Ветроэлектростанция Российский патент 2017 года по МПК F03D1/04 F03D9/45 

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в установках для преобразования энергии ветра в электрическую энергию и, в частности, относится к ветроэлектростанциям.

Классические ветроэлектростанции с горизонтальной осью вращения рассчитаны на средние скорости ветра около 10-15 м/с. Однако во многих регионах среднегодовые скорости ветра невысокие. Для обеспечения наиболее оптимальных условий работы классические ветроэлектростанции устанавливаются на высоких мачтах и имеют большие габариты.

Для увеличения производительности ветроэлектростанции в условиях малых скоростей известно множество технических решений, основанных на применении аэродинамических труб типа сопла Лаваля.

Известно изобретение «электроэнергетическая установка» (Патент RU 2168061 С2, МПК F03D 9/00). Электроэнергетическая установка содержит блок преобразования механической энергии в электрическую с присоединенным к нему электрогенератором и блок преобразования лучистой энергии солнца в механическую через тепловую. Второй из блоков выполнен в виде вертикально установленной трубы переменного сечения с расширением в верхнем и нижнем сечениях и сужением в средней части трубы. Труба выполнена из двух разных материалов, состыкованных по продольному сечению трубы, один из них прозрачный, а другой с внутренней поверхностью с наибольшей степенью поглощения лучистой энергии. Блок преобразования механической энергии в электрическую выполнен в виде рамы с лопастями ветродвигателя и размещен в наиболее суженной части трубы с ориентацией лопастей перпендикулярно оси трубы. Установка в целом установлена в месте с наиболее благоприятными условиями для освещения трубы солнцем и сориентирована прозрачной частью по направлению к лучам солнца.

Однако известное изобретение имеет недостаток, заключающийся в том, что вход воздушного потока осуществляется в нижней части вертикальной трубы, вблизи земной поверхности, где скорости ветра очень малы, что снижает проточность и, соответственно, производительность ветроэлектростанции.

Для увеличения проточности и, соответственно, повышения производительности ветроэлектростанции необходимо реализовать разряжение в верхней части трубы. Для этого данное устройство должно обладать достаточно большой высотой, сопоставимой с мачтой классической ветроэлектростанции. Это обстоятельство приводит к повышенным экономическим затратам на строительство. К тому же высокий трубопровод приводит к затратам энергии ветра на преодоление путевого сопротивления, что снижает эффективность данного устройства.

Несколько сократить габариты при сохранении производительности позволяет применение дополнительных разгонных устройств в выходной части, как это сделано в устройстве «ветроэнергетическая установка» (Патент RU 96401 U1, МПК F03D 3/04), которая содержит вертикальную трубу, активная рабочая зона которой выполнена в виде нижней конфузорной, верхней диффузорной и средней малой цилиндрической частей, осевое ветроколесо, соединенное с электрогенератором и размещенное в средней малой цилиндрической части. Нижняя конфузорная часть установлена на основании с образованием входных воздушных проемов. Установка снабжена дефлектором, расположенным над устьем вертикальной трубы и выполненным в виде фланца с патрубком, соединенным непосредственно с устьем вертикальной трубы, и зонта в виде диска, соединенного с фланцем с образованием между ними прямолинейного горизонтального воздушного канала. Периферийные участки фланца и дискообразного зонта выполнены в виде изгибов для совместного образования кругообразного конфузорного входа в прямолинейный горизонтальный воздушный канал и такого же по размеру и профилю кругообразного диффузорного выхода.

Недостатком данного изобретения является сложность конструкции.

