ветроэнергетическая установка напорно-вытяжного действия

Формула изобретения

Ветроэнергетическая установка напорно-вытяжного действия, состоящая из ветрового колеса, вала и генератора, отличающаяся тем, что ветровое колесо расположено в сопле, заключенном в звукопоглощающую камеру корпуса вытяжной трубы, на которой сверху установлена насадка и имеются регулировочно-предохранительные клапаны, а в нижней части находится напорная камера, за которой расположены ветроприемники с направляющими лопатками, с внешними и внутренними шторками.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в качестве установки вырабатывающей электроэнергию с использованием энергии ветра.

Общеизвестные ветроэнергетические установки (далее по тексту ВЭУ), как действующие, так и существующие в проектах, основаны на одном общем принципе: ветроприемное устройство, чаще всего ветровое колесо, улавливает ветер и передает крутящий момент через вал и передаточный механизм на генератор, вырабатывающий электроэнергию.

Так как плотность энергии потока ветра весьма незначительна, конструкторы, желая получить большую мощность, предусматривают огромных размеров ветровые колеса. Например проект ВЭУ мощностью 50 тыс кВт имеет вращающуюся часть поистине циклических размеров [1] Проект ВЭУ мощностью 0,6-5 МВт (прототип) имеет диаметр ветровых колес 30 70 м [2]

Совершенно очевидно что ВЭУ с ветровыми колесами таких размеров не смогут полностью использовать мощь воздушного потока, т.к. при большой скорости вращения возрастают силы инерции, а против резких порывов ветра они беззащитны и небезопасны для окружающих. Большие трудности возникают при ориентировании крупных ВЭУ по направлению действия ветра. Отмечен и экологический вред крупных ВЭУ: при вращении лопастей в воздушном потоке возникают колебания воздуха высокой частоты (ультразвук) приводящие к массовой гибели насекомых в районе нахождения ВЭУ.

Предлагаемая конструкция ВЭУ напорно-вытяжного действия состоит из ветрового колеса, вала и генератора, причем ветровое колесо расположено в сопле, заключенном в звукопоглощающую камеру корпуса вытяжной трубы, на которой сверху установлена насадка и имеются регулировочно-предохранительные клапаны, а в нижней части вытяжной трубы находится напорная камера, за которой расположены ветроприемники с направляющими лопатками и с внешними и внутренними шторками.

На чертеже изображен разрез по оси сооружения с местным видом.

На этом чертеже показано внутренне строение ВЭУ и стрелками показано направление ветра и схема движения возникающего в вытяжной трубе напорно-вытяжного потока воздуха.

Основной ВЭУ напорно-вытяжного действия является вытяжная труба 1, внутренняя поверхность которой выполняется из материала с минимальной шероховатостью с целью уменьшения потерь на трение по длине трубы при движении воздушного потока. Внутренняя поверхность вытяжной трубы 1 имеет переменное сечение с плавными переходами и закруглениями для уменьшения местных сопротивлений и ликвидации завихрений воздушного потока. Самое узкое место сечения сопло 2 в котором располагается ветровое колесо 3 на валу 4 соединяющим его с генератором 5. Полость, получающаяся при образовании сопла 2, заключенная между внешней и внутренней поверхностью вытяжной трубы 1, является звукопоглощающей камерой 6, внутренняя поверхность которой покрывается звукопоглощающим материалом, т. к. при больших скоростях воздушного потока в сопле 2 возникают акустические явления.

Верхняя часть вытяжной трубы 1 заканчивается насадкой 7 здесь же находятся регулировочно-предохранительные клапаны 8, регулирующие работу насадки 7.

В нижней части вытяжной трубы 1 за соплом 2 расположены ветроприемники 9, рабочим органом которых являются направляющие лопатки 10, направляющие поток ветра в напорную камеру 11. Подвижные шторки 12, наружные и внутренние, независимо друг от друга передвигаются по наружной и внутренней поверхности ветроприемника 9.

Работа насадки 7 основана на использовании энергии потока воздуха - ветра, который, ударяясь о поверхность насадки и обтекая ее, создает возле большей части ее периметра разрежение, что в свою очередь создает разрежение в уровне выхода воздуха из вытяжной трубы 1. В результате в верхней части вытяжной трубы 1 устанавливается вытяжной поток воздуха, направленный вверх, а воздух в нее поступает через сопло 2.

