прикреплена ветряная турбина.

Предпочтительно устройство содержит направляющие средства, приспособленные для смещения устройства в положение, обращенное к ветру.

Предпочтительно устройство содержит одно или несколько сопел, установленных вблизи кожуха и приспособленных для вдувания воздуха в воздушный поток внутри кожуха и (или) вблизи него.

Предпочтительно основание содержит канал для подачи воздуха к одному или нескольким соплам.

Предпочтительно одно или несколько сопел выполнены воедино с основанием.

Предпочтительно выполнено с возможностью монтажа на выходе существующей системы кондиционирования.

Предпочтительно устройство содержит ветряную турбину, с которой кожух выполнен воедино.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение более подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - вид спереди в перспективе предлагаемого в изобретении управляемого давлением устройства улучшения параметров ветряной турбины в отсутствие самой турбины;

на фиг.2 - вид сбоку управляемого давлением устройства улучшения параметров ветряной турбины с фиг.1;

на фиг.3 - вид спереди управляемого давлением устройства улучшения параметров ветряной турбины с фиг.1.

Осуществление изобретения

На прилагаемый чертежах представлено управляемое давлением устройство улучшения переметов ветряной турбины, обозначенное в общем позицией 10 и приспособленное для увеличения скорости и (или) улучшения профиля воздушного потока через обычную ветряную турбину (не показана) с целью увеличения выходной мощности турбины. Как будет понятно из последующего описания чертежей, устройство 1 улучшения параметров может быть приспособлено к существующей ветряной турбине или может быть выполнено воедино с новой ветряной турбиной.

Устройство 10 улучшения параметров содержит в общем конический кожух 12, открытый с обоих концов и смонтированный в представленном предпочтительном варианте выполнения на основании 14, на котором кожух 12 может поворачиваться, следуя за преобладающим ветром, как будет подробно описано далее.

Кожух 12 содержит первую секцию 16 и вторую секцию 18, разделенные друг от друга кольцевым промежутком 20. Подразумевается также, что могут быть предусмотрены дополнительные секции (не показаны), каждая из которых отделена от соседней секции соответствующим промежутком (не показан). В представленном варианте выполнения промежуток 20 ориентирован в направлении, в основном параллельном продольной оси кожуха 12, хотя предусматриваются также и другие направления.

В представленном варианте выполнения первая и вторая секции 16, 18 соединены друг с другом креплением в виде размещенных по окружности стоек 22, проходящих поперек промежутка 20 между первой и второй секциями и прикрепленных к ним. Затем сам кожух 12 скреплен с основанием 14 несколькими тягами 24, проходящими от местоположения вблизи верхней части основания 14 наружу и зафиксированными на кожухе 12, причем такая же конструкция введена у нижней части кожуха 12. Кроме того, кожух 12 предпочтительно усилен введением нескольких колец 26 жесткости, охватывающих по окружности как первую, так и вторую секции 16, 18. Они могут быть из металла или из любого другого подходящего материала. Сам кожух 12 может быть также выполнен из пригодного материала, например из листового металла, стекловолокна, углеволокна или подобного материала. Должно быть понятно, что конструкция кожуха 12, а также способ крепления его к основанию 14 могут изменяться при сохранении основополагающего функционального отличия, вводимого промежутком 20, разделяющим первую и вторую секции 16, 18.

Устройство 10 улучшения параметров содержит также средство сброса давления в виде группы створок 28 как на первой секции 16, так и на второй секции 18, причем каждая из створок 28 расположена над соответствующим отверстием 30 в боковых стенках первой и второй секций и поэтому перекрывает его. Створки 28 могут смещаться между закрытым положением, в котором они перекрывают соответствующие отверстия 30, и открытым положением, открывающим отверстия 30 и, следовательно, дающим возможность прохождения воздушного потока из внутреннего пространства кожуха 12 наружу, как это будет подробно описано далее.

