Вихревой концентратор воздушного потока Российский патент 2018 года по МПК F03D3/04 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам с осью вращения, перпендикулярной направлению ветра, снабженным ветронаправляющими элементами, не требующим дополнительного оборудования для ориентации на ветер, и может найти применение как для получения электроэнергии в промышленных масштабах, так и для автономного энергоснабжения.

Из существующего уровня техники известен проект ветроэнергетической установки «Wind Tower» компании ZENA System Co., Ltd. (Япония). Постоянный адрес проекта в интернете: http://www.zenasystem.co.jp/en/wind-tower01.html. Концентратор воздушного потока данной установки выполнен в виде шестигранной башни, разделенной вертикальными перегородками на шесть секторов, соединенных с центральным воздуховодом (на схеме обозначенный как «wind tunnel»). Каждый такой сектор является конфузорным концентратором воздушного потока с выходом ускоренного потока в центральный воздуховод, подводящий поток к турбине, расположенной на земле.

Основным конструктивным недостатком концентратора воздушного потока данной установки, как и многих других установок, в которых используются конфузорные сектора для концентрации воздушного потока, является переход конфузорных секторов в протяженный воздуховод большого объема, подводящий воздушный поток к турбине. Согласно схеме установки одновременно улавливать ветер могут не более двух секторов башни. Попадая из данных секторов в центральный воздуховод, воздушный поток оказывается в зоне расширения и, как в диффузоре, замедляется, а поскольку у воздушного потока, попавшего в воздуховод нет явно выраженного направления движения - после передачи своей энергии турбине он создает «подпирающее» давление в воздуховоде, сводя на нет работу концентратора - конфузорных секторов.

Второй недостаток связан с взаимодействием двух соседних потоков, попадающих в центральный воздуховод, что приводит к возникновению турбулентностей, снижающих скорость воздушного потока.

Третий существенный недостаток - протяженный воздуховод с изгибами и отверстиями в местах соединений с конфузорными секторами, который становится источником дополнительного трения и турбулентностей, что еще больше замедляет воздушный поток на участке перед турбиной.

Все эти факторы снижают эффективность концентратора воздушного потока данной установки.

Другим техническим решением, предлагающим не только концентрацию воздушного потока, но и придание ему (воздушному потоку) вращательного движения, совмещенного с поступательным движением в сторону турбины, является концентратор вихревой ветроэнергетической установки «Ялынка», патент Российской Федерации №2285149 от 10.10.2006 г.

Концентратор воздушного потока указанного изобретения состоит из центрального воздуховода, подводящего закрученный поток к турбине (на верхнем конце воздуховода), и подсоединенных к нему ярусов спиралевидных конфузоров-концентраторов воздушного потока, охватывающих центральный воздуховод. Размеры конфузоров уменьшаются с каждым ярусом к вершине концентратора.

Недостатками концентратора воздушного потока данной ветроэнергетической установки являются:

Во-первых, как и у вышеописанного концентратора ветроэнергетической установки «Wind Tower», неизбежное замедление воздушного потока при попадании из конфузоров в протяженный центральный воздуховод с потерей энергии вращения;

Во-вторых, сложность конструкции;

В-третьих, уменьшающаяся площадь входных отверстий конфузорных каналов к вершине установки, где скорость ветра выше и более постоянна. Данное решение может быть использовано при высоте установки до 10-15 м, когда можно не учитывать рост скорости ветра с высотой и не идет речь о получении электроэнергии в промышленных масштабах;

В-четвертых, сложность технического обслуживания турбины из-за затрудненного доступа.

Преимуществом концентратора вихревой ветроэнергетической установки «Ялынка» относительно предыдущего концентратора ветроэнергетической установки («Wind Tower») является придание воздушному потоку в центральном воздуховоде вращения и направленного движения к турбине, что обеспечивает снижение турбулентности и повышает эффективность передачи энергии ветра турбине.

В свою очередь, идея разместить на земле турбину и генератор в «Wind Tower» лучше по сравнению с решением, представленным у ветроэнергетической установкой «Ялынка», т.к. это облегчает доступ к силовой установке, а значит, и удешевляет техническое обслуживание и ремонтные работы.