Известно устройство «вихревая ветроустановка» (Патент RU 2073111 С1, МПК F03D 3/00), в котором для создания дополнительного разряжения используется эффект закручивания потока, искусственная генерация вихревого потока. «Вихревая ветроустановка» содержит вытяжную башню с кольцевым воздухозаборником у основания, направляющий аппарат, ветроколесо, установленное на выходе направляющего аппарата, и вытяжное устройство. Направляющий аппарат снабжен двумя или более коаксиально расположенными в башне обечайками в виде усеченных гиперболоидов, сужающихся к выходу, с вертикальными закрученными по спирали перегородками, размещенными в зазорах между обечайками. Ветроколесо выполнено с жесткими профилированными лопастями в виде тела вращения. Вытяжное устройство выполнено в виде сегмента, а нижнее основание башни в виде усеченного гиперболоида с эжекционным отверстием сверху, посредством которого полость направляющего аппарата сообщена с окружающей средой.

Недостатком данного изобретения является то, что закрутка потока осуществляется за счет сложной системы направляющих, движение вдоль которых требует затраты большой части энергии ветра, что ведет к снижению эффективности устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и взятому в качестве прототипа является изобретение «Способ и устройство для производства энергии с использованием архитектурных сооружений» (Патент RU 2459975 С2, МПК F03D 3/04). Устройство для производства энергии с использованием архитектурных сооружений, содержащее служащую стеной архитектурного сооружения боковую плоскость, отражающую поток ветра, установленное на крыше сооружения сопло, состоящее из конфузора и диффузора с одинаковыми углами сужения и расширения, с турбиной, установленной в узкой части сопла, а также верхнее перекрытие крыши и вертикальные опоры, служащие конструкцией для сооружения верхнего перекрытия и образующие по отношению к турбине стационарные конфузоры или диффузоры с одинаковыми углами раскрытия и служащие для поступления и выхода ветрового потока соответственно, при этом турбина и сопло установлены на вращающейся платформе, конфузор и диффузор сопла выполнены криволинейными с возможностью принимать поток от нескольких стационарных конфузоров.

Недостатком данного устройства является не полное использование аэродинамических особенностей обтекания архитектурного сооружения, что снижает эффективность устройства.

Далее, в этом же «Способе и устройстве для производства энергии с использованием архитектурных сооружений» представлено несколько вариантов реализации устройства. Вариант с расположением входной части конфузора перпендикулярно боковой стене здания является наихудшим с точки зрения аэродинамики. В таком варианте исполнения вход в конфузор будет расположен не в области ускоренного потока, а в области заторможенного, завихренного потока. Энергетическая эффективность использования такого потока мала.

Более удачным вариантом реализации устройства является установка входной части конфузора вдоль стены. В этом случае поток воздуха, обладающий достаточной скоростью на данной высоте, будет свободно заходить в каналы устройства. Однако ускорения потока в 2 раза, как это отмечается в описании к патенту, происходить не будет, так как устройство влияет на обтекание здания. Возможно некоторое ускорение потока за счет перетекания с прилегающей к конфузору поверхности боковой стены. Но существенное влияние на формирование потока в конфузоре будет оказывать только малая, близкорасположенная часть боковой стены, а не вся поверхность целиком. Поэтому использовать всю площадь боковой стены при расчете эффективности некорректно.

Также в описанном прототипе конфузор состоит из двух частей: неподвижной части, образованной перекрытиями крыши, и подвижной части, непосредственно прилегающей к ветровому колесу. Известно, что оптимальный угол сужения для диффузора и конфузора составляет α=14°. В соответствии с этим указанием в устройстве реализованы каналы неподвижной части конфузора. Однако следует отметить, что при переходе от неподвижного конфузора к подвижному происходит смешивание потоков из различных каналов. В виду того, что каналы имеют разную конфигурацию и находятся в различных условиях обтекания, результирующая скорость потока на выходе из каналов будет разной. Таким образом, профиль скорости на входе в подвижный конфузор будет неравномерным, особенно, учитывая наличие многочисленных пограничных слоев. Неравномерность потока приводит к повышенной турбулентности и к затратам энергии потока на выравнивание профиля скорости, что также снижает эффективность использования энергии ветра.

Следует отметить, что суммарная степень сужения потока (от входных частей неподвижного конфузора до ветроколеса) в представленном устройстве будет определяться габаритами здания и может принимать очень высокие значения.

