ВЕТРОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2015 года по МПК F03D3/00 F03D7/00 F03D9/00 

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 не возобновляемые 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 приблизилась 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 генератором, 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 ветряков являются простои из-за отсутствия постоянно действующего ветрового потока. Нет ветра, нет электроэнергии. Извольте тратить накопленное. Существует множество ветряков различных конструкций: с ветровыми колесами и ветровыми турбинами [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. 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 верхний границы тропосферы 10-18 км [27, ru 504 690].

Увеличение 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 разряжение воздуха, что создает дополнительную тягу.

Для нагревания воздуха внутри трубы предлагается использовать газовые горелки, установленные на внутренней поверхности башни в устье аэродинамической трубе [28, ru 2 504 685].

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, нагревательный элемент 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.

При удачной конструкции барабана и наличии ветра создаваемая им тяга в аэродинамической трубе будет достаточна для работы электростанции и включения горелок потребуется значительно меньше, а совместная их работа повысит эффективность ветровых установок.

В качестве ветроэнергетических установок могут быть приемлемы 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 аэродинамической трубы возникает сильный воздушный поток за счет подогрева воздуха газовыми горелками, перепада давления на ее концах и ускорения потока при вращении барабана. Ожидаются значительные нагрузки на стенки аэродинамической трубы.

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 превышающую прочность стали.

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. Нижняя часть башни выполнена в виде диффузора, уплотняющего воздушный поток.

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

Дальнейшее повышение эффективности работы ветровой электростанции может проходить по пути совершенствования конструкции ветряка, в 2013 году на Украине пущен в эксплуатацию ветряк мощностью 2.5 МВт (немецкой фирмы), размах крыльев 50 м, вес 470 т, стоимость установки 1 миллиард гривен. Самым мощным ветряком на рынке в настоящее время является 7,5 - мегаваттный Е-126, производимый немецкой Enercom. Диаметр ветрового колеса достигает 190 м. В Датском национальном центре разрабатывается ветряк мощностью 8МВт. Серийное производство таких ветряков может быть налажено в 2015 году. Это высокопроизводительные станции, однако их ветровые колеса огромны и в туннели их не установишь. Более привлекательными для подземных условий эксплуатации являются ветровые турбины.

Установки с вертикальной осью вращения в большом количестве и разнообразии вариантов разрабатываются во многих странах. Основными недостатками у них являются низкий коэффициент использования энергии ветра в областях низких и высоких значений его скорости, низкий пусковой момент и необходимость в ряде моделей предварительного раскручивания перед стартом. Тяжелые лопасти, подверженные центробежным силам, представляют большую опасность для окружающих в случаях поломки от раскручивания при выходе из строя нагрузочной автоматики и тормозных устройств, разбалансировки при гололедных явлениях и резких перепадах температур. Они имеют низкую динамику при наборе нагрузки, пропускают порывы и пульсации ветра. При высоких скоростях ветра такие ветроагрегаты, как и пропеллерные, выводятся из работы. Имеются здесь и принципиальные конструктивные ограничения при создании агрегатов большой мощности.

Среди многих типов ветроагрегатов с вертикальной осью вращения ротора перспективным определен ветроэнергетический агрегат по патенту Республики Казахстан №20579 от 01.08.2007 года. Промышленное название разработки - «Ветровая роторная турбина ВРТБ».

Существует ветровая турбина (RU2279567) с вертикальной осью вращения, предназначенная для любых направлений ветра и скоростей. Используется минимальное количество движущихся частей. Интересна разработка компании Sheer Wind (http://www.facepla.net/enerqy-nevs-mnu/)/. При помощи портала, расположенного над землей, новая систем захватывает ветер любой скорости, даже бриз. После захвата ветер направляется через канал, где его скорость увеличивается. В результате кинетическая энергия ветра вращает смонтированные на земле турбину с электрогенератором. На идейном уровне этот канал напоминает наш подземный туннель [28].

Целью предлагаемого изобретения является дальнейшее повышение эффективности ветровой электростанции за счет применения более производительных и менее габаритных ветровых турбин.

Предлагается ветровая электростанция, включающая полимерную аэродинамическую трубу, армированную полимерными обручами и подвешенную на тросах к воздушному шару, систему подземных туннелей, соединенных с аэродинамической трубой через диафрагму, в которых находятся источники ветровой электрической энергии, ОТЛИЧАЮЩАЯСЯ тем, что в качестве источника электроэнергии используется ротор ветровой турбины, соединенный через редуктор с электрогенератором, который в свою очередь с другой стороны подключен через редуктор с ракетно-турбинным двигателем, реактивная газовая струя которого используется для первичной продувки воздуха в аэродинамической трубе.

Конечно, ракетно-турбинный двигатель применяется списанный из авиации после выработки всех ресурсов. Он применяется и как нагреватель воздуха, и как мощный компрессор для первичной прокачки воздуха через аэродинамическую трубу, что сократит время выхода электростанции на рабочий режим.