Общим недостатком всех технических решений, использующих для концентрации воздушного потока закрытые конфузорные каналы, особенно с протяженными воздуховодами, является то, что они не учитывают замедление потока после передачи его энергии лопастям турбины и создания подпирающего давления, которое сводит на нет работу конфузора.

Заявленное изобретение направлено на решение технической задачи, связанной с сокращением протяженности тракта передачи энергии ветра от входа в концентратор до турбины с одновременным сокращением конструктивных элементов, с увеличением площади захвата воздушного потока с ростом высоты, со сведением к минимуму отрицательного эффекта замедления воздушного потока после передачи части энергии турбине.

Поставленная задача решается за счет того, что заявленный вихревой концентратор воздушного потока состоит из ветронаправляющих элементов, у которых выходная кромка корневой части одного ветронаправляющего элемента обращена к входной кромке корневой части следующего ветронаправляющего элемента, образуя окруженную ветронаправляющими элементами рабочую зону, при этом закрутка ветронаправляющих элементов от корневых частей к концевым частям разворачивает выходные кромки и наклоняет ветронаправляющие элементы к указанной рабочей зоне вихревого концентратора. При этом ветронаправляющие элементы могут быть выполнены с аэродинамическим профилем, кроме того, со стороны концевых частей ветронаправляющих элементов вихревой концентратор может быть закрыт, а со стороны корневых частей ветронаправляющих элементов вихревого концентратора может быть расположен дефлектор, а сам вихревой концентратор может быть расположен на опорах.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является то, что вихревой концентратор, состоящий из нескольких однотипных ветронаправляющих элементов, благодаря их форме и взаимному расположению обеспечивает движение захваченного воздушного потока по спирали с коротким трактом от места входа в вихревой концентратор воздушного потока до лопастей турбины без воздуховода и каких-либо закрытых конфузорных каналов.

Площадь захвата воздушного потока увеличивается от корневых частей к концевым частям, что позволяет эффективнее использовать энергию воздушных потоков с ростом высоты.

Отсутствие закрытых конфузорных каналов и воздуховодов предотвращает образование областей повышенного (подпирающего) давления в рабочей зоне после передачи части энергии воздушного потока турбине.

Изобретение поясняется рисунком, который не охватывает и, тем более, не ограничивает весь объем притязаний данного технического решения, а является лишь иллюстрирующим материалом частного случая выполнения.

На рисунке показан общий вид вихревого концентратора с пятью ветронаправляющими элементами.

Вихревой концентратор состоит из ветронаправляющих элементов 3, корневые части 5 которых расположены последовательно таким образом, что выходная кромка 2 корневой части 5 одного ветронаправляющего элемента 3 обращена к входной кромке 4 корневой части 5 следующего ветронаправляющего элемента 3, окружая рабочую зону 6. На рисунке показан частный случай, когда выходная кромка 2 корневой части 5 одного ветронаправляющего элемента 3 примыкает к входной кромке 4 корневой части 5 следующего ветронаправляющего элемента 3. Закрутка каждого ветронаправляющего элемента 3 от корневой части 5 к концевой части 1 разворачивает выходную кромку 2 и наклоняет ветронаправляющий элемент 3 к рабочей зоне 6 вихревого концентратора. Так как положение выходной кромки 2 корневой части 5 фиксировано взаимным расположением выходных 2 и входных 4 кромок корневых частей 5 ветронаправляющих элементов 3, определенным выше, разворот выходной кромки 2 получается не одинаковым, а увеличивается от корневой части 5 к концевой части 1. Поэтому наклон к рабочей зоне 6 также получается не одинаковым, а увеличивается при продвижении от входной кромки 4 к выходной кромке 2. На рисунке хорошо видно, что с ростом высоты увеличивается расстояние между крайними точками вихревого концентратора на ветронаправляющих элементах 3 с наветренной стороны, для которых соблюдается условие: вектор, направленный из данной точки по касательной к горизонтальному сечению ветронаправляющего элемента 3 внутрь концентратора, образует с вектором набегающего потока воздуха отложенного от той же точки угол меньше 90°. Это означает, что площадь захвата воздушного потока увеличивается от корневых частей к концевым частям.

