ВЕТРОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2015 года по МПК F03D3/00 

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.

Известна тепловихревая электростанция (RU 2070660 C1, МПК F03D 3/04, опубл. 20.12.1996), которая содержит трубу с генератором вихря, ветроколеса, установленные на вертикальном валу, и электрогенератор. Электростанция снабжена дополнительным генератором вихря, дефлектором, системой подогрева воздуха. 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. Для создания постоянно действующего воздушного потока в трубе необходимо выполнить два условия:

- наличие градиента температуры, атмосферного давления или плотности воздуха на концах трубы;

- наличие тех же градиентов воздуха внутри трубы относительно окружающей среды.

Увеличить градиент по атмосферному давлению на концах трубы можно за счет увеличения ее длины от несколько сот метров до нескольких километров, вплоть до верхней границы тропосферы 10-18 км (RU 2504690 C2, МПК F03D11/00, опубл. 20.01.2014).

Для увеличения градиента давления внутри трубы предлагается за счет установки в устье трубы ветрового барабана с лопастями, в котором, при его вращении под действием горизонтальных потоков воздуха, по закону Бернулли возникает разрежение воздуха, что создает дополнительную тягу. Для нагревания воздуха внутри трубы предлагается использовать газовые горелки, установленные на внутренней поверхности башни в устье аэродинамической трубы (RU 2504685 C1 МПК F03D 1/02, опубл. 20.01.2014).

Для уменьшения шума и вибрации предлагалось ветровые колеса с электрогенераторами размещать в подземных туннелях. Эти предложения должны повысить эффективность ветровой электростанции.

Предлагаемая ветровая электростанция на постоянном воздушном потоке, принятая нами за прототип, включает множество ветроэнергетических установок, содержащих ветровые колеса с электрогенератором, нагревательное устройство и аэродинамическую трубу. Ветровые колеса с электрогенератором расположены в подземных туннелях, соединенных с башней, в которой расположены газовые горелки. На башне в устье аэродинамической трубы, выполненной из полимерных материалов с ребрами жесткости в виде обручей и подвешенной на тросах к аэростату, смонтирован барабан с лопастями, установленный с возможностью вращения и создания разрежения под действием горизонтальных потоков воздуха. Недостатком данной конструкции является то, что газовые горелки нагревательного элемента нагревают непосредственно воздух, плохо поглощающий инфракрасное излучение, что приводит к большому расходу топлива, замедляет прогрев и первичную продувку аэродинамической трубы.

Целью предлагаемого изобретения является дальнейшее повышение эффективности ветровой электростанции за счет оптимизации воздушного потока и повышения эффективности работы нагревательного элемента.

Механизмы оптимизации могут быть следующие.

Для создания тяги и подержания воздушного потока в башне установлены газовые горелки. Известно, что 60% их энергии - это тепловое или инфракрасное излучение.

Воздух не поглощает инфракрасное излучение, а нагревается исключительно от нагретых поверхностей. Зато водяной пар отлично поглощает инфракрасное излучение, а значит, легко нагревается и, смешиваясь с отработанным горячем газом горелок и с воздухом, легко прогревает аэродинамическую трубу, тем самым быстрее создает первоначальную тягу.

Предлагаемая ветровая электростанция включает множество ветроэнергетических установок, расположенных в туннелях и содержащих ветровые колеса с электрогенератором, аэродинамическую трубу с башней и нагревательное устройство, отличается тем, что нагревательное устройство, расположенное в середине башни, состоит из перфорированной тонкостенной керамической трубы и водопровода с соплами внутри нее, газовых горелок, нагревающих керамическую трубу с внешней стороны, которая при нагревании излучает диффузное инфракрасное излучение, поглощаемое парами воды. Такое устройство позволит сэкономить топливо и ускорить процесс нагрева воздуха и время первичной продувки аэродинамической трубы.

Другим средством оптимизации является установка в туннеле диафрагмы, которая за счет изменения диаметра туннеля автоматически поддерживает движение воздушного потока с постоянной скоростью. Диафрагма состоит из нескольких металлических лепестков серповидной формы, которые, сближаясь с помощью специальных сервомоторов, устанавливают плавное изменение диаметра воздушного потока.

Управление электрического сервопривода построено по схеме сравнения показаний датчика скорости воздушного потока и задаваемого значения, с подачей напряжения через реле на электродвигатель. Использование микропроцессора позволяет учитывать инерцию приводимого элемента и реализовать плавный разгон и торможение для уменьшения динамических нагрузок и более точного позиционирования.

Так как поток сравнительно постоянен по скорости, то нет нужды в дорогостоящих аккумулирующих устройствах, да и сам ветряк может быть упрощен и состоять из ветрового колеса и электрогенератора. Подземное расположение ветряков и близость к городу позволяют подключить электростанцию к городской сети и отказаться от ЛЭП. Из всего многообразия полимеров для изготовления аэродинамической трубы, работающей в экстремальных условиях, наиболее приемлемы углепластики, например Графин и Хайпол, которые получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила нефтяных и каменноугольных пеков. Материалом для воздушных шаров обычно служат эластомеры, т.е. природные или синтетические каучуки, обладающие способностью обратимо растягиваться до 900%.

