ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКИ И СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2015 года по МПК F03B17/06 F03B13/10 

Область техники

Настоящее изобретение относится к возобновляемым источникам энергии, а именно к использованию перемещения воздушных масс (ветра) для выработки энергии, в частности электрической, а также к малым гидроэлектростанциям.

Уровень техники

Из истории ветроэнергетики известно, что первый в мире ветрогенератор был построен изобретателем из США Чарльзом Френсисом Бушем в 1888 году. Это было сооружение высотой 18 метров, генератор мог обеспечить 12 кВт электрической мощности.

В условиях отсутствия или недостаточности электрических сетей ветроэнергетика развивалась высокими темпами, к 30-м годам 20-го века ветроэнергетические установки приобрели современные очертания - расположение на высокой башне, компоновка турбины и генератора в едином корпусе с тормозами и трансмиссией, а также системой слежения за направлением ветра. Также непременным атрибутом стало использование аккумуляторов, расположенных внизу, обычно лопасти ветрогенератора имеют размах от 20 до 40 метров и вращаются со скоростью 10-20 оборотов в минуту.

Основной проблемой является обширная зона турбулентных завихрений, распространяющаяся за генератором. Это не позволяет располагать их близко друг к другу.

Другой проблемой является то, что такие сооружения являются источником радиопомех, а также причиной гибели птиц и насекомых.

В связи с этим последнее время одним из направлений поиска новых решений в ветроэнергетике, которая имеет уже ощутимую долю в общем количестве вырабатываемой электроэнергии, стало создание так называемых безлопастных ветрогенераторов.

Одним из примеров таких решений является система Power Windows, разработанная в университете Уоллонгонга, хотя к безлопастным ветрогенераторам ее можно отнести с определенной оговоркой, поскольку речь в ней идет не о полном отказе от лопастей, а о замене большой лопасти на множество небольших, что позволяет резко сократить нагрузки на несущие конструкции и устанавливать их непосредственно на крышах и стенах зданий.

Еще одним преимуществом является модульное исполнение и возможность добавления и подключения необходимого числа модулей в случае увеличения потребности в электроэнергии.

Примером явнобезлопастных ветрогенераторов является разработка компании Sheer Wind, которая практически не имеет ничего общего с традиционными. Эта установка представляет собой изогнутую трубу сужающегося сечения, которая захватывает воздушный поток и направляет его на лопасть электрогенератора. Конструкция является достаточно громоздкой и трудно ориентируемой "по ветру".

Еще одним примером безлопастного ветрогенератора является разработка американской компании Solar Aero Research (называемая "Fuller Wind Turbine" по имени президента компании Фуллера).

В основе этого устройства лежит несколько дополненная турбина Теслы, изобретенная в 1913 году, которая была создана для выработки энергии из пара или сжатого воздуха, а Фуллер приспособил давнюю идею к "укрощению" энергии ветра.

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.

В турбине Фуллера диски разделены прокладками в форме крыла, что улучшает прохождение воздушного потока, а кроме того, создает дополнительный крутящий момент на валу. Сама же турбина установлена в коробе, захватывающем воздух.

Малые и микро гидроэлектростанции мощностью от нескольких киловатт и выше также находят все то более широкое применение в локальном энергоснабжении отдельных потребителей и небольших населенных пунктов.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание ветроэнергетической установки, которая обладала бы следующими преимуществами перед известными.

Во-первых, исключала бы такие их недостатки как громоздкость конструкции и отрицательное влияние на окружающую вреду, включая не только отмеченную выше опасность для птиц и насекомых, но и сильный шум при работе.

Во-вторых, имела бы возможность выполнения ее мобильной, при этом не только с целью перемещения на другое место работы, но и с целью создания или усиления ветровой нагрузки за счет встречного или углового по отношению к направлению ветра движения установки.

Другие преимущества изобретения будут понятны специалистам из последующего раскрытия изобретения.