В данном варианте выполнения створки 28 выполнены пружинисто смещаемыми в закрытое положение. Это достигается за счет закрепления каждой створки 28 на консольном рычаге 32, расположенном на наружной поверхности кожуха 12, причем рычаги 32 соответствующим образом пружинисто смещены к кожуху 12, Это может обеспечиваться несколькими путями, например введением пластинчатой пружины, спиральной пружины, пневматического/гидравлического толкателя или любого другого функционального эквивалента. Пружинистое смещение подбирается таким образом, чтобы его можно было преодолеть при достижении внутри кожуха 12 заданного давления. Таким образом, если давление превышает заданное значение, сворки 28 принудительно смещаются наружу, открывая соответствующие отверстия 30 и тем самым сбрасывая давление внутри кожуха 12. Цель этого сброса давления подробно описана далее. Должно быть понятно, что действием створок 28 можно управлять с помощью любого другого пригодного средства, например используя электронное управляющее средство, взаимодействующее с соответствующим приводом (не показан) для регулирования перемещения створок 28. Может быть предусмотрен датчик давления (не показан), предназначенный для мониторинга давления внутри кожуха 12 и передающий эту информацию в электронное средство управления для обеспечения соответствующего регулирования створок 28.

Наконец, устройство 10 содержит пару направляющих лопастей, укрепленных вне кожуха 12 на каркасе 36, отходящем от колец 26 жесткости. Направляющие лопасти 34 введены для того, чтобы обеспечить возможность устройству 10 улучшения параметров устанавливаться по воздушному потоку, следуя за преобладающими ветрами, и тем самым обеспечивать максимум энергии, подводимой к ветряной турбине (не показана). Это может достигаться несколькими альтернативными путями, например использованием одной направляющей лопасти, отходящей от основания 14 или кожуха 12, или использованием электронного и (или) механического привода (не показан) для отслеживания преобладающего ветра и поворота кожуха 12 или устройства 10 улучшения параметров на подшипнике или поворотном механизме (не показаны).

Рассматривая далее действие устройства 10 улучшения параметров, нужно отметить, что кожух 12 в основном имеет форму усеченного конуса, хотя в представленном варианте выполнения первая секция 16 имеет большую конусность, чем вторая секция 18. Общий профиль кожуха 12 конический, и при работе ветряная турбина (не показана) крепится непосредственно ниже по потоку торца с меньшим диаметром, сформированного секцией 18. Турбина (не показана) предпочтительно крепится на платформе 38, предусмотренной на основании 14, например за ступицу турбины (не показана). Однако турбина может быть закреплена относительно устройства 10 улучшения параметров любым другим пригодным средством, и подразумевается, что для турбины (не показана) может быть использована отдельная опора (не показана), а не устройство 10 улучшения параметров. Итак, устройство 10 может устанавливаться по направлению воздушного потока, обращаясь к встречному ветру, который затем улавливается кожухом 12, и таким образом воздушный поток ускоряется и перенаправляется на лопасти турбины, пересекая их, для выработки электроэнергии.

При работе первоначально турбулентный ветер поступает в первую секцию 16 кожуха 12, и из-за суженной формы этой секции он ускоряется и перенаправляется через кожух 12 при одновременном частичном снижении турбулентности ветра. Затем ветер поступает во вторую секцию 18, причем переход между первой и второй секциями формируется промежутком 20. Как было упомянуто ранее, вторая секция 18 имеет более пологий угол или конусность по сравнению с первой секцией 16, что хорошо видно на фиг.2. Для того чтобы избежать создаваемого воздушным потоком избыточного давления на внутренние боковые стенки кожуха 12 при прохождении из первой секции 16 во вторую секцию 18, промежуток 20 обеспечивает некоторое снижение давления внутри кожуха 12 с целью ускорения воздушного потока и сохранения его непрерывности и тем самым предотвращения влияния турбулентности при переходе между первой и второй секциями 16, 18. Воздух затем продолжает движение через вторую секцию 18, где его скорость снова возрастает благодаря конусности второй секции 18, и остаточная турбулентность в общем уменьшается или исчезает. Ускоренный воздушный поток затем выходит из второй секции 18 на ветряную турбину (не показана), вырабатывая электрическую или механическую энергию.