Потери на трение по стенкам туннеля, башни и аэродинамической трубы могут быть снижены путем покрытия их углеграфитовыми пленками с низким коэффициентом трения (0,005).

Очевидно, что технические усложнения конструкции электростанции невелики, а повышение производительности и экономические выгоды очевидны.

На фиг. 1 представлен вид ветровой электростанции сбоку в разрезе; на фиг. 2 - вид на электростанцию сверху; на фиг. 3 - разрез туннеля в месте установки диафрагмы, где 1 - шар аэростата, 2 - гондола с контрольно-измерительной аппаратурой, 3 - трос, 4 - натяжное устройство, 5 - аэродинамическая труба, 6 - барабан с лопастями, 7 - насыпь, 8 - воздухозаборник с фильтром, 9 - ветроэнергетическая установка (ветровое колеса с электрогенератором), 10 - туннель, 11 - диффузор, 12 - ребра жесткости, 13 - газовые горелки, 14 - башня, 15 газопровод, 16 - диафрагма, 17 - керамическая труба, 18 - водопровод с соплами.

Ход монтажных работ

Выбирают место, малопригодное для промышленного и сельхозиспользования. Строят туннели с воздухозаборниками и диафрагмой, а также башню с диффузором. В башне укрепляют керамическую трубу, внутри которой имеется водопровод с форсунками - разбрызгивателями воды. По внутренней поверхности башни устанавливают газовые горелки и подключают к ним газопровод. Далее устанавливают в туннелях ветровые колеса с электрогенераторами, и это сооружение присыпают землей. На башню устанавливают вращающийся на шарикоподшипниках барабан с лопастями.

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, которую оборудуют контрольно-измерительной аппаратурой и медленно поднимают в воздух. К натянутым тросам 3 крепят секции аэродинамической трубы 5 с ребрами жесткости 12 в виде полимерных обручей. По мере наращивания трубы за счет состыковки ее секций аэростат поднимается вверх.

Параллельно этим работам, внутри здания электроподстанции, монтируются контроллер, инвертор, АВР, трансформатор и интерфейс ЛЭП. Устанавливается наземная станция наблюдения и ретранслятор для автоматического контроля и управления электроподстанцией на расстоянии. Вначале нагревают газовыми горелками керамическую трубу, затем продувают аэродинамическую трубу паром и горячими отработанными газами. Когда естественная тяга потока будет не ниже 5 м/с (это нижний предел скорости, при которой могут работать современные ветряки), включают поочередно ветряки.

Электроэнергия от генераторов поступает по кабелю на контроллер, который управляет всей энергосистемой станции. Далее энергия трансформируется и поступает через интерфейс на городскую сеть.

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 городской электросети.

Так как электростанция автоматическая, то все ее параметры передаются через ретранслятор на пункт сбора данных в городскую электросеть.

Предлагаемая ветровая электростанция проста, а значит и низкозатратна и экономически выгодна. Она 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, не создают излишних шумовых и вибрационных воздействий на окружающую среду и могут работать вблизи населенных пунктов.

Устройство удобно для технического обслуживания агрегатов 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.

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики и может быть использовано для преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую и электрическую энергию. Ветровая электростанция на постоянном воздушном потоке включает множество ветроэнергетических установок, содержащих ветровые колеса с электрогенератором, нагревательный элемент и аэродинамическую трубу. Ветровые колеса с электрогенератором расположены в подземных туннелях, соединенных с башней, в которой расположены газовые горелки, создающие постоянный воздушный поток. По центру башни расположена перфорированная тонкостенная керамическая труба и водопровод с соплами внутри нее, газовые горелки нагревают керамическую трубу, а ее диффузное инфракрасное излучение активно поглощается парами воды, которые вместе с отработанными нагретыми газами перемещаются вверх и быстрее нагревают воздух в аэродинамической трубе, что создает требуемый для возникновения тяги градиент температуры с внешней средой, в дальнейшем поток усиливается за счет перепада атмосферного давления на концах аэродинамической трубы. Использование изобретения позволяет повысить эффективность работы нагревательного элемента, которая, в свою очередь, приведет к повышению эффективности ветровой электростанции. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветровая электростанция включает множество ветроэнергетических установок, расположенных в туннелях и содержащих ветровые колеса с электрогенератором, аэродинамическую трубу с башней и нагревательный элемент, отличающаяся тем, что нагревательное устройство, расположенное в середине башни, состоит из перфорированной тонкостенной керамической трубы и водопровода с соплами внутри нее, газовых горелок, нагревающих керамическую трубу с внешней стороны, которая при нагревании излучает диффузное инфракрасное излучение, поглощаемое парами воды.

2. Ветровая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что в туннеле установлена диафрагма, которая состоит из нескольких металлических лепестков серповидной формы, которые, сближаясь с помощью специальных сервомоторов, устанавливают плавное изменение диаметра воздушного потока.