Изобретение основано на новом принципе - построения ветроэнергетической установки на базе аэродинамической поверхности в виде крыла. Под "крылом" здесь понимается аэродинамическая поверхность, обычно предназначенная для создания подъемной силы у летательных аппаратов за счет разницы площадей одной части поверхности относительно другой (верхней и нижней относительно земли) и как следствие за счет разницы в скоростях и давлениях потоков воздуха, обтекающих указанные части крыла. Согласно изобретению предлагается соединить указанные части поверхности крыла воздушным каналом. За счет разности давлений часть воздушного потока, огибающего часть поверхности крыла меньшей площади, будет засасываться в этот канал и использоваться для вращения турбины, приводящей электрический генератор. Подъемная сила, действующая на крыло, позволяет удерживать его в воздухе без необходимости сооружения специальных конструкций. Однако, это не исключает возможность и закрепления крыла на специальном сооружении, например башне, опоре.

В качестве одного из вариантов средств "удержания" ветроэнергетической установки над землей может использоваться гибкая связь, в частности, трос, крепящийся одним концом к крылу, другим - к средству удержания, закрепленному на земле. Указанный трос может быть использован для крепления к нему кабеля для канализации электрической энергии на землю.

В одном из возможных вариантов осуществления изобретения крыло и установка в целом могут быть выполнены мобильными, в частности, установленными на транспортном средстве, перемещающимся по земле или по воде, при этом крыло может быть или связано с таким средством гибкой связью.

В качестве одного из вариантов мобильного средства, "буксирующего" энергоустановку, может быть летательный аппарат.

Еще одним из вариантов осуществления изобретения является использование крыла летательного аппарата, например, планера в качестве аэродинамической поверхности, обеспечивающей не только его полет, но и выработку электроэнергии за счет выполнения в крыле летательного аппарата канала, соединяющего верхнюю и нижнюю поверхность крыла, имеющего флюидную связь с турбиной электрогенератора. Потребители электроэнергии в этом случае могут быть расположены непосредственно на летательном аппарате, включая возможность накапливания электроэнергии в традиционных аккумуляторах.

Крыло согласно изобретению,может располагаться не только горизонтально или по существу горизонтально, но и вертикально или по существу вертикально. Это целесообразно в случае наличия восходящих потоков воздуха, например, в вертикальных трубопроводах. Оно может располагаться также в туннелях и крепиться при этом на его стенках или потолке.

Принцип, лежащий в основе данного изобретения, реализуем и в случае размещения крыла в водном потоке, то есть в варианте осуществления изобретения как гидроэнергетической установки.

Краткое описание графических материалов

Сущность изобретения будет более понятна специалистам из последующего описания и сопровождающих его чертежей, на которых изображены:

На фиг.1 - вид на аэродинамическую поверхность (крыло) сбоку;

фиг.2 - то же с изображенными турбиной и генераторами;

фиг.3 - то же в варианте выполнения крыла с несколькими воздуховодными каналами и турбинами;

фиг.4 - вид на крыло со стороны части его поверхности большей площади;

фиг.5 - вид на крыло со стороны части его поверхности меньшей площади;

фиг.6 - вариант расположения установки на опоре;

фиг.7 - то же в варианте установки с двумя аэродинамическими поверхностями;

фиг.8 - то же в варианте вертикального расположения нескольких аэродинамических поверхностей;

фиг.9 - вариант выполнения установки мобильной, буксируемой автомобилем;

фиг.10 - вариант закрепления аэродинамических поверхностей в туннеле;

фиг.11 - вариант выполнения крыла с регулируемым закрылком;

фиг.12 - то же самое в ином положении закрылка;

фиг.13 - изображен один из вариантов размещения крыла гидроэнергетической установки в плавучем состоянии;

фиг.14 - то же при жестоком закреплении нескольких крыльев под водой на опорах.

