ВЕТРОГЕНЕРАТОР ТУРБИННОГО ТИПА
WIND GENERATOR OF TURBINE TYPE

Изобретение относится к ветроэнергетике, направлено на повышение эффективности ветрогенераторов турбинного типа, использующих эффект Бернулли, и на упрощение их конструкции.
Предшествующий уровень техники.
Несмотря на все более возрастающий интерес к ветроэнергетике, ее достижения не слишком велики прежде всего из-за трудностей в работе ветрогенераторов при слабом ветре. Поэтому одной из важнейших задач ветроэнергетики является искусственное увеличение скорости ветра, подаваемого на лопасти воздушной турбины. Известен ветрогенератор, позволяющий значительно увеличить скорость ветра, подаваемого на лопасти воздушной турбины, за счет использования эффекта Бернулли (см., например, патент US 2004 0183310 A). В этом патенте используется эффект Бернулли, когда воздушный поток, переходя из широкой части трубы в узкую, увеличивает скорость своего движения. Поэтому в данном патенте в узкой части трубы установлены воздушная турбина и генератор электрического тока. В результате ускорившийся воздушный поток заставляет лопасти воздушной турбины вращаться с большей скоростью, что приводит к выработке большей электрической энергии. Однако диаметр узкого участка трубы недостаточен для размещения в нем воздушной турбины и генератора электрического тока промышленных размеров. В патенте US 2011 0156403 A1 раскрыта трубка Бернулли с более протяженным каналом, по которому с высокой скоростью перемещается воздушный поток. Это сделано для того, чтобы последовательно разместить в канале две воздушных турбины и два генератора и, тем самым, вдвое увеличить выработку электроэнергии. Но понимая, что и этого недостаточно для выработки электроэнергии в промышленном масштабе, авторы патента предложили создать блок из ста трубок Бернулли, содержащий двести воздушных турбин и двести генераторов электрического тока (фиг. 10). В патенте JP 5258774B2, который можно считать ближайшим аналогом изобретения, авторы пошли по такому же пути, предложив собирать в блоки трубки, ускоряющие проходящие через них потоки воздуха (фиг. 8). В данном конкретном случае речь идет о блоках из трубок Бернулли, оснащенных соплами Лаваля, разгоняющими воздушный поток до еще больших скоростей. Но и такие высокие скорости движения воздушного потока не смогут существенно увеличить выработку электроэнергии прежде всего из-за ничтожно малых размеров воздушной турбины, которую необходимо размещать внутри узкой трубы.
Возможность увеличивать в трубке Бернулли не только скорость движения воздушного потока, но и плотность воздуха в этом потоке, породили множество аналогичных патентов (см., например, патент US 8598730B2). Но все эти изобретения касаются лишь усовершенствования различных деталей таких трубок, оставляя неизменным сам принцип сборки блоков из множества воздушных турбин и генераторов электрического тока.
Следовательно, существует необходимость в создании ветрогенератора, способного устранить недостатки ветрогенераторов предшествующего уровня техники.
Сущность изобретения.
В основу изобретения поставлена задача создания простого и высокопроизводительного ветрогенератора турбинного типа, способного вырабатывать электроэнергию в промышленном масштабе, который за счет устройства для ускорения подаваемого на турбину входного потока позволяет осуществлять его эффективное использование в широком диапазоне воздушных потоков, включая слабые воздушные потоки.
Поставленная задача согласно одному аспекту изобретения решается за счет ветрогенератора турбинного типа, содержащего установленную на валу с возможностью вращения воздушную турбину и расположенную выше по потоку перед входной стороной турбины панель для ускорения подаваемого на турбину входного потока, включающую в себя множество трубок Бернулли, содержащих имеющие большие диаметры входные отверстия и имеющие меньшие диаметры выходные сопла, причем панель расположена так, что выходные сопла трубок размещены на стороне панели, выходящей к входной стороне турбины, а входные отверстия трубок расположены на противоположной стороне панели.
