ветроэлектростанция

Формула изобретения

Ветроэлектростанция, содержащая электрогенератор, соединенный вертикальным валом с горизонтальным ветроколесом, размещенным внутри трубы, сопряженной с концентратором воздушного потока, отличающаяся тем, что концентратор воздушного потока выполнен в виде двух усеченных многогранных пирамид, расположенных вершинами друг против друга и соединенных между собой по их ребрам трапецеидальными стенами, между которыми установлены двустворчатые двери с возможностью поворота их в разные стороны и контактирующие с ними пружинные упоры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для строительства ветроэлектростанций.

Широко известны ветроэлектростанции с вертикальными ветроколесами, размещенными на высоких мачтах ("Современное состояние и перспективы развития ветроэнергетики", Москва, 2000 г.).

Такие электростанции при больших материальных и финансовых затратах малоэффективны из-за того, что в них энергия ветра используется только в пределах габаритов ветроколеса.

Известна ветроэлектростанция, содержащая два или несколько ветроколес, расположенных в трубе и соединенных раздельно с двумя вертикальными валами, один из которых связан с электрогенератором, а другой с инерционным аккумулятором. Труба объединена с концентратором воздушного потока, выполненным в виде шатра и расположенного под ним вогнутого конуса, между которыми установлены перегородки и заслонки с прикрепленными к ним тросами. Кроме того, под шатром смонтированы устройства для сжигания газа или приема тепла, получаемого от сжигания мусора (Патент РФ №2062353, 1996 г. - Прототип).

Эта ветроэлектростанция имеет следующие недостатки.

Шатер, наклоненный вниз своими краями, не захватывает под себя действующий на него ветер, который бесполезно давит на его наружную поверхность. Попадающий же воздушный поток под шатер с наветренной стороны лишь частично попадает к ветроколесу, так как значительная его часть, обогнув края конуса, проникает в каналы между перегородками, расположенными с противоположной стороны, и выходит бесполезно наружу. Все это снижает эффективность работы электростанции. Кроме того, кинематическая система, состоящая из двух или нескольких ветроколес, двух вертикальных валов и инерционного аккумулятора (многотонного маховика), многодельна и трудна в изготовлении.

Управление установленными на перегородках заслонками вручную с помощью лебедок или посредством специальной автоматики для регулирования подачи воздуха к ветроколесу в зависимости от скорости и направления ветра весьма сложно, особенно при ураганном ветре, который, появившись внезапно, может сорвать заслонки и повредить ветроколесо.

Использование тепла, получаемого от сжигания газа или мусора, при низкой скорости его поступления к ветроколесу не дает существенного эффекта, а лишь загрязняет окружающую среду продуктами сгорания.

Технический результат, заключающийся в повышении эффективности работы ветроэлектростанции, обеспечивается за счет того, что в ветроэлектростанции, содержащей электрогенератор, соединенный вертикальным валом с горизонтальным ветроколесом, размещенным внутри трубы, сопряженной с концентратором воздушного потока, согласно изобретению концентратор воздушного потока выполнен в виде двух усеченных многогранных пирамид, расположенных вершинами друг против друга и соединенных между собой по их ребрам трапецеидальными стенами, между которыми установлены двустворчатые двери с возможностью поворота их в разные стороны и контактирующие с ними пружинные упоры.

Ветроэлектростанция схематически изображена на фиг.1 - вид сверху и фиг.2 - разрез А-А по фиг.1.

Ветроэлектростанция содержит концентратор воздушного потока, состоящий из нижней и верхней пирамид 1 и 2, соосно расположенных своими вершинами друг против друга. Пирамиды 1 и 2 по их ребрам соединены между собой трапецеидальными стенами 3, в результате чего между ними образованы сужающиеся от периферии к центру каналы. Грани нижней пирамиды 1 объединены плитой 4, в центре которой установлен электрогенератор 5, соединенный вертикальным валом 6 с горизонтальным ветроколесом 7, размещенным в трубе 8. Нижняя часть трубы 8 расширена и сопряжена с верхней пирамидой 2. Половина пирамиды 2 и расширенная часть трубы 8 для видимости расположенных под ними деталей на фиг.1 не показаны.