За счет уменьшения конусности на участке второй секции 18 по сравнению с первой секцией 16 увеличение давления в кожухе 12 может контролироваться с целью предотвращения возникновения избыточного давления, которое может ограничить объем воздуха, который может затем пройти через кожух 12. Однако в зависимости от локального ветрового режима в кожухе 12 могут все же возникать всплески давления, приводящие к нестабильности воздушного потока через кожух 12 и, следовательно, к нестабильности выработки энергии ветряной турбиной (не показана). Для преодоления этой проблемы турбинное устройство 10 обеспечено средствами сброса давления в виде группы створок 28 и соответствующих отверстий 30 в кожухе 12. В представленном варианте выполнения средства сброса давления обеспечены как в первой, так и во второй секциях 16, 18, хотя должно быть понятно, что их введение может ограничиваться одной или другой секцией, или их может не быть вообще. Таким образом при возникновении в кожухе 12 всплеска давления группа створок 28 принудительно открывается, преодолевая пружинистое смещение, что обеспечивает снижение давления в кожухе 12. Тем самым гарантируется однородность воздушного потока через кожух 12 и достижение максимального значения энергии, передаваемой ветряной турбине (не показана). В зависимости от размеров устройства 10, и в частности кожуха 12, пороговое давление, при котором происходит открывание створок 28, может меняться путем регулирования пружинистого смещения или аналогичного механизма. Подразумевается также, что средства сброса давления могут иметь вид, отличный от группы створок 28 при условии выполнения ими основной функции снижения давления.

Должно быть понятно, что общая форма и (или) конфигурация устройства 10 может изменяться при условии сохранения выполнения вышеупомянутой функции. В качестве примера внутренняя или наружная поверхность кожуха 12 или направляющих лопастей 34 может быть обеспечена средствами сбора солнечной энергии (не показаны), закрепленными на них и служащими для получения энергии, дополнительной к выработанной самой турбиной. Альтернативно электрическая энергия, вырабатываемая таким средствами сбора солнечной энергии, может быть использована для приведения в действие пускового двигателя ветряной турбины (не показана) с целью обеспечения работы в периоды пониженной скорости ветра.

Кроме того, устройство 10 может содержать одно или несколько сопел (не показаны), обеспеченных вблизи кожуха 12 и выполненных с возможностью выброса высокоскоростных воздушных струй, направленных к кожуху 12 или в него со скоростью и в направлении, при которых улучшаются условия прохождения воздушного потока как за счет снижения турбулентности и регулирования давления, так и за счет увеличения скорости воздуха, проходящего через кожух 12. Число и конструкция сопел, а также их положение вблизи кожуха 12 могут при необходимости меняться. Например, подразумевается, что само основание 14 может формировать сопло, и воздух может поступать через внутреннее пространство основания 14 и одно или несколько отверстий или сопел (не показаны), выполненных в боковых стенках основания 14 в местоположениях, обращенных к внутреннему пространству кожуха 12. В таком случае воздушные струи могут выбрасываться непосредственно из основания 14, что снимает требование на введение отельной группы сопел.

Устройство улучшения параметров может быть смонтировано, например, так, чтобы кожух находился на выходе относительно крупной вентиляционной системы (не показана), например подобной используемым в подземных паркингах или больших офисных зданиях, или т.п. Тогда вместо потери энергии, заключенной в отработанном воздухе, она может быть использована для приведения в действие турбины с помощью устройства 10 улучшения параметров с целью выработки мощности.

