К недостаткам описанного ветроагрегата относится то, что основная часть потока воздуха, попавшего под приподнятый шатер (открытый свободно во все стороны), пройдет насквозь без отдачи своей энергии. И только часть потока поднимается вверх в горловину к ветроколесам.
Задача изобретения повышение мощности ветроустановки за счет захвата широкого потока воздуха и концентрации его в узкий, но высокоскоростной поток.
Эта задача решается тем, что в ветроэлектростанции, содержащей концентратор потока воздуха, выполненный в виде приподнятого над землей шатра, ветроколесо с вертикальным валом, генератор электротока и инерционный аккумулятор, на горловине шатра концентратора установлена вертикальная вытяжная труба, в полости которой и установлено одно или несколько ветроколес на вертикальных валах, кинематически связанных с валом генератора электротока и инерционным аккумулятор, а внутри шатра расположен конус с вогнутой поверхностью, причем внутренняя поверхность шатра и наружная поверхность конуса соединены между собой вертикальными перегородками, образующими сужающиеся воздушные каналы, направленные от периферии шатра к центру и снизу вверх к вертикальной вытяжной трубе и лопастям ветроколес, а на верхней части перегородок установлены шарнирно заслонки, регулирующие величину движущегося к ветроколесам потока воздуха, причем в воздушных каналах концентратора размещены устройства для сжигания газа или подачи потоков горячего воздуха.
Так как мощность ветроэлектростанции имеет кубическую зависимость от скорости ветра, обдувающего ветроколесо (Шефтер Я.И. Рождественский И.В. "Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты", Москва, 1967 г.), то для повышения мощности ветроэлектростанции выгоднее идти путем увеличения скорости ветра, обдувающего ветроколесо, чем путем увеличения диаметра последнего. Теоретически увеличение скорости ветра с помощью концентратора в 4-5 раз может дать увеличение мощности электростанции, соответственно в 64- 125 раз по сравнению с ветроагрегатом, имеющим такой же диаметр ветроколеса, работающего при обычной внешней скорости, без концентрации потока воздуха.
Поэтому в предполагаемом изобретении для преобразования энергии ветра в энергию электрическую применен, как и в известном, круговой шатер с приподнятыми краями, опирающийся на опоры, но, в отличие от него, шатер снаружи на горловине имеет вертикальную вытяжную трубу, а внутри шатра установлен конус с вогнутой поверхностью. Конус и шатер соединены между собой вертикальными перегородками. Перегородки образуют замкнутые сужающиеся воздушные каналы, открытые широкой частью для входа потока воздуха и узкой частью для выдачи суженного и ускоренного потока в вертикальную вытяжную трубу, в которой установлены ветроколеса на вертикальных валах. Таким образом весь воздушный поток, входящий в шатер, пройдет через вытяжную трубу (через ветроколеса), но уже с более высокой скоростью, чем скорость наружного ветра.
С целью предупреждения поломок ветроколеса 8 при высоких скоростях наружного ветра и для возможности регулирования величины подаваемого потока воздуха к ветроколесам (поддержание заданной мощности установки) на верхней части перегородок 5 установлены вертикально на шарнирах заслонки 12, управляемые (изменением угла наклона) с помощью тросов 13. Это управление может быть как ручным (лебедками), так и автоматическим (с помощью датчиков от скорости ветра в трубе 1 или частоты вращения ветроколеса 8).
В каналах 6 установлены устройства 14 для сжигания утилизированного газа. Устройства расположены на кольцевой трубе 15, к которой газ подводится по газоводу 16. Через указанные газоводы и устройства может в каналы 6 подаваться и поток горячего воздуха от печей сжигания биологических отходов.
Ветроэлектростанция работает следующим образом. Поток ветра любого направления, встречая на своем пути открытый со всех сторон шатер 2, входит через окна в каналы 6 и, сужаясь между вертикальными перегородками 5, внутренней поверхностью шатра 2 и вогнутой поверхностью конуса 4, устремляется к центру и снизу вверх в полость вертикальной вытяжной трубы 1. При сужении потока воздуха скорость его движения возрастает в несколько раз. Величина ускорения зависит от величины соотношения фронтальной площади задуваемого общего потока воздуха в шатер 2 и площади внутреннего сечения вертикальной вытяжной трубы 1. Необходимо учитывать потери скорости потока от трения частиц воздуха между собой, трения их о стенки каналов (от качества их поверхностей), о выступы. Затем ускоренный поток воздуха попадает на лопасти нижнего ветроколеса 8, вращает его, создавая крутящий момент на валу 7 (на наружной его части), который кинематически связан с валом генератора 9.