К недостаткам прототипа можно отнести наличие управляющих элементов, которые приводят в движение поворотную площадку с ротором при смене направления ветра. Механизмы поворота усложняют конструкцию, потребляют энергию (тем самым снижая эффективность ветроэлектростанции), повышают эксплуатационные расходы на поддержание работоспособности.

Решаемой задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности ветроэлектростанции за счет упрощения конструкции, позволяющей снизить потери энергии потока на обтекание путем использования в полной мере аэродинамических эффектов обтекания архитектурного сооружения с одновременным снижением стоимости оборудования.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении эффективности ветроэлектростанции за счет упрощения конструкции, позволяющей снизить потери энергии потока на обтекание здания путем использования в полной мере аэродинамических эффектов его обтекания с одновременным снижением стоимости оборудования.

Технический результат достигается тем, что ветроэлектростанция, содержащая воздуховод, состоящий из комплектов, каждый из которых включает сопло в виде конфузора с входной частью, рабочей части, диффузора, в выходной части снабженного направляющими лопатками, ветроколесо, установленное с помощью подшипников и опор в рабочей части, электрогенератор, соединенный посредством передаточного механизма с ветроколесом, отличающаяся тем, что воздуховод установлен внутри технического этажа высотного здания, входная часть каждого конфузора расположена в стене здания, а выходная часть диффузоров расположена на крыше здания.

Технический результат достигается тем, что на входной части конфузора и выходной части диффузоров расположена защитная сетка.

Новизной изобретения является то, что конфигурация и конструктивное расположение элементов ветроэлектростанции позволяет в полной мере использовать аэродинамические эффекты обтекания высотного здания.

Для пояснения технической сущности устройства рассмотрим чертежи, где:

на фиг. 1 изображен общий вид ветроэлектростанции внутри высотного дома;

на фиг. 2 изображен внешний вид воздуховода;

на фиг. 3 изображены элементы внутренней конструкции воздуховода:

1 - здание

2 - воздуховод

3 - конфузор

4 - рабочая часть

5 - диффузор

6 - выходная часть диффузора с направляющими лопатками

7 - направляющие лопатки

8 - ветроколесо

9 - опоры и подшипники

10 - электрогенератор для отбора мощности

11 - передаточный механизм

12 - защитные сетки

13 - входная часть конфузора

14 - выходная часть диффузоров

15 - крыша выходной части диффузоров.

Ветроэлектростанция работает следующим образом:

Подвод воздуха к ветроколесу (8) осуществляется с помощью воздуховода (2). Входные части конфузоров (13) расположены на боковых стенах высотного здания (1). Экспериментальные и расчетные исследования показали, что при обтекании высотного здания на верхней части боковых стен наблюдается повышенное давление. Данное обстоятельство свидетельствует о возможности свободного доступа массы воздуха с достаточно высокой начальной скоростью. Известно, что КПД ветроэлектростанции зависит от скорости потока. Учитывая тот факт, что во многих районах скорость ветра относительно мала, после входной части выполнено сужение к рабочей части (4) для увеличения скорости потока. Угол сужения конфузора (3) находится в диапазоне от 10° до 15°. Данные углы сужения обеспечивают наиболее эффективное ускорение потока с минимальными потерями полной энергии потока (И.Е. Идельчик, Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.: ил.). В рабочей части (4) расположено ветровое колесо (8). Ветроколесо (8) крепится с помощью системы подшипников и опор (9). Ветроколесо (8) через передаточный механизм (11) связано с электрогенератором для отбора мощности (10). Ускоренный поток воздуха в рабочей части воздуховода приводит в движение ветроколесо. Механическая энергия передается на устройство отбора мощности, которое преобразует механическую энергию в электрическую. После совершения полезной работы поток воздуха проходит через диффузор (5). Угол расширения диффузора также находится около 15°. Такая конфигурация диффузора обеспечивает безотрывное обтекание, что позволяет с минимальными потерями энергии потока снизить его скорость. Некоторое снижение скорости потока, преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию, необходимо для уменьшения потерь на местное сопротивление в остальной части воздуховода. Для уменьшения местных сопротивлений часть диффузора (6) снабжена направляющими лопатками (7). Высокая производительность ветроэлектростанции поддерживается перепадом давления между областью входной части конфузора 3 и областью выходной части диффузоров (14). Результаты численного и физического моделирования обтекания здания показали, что на крыше здания наблюдается область пониженного давления, вызванного местным ускорением потока до 1.8 раз (С.А. Исаев, Н.И. Ватин, П.А. Баранов, А.Г. Судаков, А.Е. Усачов, В.В. Егоров. Разработка и верификация многоблочных вычислительных технологий для решения нестационарных задач строительной аэродинамики высотных зданий в рамках подхода URANS // Инженерно-строительный журнал, №1, 2013, сс 103-109; I. Abohela, N. Hamza, S. Dudek, Validation CFD Simulation Results: Wind flow around a surface mounted cube in a turbulent channel flow // PLEA2012 - 28th Conference, Opportunities, Limits & Needs Towards an environmentally responsible architecture Lima, Peru 7-9 November 2012).