Электрогенератор 5 окружен кабиной 9 с плотно закрывающимся входом в нее. Верхняя сужающаяся часть кабины 9 связана с подшипником 10 вертикального вала 6.

Между стенами 3 у их сторон, обращенных в сторону электрогенератора 5, установлены двустворчатые двери 11 с возможностью поворота их в разные стороны. У внешних сторон дверей 11 установлены пружинные упоры, состоящие из пружин 12 и соединенных с ними контактных планок 13. Свободные концы пружин 12 прикреплены к стенам 3 неподвижно, а контактные планки 13 - с возможностью поворота их в горизонтальной плоскости.

У краев нижней расширенной части трубы 8 предусмотрены отверстия 14 для отвода через них воды, образующейся от дождя и таяния снега. Нижняя пирамида 1 и объединенная с ней плита 4 закреплены на здании 15, в котором расположены помещения для электроаккумуляторов, измерительных приборов, запасных деталей и другие необходимые помещения.

Для доступа обслуживающего персонала к дверям 11 и в кабину 9 к электрогенератору 5 в плите 4 предусмотрен люк 16 и подводящая к нему лестница 17.

Ветроэлектростанция работает следующим образом. При действии ветра какого-либо направления, например, как показано стрелками на фиг.1 и 2, воздушный поток входит в канал концентратора, обращенный против ветра, и вследствие сужения его сжимается и увеличивает свою скорость движения. Затем воздушный поток проходит открытую им настежь дверь 11, закрывает своим напором другие двери 11, прижимая их к пружинным упорам, и устремляется к ветроколесу 7, придавая ему вращательное движение, которое через вал 6 передается электрогенератору 5.

При изменении направления ветра воздушный поток входит в другие один или два смежных канала и также, ускорив свое движение, направляется к ветроколесу. В случае ураганного ветра воздушный поток, пройдя направленный против него канал, своим давлением открывает двери других каналов, поворачивая контактные планки 13 и сжимая пружины 12, которые рассчитаны на начало их сжатия при максимальной скорости ветра, безопасной для ветроколеса 7. Сила, действующая на дверь при такой скорости ветра, определяется аэродинамическим расчетом.

Через открытые двери 11 часть воздушного потока вырывается наружу, ослабляя свою силу в направлении ветроколеса 7. Чем больше скорость ураганного ветра, тем шире открываются двери 11, сжимая пружины 12, и, соответственно, большая его часть вырывается наружу. При этом ветроколесо 7 не испытывает чрезмерных напряжений, что исключает его повреждение. После прекращения действия ураганного ветра двери 11 усилиями пружин 12 возвращаются в исходное (закрытое) положение, а воздушный поток действует на ветроколесо 7 с допустимой силой.

Излишки энергии, вырабатываемой электрогенератором 5, во время уменьшения ее потребления передаются для зарядки аккумуляторов, которые используются для снабжения энергией потребителей в периоды безветрия.

Для осмотра и профилактического ремонта электростанции все двери 11 закрываются на предусмотренные на них щеколды или шпингалеты, аналогичные тем, которые применяются на домовых дверях.

По сравнению с прототипом данная электростанция значительно эффективнее, так как в ней воздушный поток, проходящий концентратор, полностью попадает на ветроколесо, а наклоненные вверх края пирамиды 2 в большей мере захватывают этот поток, чем наклоненный вниз шатер прототипа.

Мощность данной электростанции намного выше мощности обычной электростанции, не имеющей концентратора воздушного потока, при одинаковых размерах ветроколеса. Это объясняется тем, что в обычной электростанции энергия ветра используется только с вертикальной площади, равной площади ветроколеса, а в данной электростанции энергия ветра используется с вертикальной площади наружной части канала концентратора, которая в несколько раз больше площади ветроколеса.

Так, например, при отношении вертикальной площади канала к площади ветроколеса, равном 10, и с учетом потерь на преодоление воздушным потоком сил трения на 30% ветроколесо получит энергии примерно в 7 раз больше, чем при его открытом состоянии. Во столько же раз возрастет мощность электростанции. В зависимости от размеров ветроколеса и концентратора воздушного потока данная ветроэлектростанция может достигать мощности 5-10 тысяч киловатт.