За счет использования предлагаемого в изобретении кожуха 12 с регулятором давления можно повысить выходную мощность ветряной турбины.

Следует также отметить, что, так как турбина производит больше энергии на квадратный метр обдуваемой площади, лопасти могут быть уменьшены в размере и высота, на которой они располагаются, также может быть уменьшена, что снижает начальную стоимость турбины и увеличивает число площадок, на которых могут быть размещены ветряные турбины.

Следовательно, управляемое давлением устройство 10 улучшения параметров ветряной турбины, предлагаемое в изобретении, обеспечивает простое, но все же высокоэффективное средство и способ улучшения характеристик ветряной турбины. Устройство 10 улучшения параметров содержит очень мало подвижных деталей, что является преимуществом с точки зрения надежности, а также снижения стоимости. Различные компоненты турбинного устройства 10 могут быть изготовлены из любого пригодного материала, но предпочтительно из легковесного материала, такого как пластик, композит или другой материал.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и предназначено для улучшения параметров ветряной турбины. Управляемое давлением устройство улучшения параметров ветряной турбины содержит кожух, который включает по меньшей мере первую и вторую секции. Первая секция имеет большую конусность, чем вторая секция. Упомянутые секции отделены друг от друга промежутком так, что обеспечивается снижение давления изнутри кожуха с ускорением воздушного потока через кожух. Изобретение направлено на увеличение выходной мощности, снимаемой с турбины, за счет использования модифицированного кожуха, усиливающего воздушный поток, направленный на лопасти турбины. 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Управляемое давлением устройство улучшения параметров ветряной турбины, содержащее кожух, включающий по меньшей мере первую и вторую секции, причем первая секция имеет большую конусность, чем вторая секция, и секции отделены друг от друга промежутком так, что обеспечивается снижение давления изнутри кожуха с ускорением воздушного потока через кожух.

2. Устройство по п.1, в котором промежуток проходит в основном по всей окружности кожуха.

3. Устройство по п.1, в котором промежуток проходит в основном в радиальном направлении.

4. Устройство по п.1, в котором кожух содержит три или более секций, каждая из которых отделена от соседних секций соответствующим промежутком.

5. Устройство по п.1, содержащее крепление, соединяющее первую и вторую секции друг с другом.

6. Устройство по п.5, в котором крепление содержит расположенную в основном по окружности группу стоек, проходящих между первой и второй секциями кожуха и скрепленных с ними.

7. Устройство по п.1, в котором каждая секция кожуха имеет в основном коническую форму.

8. Устройство по п.1, содержащее средство сброса давления, способное при работе изменять давление воздуха внутри кожуха.

9. Устройство по п.8, в котором средство сброса давления включает одно или несколько отверстий в кожухе.

10. Устройство по п.8, в котором средство сброса давления включает одну или несколько створок, обеспеченных у соответствующего отверстия в стенке кожуха, причем створка или каждая из створок выполнена с возможностью смещения между закрытым положением, при котором отверстие перекрыто, и открытым положением, открывающим отверстие.

11. Устройство по п.10, в котором створка или каждая из створок выполнена с возможностью смещения при работе из закрытого положения под действием порогового давления, развиваемого в кожухе.

12. Устройство по п.10, в котором каждая створка смещена в закрытое положение.

13. Устройство по п.12, в котором каждая створка смещена пружинисто.

14. Устройство по п.1, содержащее основание, на котором смонтирован кожух.

15. Устройство по п.14, в котором кожух выполнен поворотным на основании или вместе с основанием.

16. Устройство по п.14, в котором основание содержит платформу, к которой прикреплена ветряная турбина.

17. Устройство по п.1, содержащее направляющее средство, приспособленное для смещения устройства в положение, обращенное к ветру.

18. Устройство по п.1, выполненное с возможностью монтажа на выходе существующей системы кондиционирования.

19. Устройство по п.1, содержащее ветряную турбину, с которой кожух выполнен воедино.