Подробное описание изобретения

Согласно изобретению ветроэнергетическая установка включает в себя: аэродинамическую поверхность в форме крыла (1) в теле которого выполнен, по меньшей мере, один канал (2), соединяющий часть поверхности крыла (3) меньшей площади с часть поверхности крыла (4) большей площади, турбину (5), приводимую во вращение воздушным потоком, создаваемым в указанном канале (2), электрический генератор (6), приводимый во вращение турбиной (5), средства канализации электрической энергии от генератора к потребителям (не показаны) и средства удержания аэродинамической поверхности (крыла 1) на определенной высоте над землей, в частности, в виде опоры (7).

Принцип действия установки следующий. Крыло (1) ориентируется фронтально относительно направления движения воздушных масс ветра. Как отмечено выше, такие средства являются традиционными для ветрогенераторов и поэтому здесь не описываются. За счет разницы площадей частей (3) и (4) крыла давление воздуха на часть (3) меньшей площади больше, чем давление на часть (4) большей площади, в результате чего происходит забор воздуха в канал (2), соединяющий указанные части крыла.

Образующийся в канале поток воздуха приводит во вращение расположенную на его пути турбину (5) и, соответственно, через турбину электрогенератор (6).

Крыло (1) может быть расположено не только на открытой местности, но и "в замкнутом пространстве", в частности в трубопроводах, например в вентиляционных шахтах, в которых происходит перемещение воздуха или в тоннелях (10). Соответственно и положение крыла (1) может быть различным. На открытой местности, где ветры дуют по существу параллельно поверхности земли, крыло будет располагаться по существу горизонтально, при этом его часть (3) меньшей площади будет обращена к земле, а часть (4) большей площади - от земли.

При установке же в трубопроводе ориентация крыла будет определяться ориентацией трубопровода, если трубопровод и, соответственно, поток воздуха в нем расположен вертикально, то и крыло (его продольная ось) будет ориентировано по существу вертикально.

Разновидностью такого расположения установки является ее размещение в туннелях (фиг.10).

Вертикальное или по существу вертикальное положение крыла (фиг.8) нельзя исключать и при использовании установки на открытой местности, например на горной местности, характеризующейся восходящими потоками воздуха.

Кроме стационарного исполнения установка согласно изобретению может быть выполнена мобильной. В частности, такое исполнение может быть целесообразным при малой силе ветра, когда к его скорости добавляется скорость перемещения транспортного средства.

Естественно, что необходимо учитывать затраты энергии на перемещение самого транспортного средства, а также то обстоятельство, что и канализация выработанной электрической энергии может осуществляться лишь на само это средство (на расположенные на нем потребители и традиционные средства накопления энергии - аккумуляторы). Такой вариант осуществления изобретения схематично показан на фиг.9, где поз.8 обозначено транспортное средство, а поз.9 - гибкий элемент (трос), соединяющий транспортное средство и крыло (1). Целесообразно трос использовать и для крепления электрического кабеля (не показан).

Транспортное средство может быть наземным или плавающим и, наконец, представлять собой летательный аппарат, например планер или дельтаплан, буксирующий крыло (1). Крайним случаем такого исполнения является совмещение аэродинамической поверхности ветроэнергетической установки и крыла летательного аппарата, то есть выполнение непосредственно в крыле летательного аппарата канала (2) и размещение в нем турбины (5), приводящей электрический генератор. Естественно, что потребителями энергии в этом случае выступают средства обеспечения полета летательного аппарата и опять же аккумуляторы.

Описанная установка может мультиплицироваться, во-первых, за счет выполнения в крыле нескольких воздуховодных каналов (см. фиг.3), во-вторых, за счет использования нескольких аэродинамических поверхностей (см. фиг.7 и 8).

Показанный на фиг.11 и 12 вариант выполнения установки с поворотным регулируемым закрылком (11) позволяет путем поворота закрылка изменять соотношение площадей частей (3) и (4) крыла и, как следствие, регулировать подъемную силу крыла и скорость перемещения воздушного потока в канале (2), а значит и мощность, выдаваемую электрогенератором 6. Этому способствует и лобовое сопротивление воздушному потоку, оказываемое закрылком при его повороте в положение, показанное на фиг.12.