Предпочтительно, чтобы концы выходных сопел трубок были расположены по существу в одной плоскости.
Для дальнейшего повышения эффективности работы желательно, чтобы входные отверстия трубок были расположены по существу в одной плоскости.
Целесообразно, чтобы сопла в панели были расположены рядами по радиусам, отходящим от расположенной напротив вала точки панели к периферии панели.
Для создания равномерного усилия на лопасти желательно, чтобы углы между смежными рядами сопел в панели были равны углам между смежными рядами лопастей воздушной турбины.
При таком выполнении ветрогенератора все трубки Бернулли в панели одновременно направляют высокоскоростные воздушные потоки сразу на все лопасти воздушной турбины, обеспечивая резкое увеличение скорости их вращения.
Для улучшения технологичности предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть трубок Бернулли представляли собой полости со стенками из материала панели.
В этом случае панель с множеством расположенных в ней трубок Бернулли становится одной деталью, что резко упрощает конструкцию ветрогенератора и стоимость его изготовления.
Поставленная задача согласно другому аспекту изобретения достигается за счет панели для ускорения подаваемого на турбину ветрогенератора турбинного типа входного потока, располагаемой перед входной стороной турбины ветрогенератора, содержащей множество трубок Бернулли с имеющими большие диаметры входными отверстиями и с имеющими меньшие диаметры выходными соплами, причем при размещении панели в рабочем положении выходные сопла трубок выходят к входной стороне турбины, а входные отверстия трубок расположены выше по потоку от входной стороны турбины, чем выходные сопла трубок.
Предпочтительно, чтобы концы выходных сопел трубок были расположены по существу в одной плоскости.
Для дальнейшего повышения эффективности работы желательно, чтобы входные отверстия трубок были расположены по существу в одной плоскости.
Целесообразно, чтобы сопла в панели были расположены рядами по радиусам, отходящим от расположенной напротив вала точки панели к периферии панели.
Для создания равномерного усилия на лопасти желательно, чтобы углы между смежными рядами сопел в панели были равны углам между смежными рядами лопастей воздушной турбины.
Для улучшения технологичности предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть трубок Бернулли представляли собой полости со стенками из материала панели.
Краткое описание чертежей.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего настоящее изобретение варианта осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 - изображает вид спереди панели с множеством входных отверстий для прохода потока воздуха в трубки Бернулли;
Фиг. 2 - изображает вид сбоку ветрогенератора с панелью в разрезе по линии A-A на фиг.1, показывающий взаимодействие выходящих из трубок Бернулли высокоскоростных воздушных потоков с лопастями воздушной турбины;
Фиг. 3а и 3b - изображают геометрическую модель с расчетной сеткой для примера расчета потоков ветрогенератора для двух диаметров трубки Бернулли (15 мм и 10 мм);
Фиг. 4а и 4b - изображают результаты расчета скорости воздушного потока для диаметра трубки Бернулли 15 мм;
Фиг. 5а и 5b - изображают результаты расчета скорости воздушного потока для диаметра трубки Бернулли 10 мм;
Фиг. 6а и 6b - изображают результаты расчета скорости воздушного потока на выходе из трубки Бернулли диаметром 15 мм;
Фиг. 7а и 7b - изображают результаты расчета скорости воздушного потока на выходе из трубки Бернулли диаметром 10 мм;
Фиг. 8 - изображает результаты расчета скорости воздушного потока в поперечном сечении на выходе из трубки на различных расстояниях от ее края для трубки Бернулли диаметром 15 мм;
Фиг. 9 - изображает результаты расчета скорости воздушного потока в поперечном сечении на выходе из трубки на различных расстояниях от ее края для трубки Бернулли диаметром 10 мм;
Детальное описание изобретения.