Ротор генератора получает вращение и начинает вырабатывать электроток для потребителя. Далее, поток воздуха, отдав часть энергии нижнему ветроколесу устремляется к лопастям верхнего ветроколеса 8. Угол разворота плоскостей лопастей верхнего и нижнего ветроколес регулируется в зависимости от скорости потока воздуха и наиболее оптимального режима работы. Крутящий момент от верхнего ветроколеса передается на вал 7 (на внутреннюю его независимо вращающуюся часть) и от него на вал инерционного аккумулятора 10. Но внутренний вал 7 имеет возможность переключаться на другой генератор или другой какой-либо механизм.
Для повышения эффективности работы ветра (особенно в регионах с низкой среднегодовой его скоростью) и для повышения степени регулирования и стабильности работы ветроагрегатов в каналы 6 шатра 2 в устройства 14 по газоводу 16 и трубе 15 подается утилизированный газ, например от факелов нефтепромыслов или нефтеперерабатывающих заводов, который сгорая в потоках воздуха нагревает его, улучшает конвекцию и тягу в вытяжной трубе 1, а также создает лучшие условия для регулирования и поддержания стабильности работы ветроагрегатов. Если отсутствует факельный газ, но вблизи от ветроэлектростанции имеются отходы биомасс (городские свалки, отходы лесозаготовок, отходы ферм и т.п.), то можно, сжигая эти отходы в печах, подавать в каналы 6 через газоводы 16 и устройства 14 горячий воздух. В случае возникновения больших скоростей наружного ветра и образования в вертикальной вытяжной трубе 1 сверхдопустимых ураганных скоростей в потоке, то с целью предохранения от поломок ветроколес и других элементов, путем натяжения тросов 13, наклоняют заслонки 12 и часть потока отсекается, завихряется, что снижает его скорость. Заслонки 12 могут практически полностью перекрыть доступ ветра к ветроколесам (на период, например профилактического осмотра состояния ветроколес).
Внутреннее помещение конуса 4 может быть весьма значительным (например при строительстве ветроэлектростанций мощностью в 5-6 тысяч киловатт) и может быть использовано не только для размещения генераторов и приборов управления станцией, но и какого-либо технологического оборудования для производства той или иной продукции (при обеспечении звуком и теплоизоляции) и может быть выполнено в два и три этажа.
Таким образом предлагаемая конструкция ветроэлектростанции позволяет освободиться от строительства мощных и тяжеловесных башенных опор для установки ветроколес больших диаметров (60-80 и более метров), применения специальных и дорогостоящих материалов и технологий изготовления ветроколес и гондол для генераторов, что требует больших финансовых затрат. Позволяет иметь возможность регулировать режимы работы ветроагрегатов, их устойчивость в режиме работы при широких диапазонах скоростей наружного ветра, позволяет эксплуатировать их при низких (недоступных для существующих ветроагрегатов) скоростях ветра, и главное применение предлагаемой ветроэлектростанции при значительно меньшем (в 4-5 раз) диаметре ветроколеса позволит получить относительно большую мощность на ветроагрегате.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Ветроэлектростанция, содержащая концентратор потока воздуха, выполненный в виде приподнятого над землей шатра, ветроколесо с вертикальным валом, генератор электротока и инерционный аккумулятор, отличающаяся тем, что на горловине шатра концентратора размещена вертикальная вытяжная труба, в полости которой установлены одно или несколько ветроколес на вертикальных валах, кинематически связанных с валом генератора электротока и инерционным аккумулятором, а внутри шатра расположен конус с вогнутой поверхностью, причем внутренняя поверхность шатра и наружная поверхность конуса соединены между собой вертикальными перегородками, образующими сужающиеся воздушные каналы, направленные от периферии шатра к центру и снизу вверх к вертикальной вытяжной трубе и лопастям ветроколес, при этом на верхней части перегородок установлены шарнирно заслонки, регулирующие величину движущегося к ветроколесам потока воздуха.
2. Ветроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что в воздушных каналах концентратора размещены устройства для сжигания газа или подачи потоков горячего воздуха.
Приложение 5
КОМБИНИРОВАННАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Имя изобретателя: Улановский Я.Б. (RU); Лавров В.С. (RU); Габченко В.Ф. (RU); Селезнев И.С. (RU); Санков В.О. (RU)
Имя патентообладателя: ООО "СТРОЙИНЖИНИРИНГ СМ" (RU)
Адрес для переписки: 141980, Московская обл., г.Дубна, ул. Тверская, 9, кв.637, В.С. Лаврову
Дата начала действия патента: 2003.06.26
Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно, к установкам, вырабатывающим электроэнергию для получения горячей воды с целью ее промышленного использования.