Вихревой концентратор может быть изготовлен следующим образом.

Для промышленного использования вихревого концентратора ветронаправляющие элементы 3 могут быть возведены на предварительно установленных железобетонных опорах по технологии монолитного строительства тонкостенных железобетонных сооружений с помощью «скользящей» или «переставной» опалубки. Со стороны концевых частей 1 вихревой концентратор может закрываться легкой куполообразной крышей на металлическом каркасе, защищающей установку от внешних воздействий, на которой также могут быть установлены солнечные батареи.

Для автономного энергоснабжения материалом для ветронаправляющих элементов 3 может быть выбран стеклопластик сформованный методом пултрузии, либо натянутый на каркасе материал. В этом случае опорами могут служить стальные конструкции.

Работа вихревого концентратора осуществляется следующим образом.

Набегающий воздушный поток захватывается ветронаправляющими элементами 3, которые направляют его в рабочую зону 6. ветронаправляющие элементы 3 меняют направление первоначального вектора воздушного потока таким образом, что в каждой точке его можно разложить на две составляющие:

- вертикальную, направленную от концевых частей 1 к корневым частям 5 ветронаправляющих элементов 3 вихревого концентратора;

- горизонтальную, являющуюся фактически линейной скоростью вращающегося воздушного потока внутри вихревого концентратора в этой точке.

Горизонтальная составляющая используется для непосредственной передачи энергии вращения воздушного потока лопастям турбины, а вертикальная составляющая для беспрепятственной транспортировки воздушного потока через рабочую зону 6 вихревого концентратора после передачи энергии турбине.

Установка дефлектора со стороны корневых частей 5 вихревого концентратора способствует поддержанию величины вертикальной составляющей воздушного потока после передачи энергии лопастям турбины.

Придание ветронаправляющим элементам 3 аэродинамического профиля позволяет задействовать эффект Коанда, когда воздушный поток, двигаясь по внешней стороне аэродинамического профиля, как бы «прилипает» к ней и старается следовать вдоль этой поверхности даже после точки перегиба профиля, тем самым еще больше увеличивается площадь захвата воздушного потока.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Вихревой концентратор воздушного потока состоит из ветронаправляющих элементов, у которых выходная кромка корневой части одного ветронаправляющего элемента обращена к входной кромке корневой части следующего ветронаправляющего элемента, образуя окруженную ветронаправляющими элементами рабочую зону, при этом закрутка ветронаправляющих элементов от корневых частей к концевым частям разворачивает выходные кромки и наклоняет ветронаправляющие элементы к указанной рабочей зоне вихревого концентратора. Изобретение направлено на сокращение протяженности тракта передачи энергии ветра от входа в концентратор до турбины, в увеличении площади захвата воздушного потока с ростом высоты, в сведении к минимуму отрицательного эффекта замедления воздушного потока после передачи части энергии турбине. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вихревой концентратор воздушного потока, характеризующийся тем, что он состоит из ветронаправляющих элементов, у которых выходная кромка корневой части одного ветронаправляющего элемента обращена к входной кромке корневой части следующего ветронаправляющего элемента, образуя окруженную ветронаправляющими элементами рабочую зону, при этом закрутка ветронаправляющих элементов от корневых частей к концевым частям разворачивает выходные кромки и наклоняет ветронаправляющие элементы к указанной рабочей зоне вихревого концентратора.

2. Вихревой концентратор по п. 1, отличающийся тем, что ветронаправляющие элементы выполнены с аэродинамическим профилем.

3. Вихревой концентратор по п. 1, отличающийся тем, что со стороны концевых частей ветронаправляющих элементов вихревой концентратор закрыт.

4. Вихревой концентратор по п. 1, отличающийся тем, что со стороны корневых частей ветронаправляющих элементов вихревого концентратора расположен дефлектор.

5. Вихревой концентратор по п. 1, отличающийся тем, что расположен на опорах.