На фиг. 1 и 2 показан ветрогенератор турбинного типа 1 согласно изобретению. Ветрогенератор 1 содержит воздушную турбину 8, установленную на валу 9 с возможностью вращения, которая связана цепной передачей 10 с генератором электрического тока 11. Перед входной стороной турбины 8 расположена панель 2 с множеством выполненных в ее теле трубок Бернулли 3, причем для упрощения не все трубки Бернулли показаны. Каждая из трубок Бернулли 3 имеет широкое входное отверстие 4 на одной стороне панели 2 и суженное выходное отверстие (сопло) 5 на противоположной стороне панели 2. Выходные сопла 5 трубок 3 расположены на входной стороне турбины 8, а входные отверстия 4 трубок расположены на противоположной стороне панели 2.
Концы выходных сопел 5 трубок 2 желательно располагать по существу в одной плоскости. Аналогично, входные отверстия 4 трубок 2 также предпочтительно должны быть расположены по существу в одной плоскости.
Сопла 5 трубок Бернулли 3 в панели 2 предпочтительно располагать рядами 6 по радиусам, отходящим от расположенной напротив вала ветрогенератора точки панели 2 к периферии панели 2. Углы между смежными рядами сопел в панели 2 желательно должны быть равны углам между смежными рядами лопастей 7 воздушной турбины 8. При этом количество радиально расположенных рядов 6 в панели 2 предпочтительно выбирают равным числу лопастей 7 воздушной турбины 8 с тем, чтобы обеспечить одновременное воздействие всех выходящих из сопел 5 воздушных потоков на все лопасти 7 воздушной турбины 8. Это позволяет создавать наиболее равномерные высокоскоростные потоки для лопастей 7 турбины 8.
Технологически значительно проще изготавливать панель 2 с трубками Бернулли 3, выполненными за одно целое с панелью 2, т.е. когда трубки 3 представляют собой полости со стенками из материала панели.
Панель 2 с трубками Бернулли 3, воздушной турбиной 8 и генератором электрического тока 11 предпочтительно выполнены так, что они имеют возможность поворачиваться на валу 12 для ориентации по направлению ветра.
Понятно, что наличие панели с трубками Бернулли позволяет не только осуществлять эффективное использование ветрогенератора в широком диапазоне воздушных потоков, включая слабые воздушные потоки, но и защищает птиц от травм и гибели, исключая их попадание на лопасти воздушной турбины.
В одном из вариантов осуществления изобретения панель 2 может, например, иметь 46 трубок Бернулли. Это значит, что в данном конкретном случае лопасти 7 воздушной турбины 8 будут одновременно раскручивать 46 плотных высокоскоростных воздушных потоков, которые обеспечивают их вращение с высокой скоростью. В результате резко увеличивается вырабатываемая генератором электрическая энергия.
В реальности число таких трубок Бернулли 3, выполненных в панели 2, может быть значительно большим, что позволит еще больше увеличить скорость вращения воздушной турбины и еще больше увеличить вырабатываемую электрическую энергию. Для специалиста в данной области техники будет понятно каким образом рассчитать конкретное количество трубок Бернулли 3 для конкретного ветрогенератора турбинного типа.
Важно отметить, что в предлагаемом ветрогенераторе турбинного типа не нужно, как в технических решениях, относящихся к предшествующему уровню техники, помещать в каждую из таких трубок Бернулли воздушные турбины и генераторы электрического тока, а затем собирать блоки из таких трубок.
Более того, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения нет необходимости в отдельном изготовлении каждой трубки Бернулли 3, так как каждая из них является полостью в панели 2 в виде внутренней поверхности такой трубки, созданной в процессе изготовления самой панели 2, например, методом литья под давлением. При этом полости в панели 2 в виде трубок будут образованы за счет закладных деталей, удаляемых из панели после завершения ее отливки.