Одним из вариантов осуществления изобретения является вариант размещения описанного выше крыла под водой, в водном потоке (в реке, ручье, канале) с использованием той же конструкции крыла (см. фиг.13 и 14). Разница площадей частей крыла, расположенных противоположно относительно части его оси, создает разность давлений воды на этой поверхности, обеспечивающую "продавливание" воды с одой части поверхности ("высокого" давления) на другую часть поверхности через канал (2), направляющий воду на лопасти турбины (5).

Крыло (или крылья) могут быть закреплены на опоре (фиг.14) или удерживаться в плавающем состоянии гибким элементов, закрепленным на дне водоема. Крыло может быть также прикреплено к движущемуся судну и в этом случае удерживать его в погруженном в воду положении можно с помощью размещенного на нем балласта.

Промышленная применимость

Продувка модели предлагаемой установки (используемого в ней крыла) в аэродинамической трубе показала, что физический принцип, на котором она основана, практически реализуем и данное изобретение является промышленно применимым.

Кроме отмеченных выше преимуществ установки и реализуемого его способа производства электрической энергии можно указать следующие.

Возможность использования высокооборотной турбины исключает необходимость в традиционных редукторах в передаче вращения от турбины к генератору.

"Летающий" вариант выполнения установки позволяет размещать крыло на высотах с большими скоростями ветра, что позволяет повысить ее эффективность.

Простота конструкции установки положительно скажется на технологии и стоимости ее изготовления.

Вариант выполнения на том же принципе гидроэнергетической установки позволяет обеспечивать электроэнергией потребителей в тех местах, где использование водных ресурсов экономически предпочтительнее использования ветра.

Изобретение относится к гидроэнергетическим установкам и способам производства электроэнергии. Основным элементом гидроэнергетической установки является аэродинамическая поверхность в форме крыла, в теле которого выполнен канал, соединяющий противоположные поверхности крыла. Засасываемая в этот канал вода приводит во вращение турбину и связанный с ней электрогенератор. Установка может быть стационарной или мобильной. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Гидроэнергетическая установка, содержащая:
по меньшей мере, одну заглубляемую в воду поверхность в форме крыла, имеющего две расположенные противоположно относительно продольной оси части разной площади, и
выполненный в теле крыла канал, соединяющий указанные части крыла, и установленную внутри крыла турбину, приводимую во вращение потоком воды в указанном канале;
- электрический генератор, приводимый во вращение указанной турбиной;
- средства канализации электрической энергии к потребителям;
- средства удержания крыла в погруженном в воду состоянии.

2. Установка по п. 1, которая имеет несколько указанных крыльев, расположенных последовательно или параллельно по отношению к потоку воды.

3. Установка по п. 1 или 2, у которой средства удержания крыла в погруженном состоянии выполнены в виде гибкого элемента, закрепленного на дне водоема.

4. Установка по п. 1 или 2, у которой средства удержания крыла в погруженном состоянии выполнены в виде размещаемого на крыле балластного груза.

5. Установка по п. 1 или 2, буксируемая судном.

6. Установка по п. 1, у которой крыло снабжено поворотным регулируемым закрылком.

7. Способ производства электрической энергии, включающий в себя:
использование поверхности в форме крыла, имеющего две расположенных противоположно относительно продольной оси части разной площади, и выполненный в теле крыла канал, соединяющий указанные части крыла, и установленную внутри крыла турбину;
погружение указанной поверхности в воду, относительное перемещение указанной поверхности и окружающей ее воды, при котором поток воды, проходящий через канал в теле крыла, приводит во вращение турбину и генератор.

8. Способ по п. 7, при котором указанное крыло погружают в проточную воду реки, ручья, канала.

9. Способ по п. 7, при котором указанное крыло буксируют с помощью судна в погруженном в воду состоянии.