Объем-масса вытягиваемого воздуха определяется производительностью насадки7, которая в свою очередь зависит от ее формы и величины создаваемого ею разрежения для данной скорости ветра.

Работу насадки 7 регулируют регулировочно-предохранительные клапаны 8, которые открываются при больших скоростях ветра, чем дают возможность поступать через них в вытяжную трубу 1 наружному воздуху, в следствие чего скорость потока воздуха в сопле 2 уменьшится.

Ветроприемники 9 в нижней части вытяжной трубы 1 используют наоборот положительное давление ветра: направляющими лопатками 10 направляют набегающий поток ветра в напорную камеру 11, в которой динамическое давление ветра преобразуется в статическое давление воздуха, вследствие чего в напорной камере 11 создается напорное давление и соответственно напорный поток воздуха, направленный в сопло 2.

Подвижные шторки 12, передвигаясь по наружной и внутренней поверхности ветроприемников 9, перекрывают подветренное направление, а при необходимости и наветренное, регулируя тем самым скорость воздушного потока в сопле 2, а наружные защищают ветроприемники 9 от заноса снегом в зимнее время.

Таким образом, эти два возникших независимо друг от друга воздушных потока, суммируясь, создают в вытяжной трубе 1 напорно-вытяжной поток воздуха, который перемещает по вытяжной трубе 1 определенный объем массу воздуха.

Объем масса перемещаемого воздуха зависит от следующих факторов: диаметра вытяжной трубы 1, величины возникающего давления напора в напорной камере 11 и давления разрежения в насадке 7, которые в свою очередь зависят от скорости ветра, степени стеснения напорно-вытяжного потока воздуха соплом 2, местных сопротивлений и соотношения диаметров сопла 2 и ветрового колеса 3.

Объем масса воздуха, перемещаемая за единицу времени в любом месте вытяжной трубы 1, величина постоянная и определяется произведением площади сечения вытяжной трубы 1 в данном месте на скорость напорно-вытяжного потока воздуха в данном месте. Следовательно, в сопле 2 самом узком месте сечения, скорость напорно-вытяжного потока воздуха будет максимальной, величина ее будет соответствовать объему массе воздуха, перемещаемого за единицу времени через вытяжную трубу 1. Соответственно и кинетическая энергия напорно-вытяжного потока воздуха в сопле 2 достигнет своего максимума, что и определяет самое выгодное место расположения ветрового колеса 3, использующего кинетическую энергию напорно-вытяжного потока воздуха для своего вращения. Крутящий момент от ветрового колеса 3 через вал 4 и передаточный механизм передается на генератор 5, вырабатывающий электроэнергию.

Преимущества предлагаемой конструкции ВЭУ напорно-вытяжного действия заключаются в следующем:

сочетается возможность использовать энергию ветрового потока с большой площади и в то же время существенно уменьшить размеры ветрового колеса;

независимость действия ВЭУ от направления ветра;

возможность использовать энергию ветра с больших высот, где ветры сильнее и стабильнее;

ветровое колесо и генератор расположены внутри корпуса ВЭУ, что удобно для их обслуживания и ремонта;

имеется конструктивная возможность создания простой и эффективной системы регулировочно-предохранительных клапанов и передвижных шторок, зачищающей ветровое колесо от чрезвычайно высоких скоростей ветра;

так как ветровое колесо находится внутри корпуса ВЭУ, направление воздушного потока в нем постоянно а скорость его регулируется, то становится легче локализовать возникающее акустические явления что важно с экологической точки зрения.

По оценке автора, ВЭУ напорно-вытяжного действия высотой 200-250 м, диаметром вытяжной трубы 1 -30 м, при скорости ветра 10 м/с даст мощность на клеммах генератора 2500 3000 кВт. Диаметр ветрового колеса 3 при этом составит 5 м, диаметр сопла 2 6 м, скорость напорно-вытяжного потока воздуха в сопле 2 порядка 100 м.

Для того чтобы ВЭУ-прототип дало такую же мощность, ему потребуются ветровое колесо диаметром 140-160 м.