Представленная конструкция позволяет в полной мере использовать аэродинамические эффекты обтекания высотного здания.

На фиг. 2 показан внешний вид устройства, состоящего из четырех рабочих комплектов: конфузора 3 с входной частью, рабочей части, диффузора 5 с выходной частью, снабженной направляющими лопатками 7, ветроколесо 8, система крепления (система подшипников и опор 9), передаточный механизм 11 и электрогенератор 10 для отбора мощности. Входные части конфузоров расположены на четырех сторонах здания. Анализ распределения давления на здании позволяет предположить, что в работу будут включены одновременно все комплекты, а не только комплект, расположенный с подветренной стороны. Следовательно, генерация энергии в данном устройстве будет осуществляться в независимости от направления ветра.

По своим технико-экономическим преимуществам по сравнению с известными аналогами заявляемая конструкция позволяет обходиться без поворотных механизмов, как это сделано в прототипе. Упрощение конструкции, отсутствие поворотных механизмов, требующих дополнительные затраты энергии, позволяет повысить эффективность устройства и снизить затраты на создание механических устройств и электронной системы их управления.

А также удобное расположение устройства в области технического этажа высотного здания позволяет выполнить шумоизоляцию рабочих частей. Конструктивное выполнение рабочих элементов устройства позволяет свободно проводить обслуживание, что может существенно повысить их ресурс.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности относится к ветроэлектростанциям. Ветроэлектростанция содержит воздуховод, состоящий из комплектов, каждый из которых включает сопло в виде конфузора с входной частью, рабочей части, диффузора, в выходной части снабженного направляющими лопатками, ветроколесо, установленное с помощью подшипников и опор в рабочей части, электрогенератор, соединенный посредством передаточного механизма с ветроколесом. Воздуховод установлен внутри технического этажа высотного здания, входная часть каждого конфузора расположена в стене здания, а выходная часть диффузоров расположена на крыше здания. На входной части конфузора и выходной части диффузоров расположена защитная сетка. Изобретение направлено на снижение потерь энергии потока на обтекание путем использования в полной мере аэродинамических эффектов обтекания здания с одновременным снижением стоимости оборудования. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветроэлектростанция, содержащая воздуховод, состоящий из комплектов, каждый из которых включает сопло в виде конфузора с входной частью, рабочей части, диффузора, в выходной части снабженного направляющими лопатками, ветроколесо, установленное с помощью подшипников и опор в рабочей части, электрогенератор, соединенный посредством передаточного механизма с ветроколесом, отличающаяся тем, что воздуховод установлен внутри технического этажа высотного здания, входная часть каждого конфузора расположена в стене здания, а выходная часть диффузоров расположена на крыше здания.

2. Ветроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что на входной части конфузора и выходной части диффузоров расположена защитная сетка.