Его действие импульсное и больших затрат на топливо не потребуется.

Из множества турбин, можно применить ротор ветровой турбины с множеством ветровых колес (tiu-ru/p4693830-vetrovaya-turbina.html).

Стартером для его запуска используется электрогенератор в режиме двигателя.

Для выработки переменного тока промышленной частоты применяется синхронный электрогенератор, принцип действия которого основан на явлении электромагнитной индукции. Производимая ветровой турбиной механическая энергия преобразовывается в электрическую энергию переменного тока. Одним из средств оптимизации является установка в туннели ДИАФРАГМЫ, которая за счет изменения диаметра туннеля автоматически поддерживает движение воздушного потока в определенном диапазоне скоростей, например 5-10 м/с. Если поток ослабляется ниже 5 м/с, то включается турборакетный двигатель, если скорость превышает 10 м/с, то диафрагма уменьшает диаметр туннеля.

Так как поток сравнительно постоянен по скорости и во времени, то нет нужды в дорогостоящих аккумулирующих устройствах.

Подземное расположение ветряков и близость к городу позволяют подключить электростанцию к городской сети и отказаться от ЛЭП.

На силу воздушного потока можно воздействовать и путем изменения длины аэродинамической трубы, подтягивая воздушный шар к земле натяжными устройствами.

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.

Таким образом, предложенная ветровая электростанция, включающая множество ветроэнергетических установок, содержащих ветровые турбины с электрогенератором, аэродинамическую трубу с башней, 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.

На фиг. 1 представлен вид ветровой электростанции сбоку в разрезе; на фиг. 2 - вид на электростанцию сверху; на фиг. 3 - деталировка ветровой электростанции.

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 турбина - 18, электрогенератор - 16, ракетнотурбинный двигатель - 17, редуктор - 14), 10 - туннель, 11 - диафрагма, 12 - ребра жесткости, 15 - башня. Деталировка ветровой электростанции (фиг. 3):

а) - ротор ветровой турбины - 20;

б) - компрессор 21, газогенератор - 22, турбина - 23, ракетный двигатель - 24;

в) - синхронный электрогенератор: статор - 25, обмотка статора - 26, ротор - 27, корпус 28, роторные кольца 29, щетки - 30, вал 31.

Ход монтажных работ.

Выбирают место малопригодное для промышленного и сельхоз использования. Строят туннели с воздухозаборниками и диафрагмой, а также башню с диффузором.

Далее, устанавливают в туннелях ветровые турбины с электрогенераторами и газогенераторами (ракетный турбодвигатель). 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 аэродинамическую трубу продувают горячим воздухом реактивной струи ракетного турбодвигателя.

Когда естественная тяга потока будет не ниже 5 м/с, включают поочередно ветряки.

Электроэнергия от генераторов поступает по кабелю на контроллер, который управляет всей энергосистемой станции. 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 гор. электросеть.

Так как электростанция автоматическая, то все ее параметры и видионаблюдения передаются через ретранслятор на пункт сбора данных в районную гор 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 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.beIlona.ru/Energy.

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

6. http:

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;//http://www.promdex.com.

15. http;acnergy.ru.

16. http: http://www.priroda.ru.

17. http:http://www.freepatentsonline.com.

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

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

20. http:http://www.dzeen.com.

21. http:www.ecologie.com.

22. Конкин A.A. Углеродные и другие жаростойкие материалы. M.: Высшая школа, 2004.

23. http:http://highpol.com.

24. http:newchemistry.ru

25. RU 2268396,

26. RU 2070660.

27. RU 2504690

28. RU 2504685

29. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961.

30. Физическая энциклопедия. - М., 1988.

Изобретение относится к области ветровых электростанций. Ветровая электростанция включает полимерную аэродинамическую трубу, армированную полимерными обручами и подвешенную на тросах к воздушному шару, систему подземных туннелей, соединенных с аэродинамической трубой через диафрагму. В туннелях находятся источники ветровой электрической энергии. В качестве источника электроэнергии используется ротор ветровой турбины, соединенный через редуктор с электрогенератором. Электрогенератор в свою очередь с другой стороны подключен через редуктор с ракетно-турбинным двигателем, реактивная газовая струя которого используется для продувки воздуха в аэродинамической трубе. Изобретение направлено на повышение производительности ветровых электростанций. 5 ил.

Ветровая электростанция, включающая полимерную аэродинамическую трубу, армированную полимерными обручами и подвешенную на тросах к воздушному шару, систему подземных туннелей, соединенных с аэродинамической трубой через диафрагму, в которых находятся источники ветровой электрической энергии, отличающаяся тем, что в качестве источника электроэнергии используется ротор ветровой турбины, соединенный через редуктор с электрогенератором, который в свою очередь с другой стороны подключен через редуктор с ракетно-турбинным двигателем, реактивная газовая струя которого используется для продувки воздуха в аэродинамической трубе.