Ветрогенератор турбинного типа работает следующим образом. Скорость воздушного потока, проходящего через широкие входные отверстия 4 в трубки Бернулли 3, выполненные в теле панели 2, значительно увеличивается за счет эффекта Бернулли. В результате из сопел 5 этих трубок, обращенных к лопастям 7 воздушной турбины 8, вырываются плотные высокоскоростные воздушные потоки, направленные одновременно на все лопасти 7 воздушной турбины 8. При этом на каждую лопасть 7 воздушной турбины 8 одновременно будут направлены несколько плотных высокоскоростных воздушных потоков. В результате множество таких потоков одновременно раскручивают лопасти 7 воздушной турбины 8, увеличивая скорость ее вращения. Ниже приведены примеры расчета скоростей поступающего на турбину входного потока для предложенного ветрогенератора с учетом длины и диаметра используемых трубок Бернулли.
С помощью метода конечных элементов в программе Comsol Multiphysics решалось стационарное уравнение Навье-Стокса для ламинарного потока:
где - коэффициент кинематической вязкости
- плотность
р - давление
- векторное поле скорости
- векторное поле массовых сил
Уравнение неразрывности:
На входе в трубу диаметром 50мм задавалась скорость потока  (по шкале Бофора эта скорость соответствует 2 баллам и на суше характеризуется движением ветра, ощущаемого лицом, а также вызывает шелест листьев и приводит в движение флюгер).
У стенки
Параметры среды:
3
Плотность воздуха 1.22 кг/м
-5
Динамическая вязкость воздуха 1.85*10 Па*с
Для выполнения расчета была создана геометрическая модель и задана расчетная сетка для двух диаметров трубки Бернулли (10мм и 15мм), приведенная на фиг. 3а и 3b, соответственно.
Результаты расчета приведены на фиг. 4а и 4b для диаметра трубки Бернулли 15 мм и на фиг. 5а и 5b для диаметра трубки Бернулли 10 мм, соответственно. На графиках фиг. 4а и 5a диаметр трубки Бернулли приведен по оси абсцисс, а продольный размер трубки Бернулли по оси ординат. Различными тонами показано значение скорости воздушного потока по длине трубки Бернулли, соответствие тона и значения скорости приведены на шкале справа от фиг. 4а и 5a. На фиг. 4b и 5b приведен график значений скорости воздушного потока по длине трубки Бернулли.
Результаты расчета, приведенные на фиг. 4а и 4b и на фиг. 5а и 5b, показывают, что при переходе воздушного потока из трубы с диаметром 50 мм в трубку с диаметром 15 мм, его скорость возрастет до 11 м/сек, а при переходе в трубку с диаметром 10 мм скорость воздушного потока достигнет 16,7 м/сек (что по шкале Бофора составляет 7 баллов и на суше характеризуется качанием стволов деревьев и вызывает затруднение при ходьбе против ветра).
Результаты расчета скорости воздушного потока после его выхода из трубки Бернулли диаметром 15 мм и 10 мм приведены на Фиг. 6а и 6b и Фиг. 7а и 7b, соответственно. На графиках Фиг. 6а и 7а диаметр трубки Бернулли приведен по оси абсцисс, а продольный размер трубки Бернулли по оси ординат. Различными тонами показано значение скорости воздушного потока по длине трубки Бернулли и за ее пределами на выходе из трубки Бернулли, соответствие тона и значения скорости приведены на шкале справа от фиг. 6а и 7a. На фиг. 6b и 7b приведен график значений скорости воздушного потока по длине трубки Бернулли и за ее пределами на выходе из трубки Бернулли.
Длины этих трубок составляют 50 мм. Их конец отмечен вертикальными пунктирными линиями.
Из графиков видно, что для трубок Бернулли диаметром 15 мм, на расстоянии до 20 мм за пределами трубки скорость воздушного потока в продольном сечении не падает ниже 11,5 м/сек, а для трубки диаметром 10 мм, не падает ниже 16 м/сек, т.е. также характеризуется 7 баллами по шкале Бофора.
Фиг. 8 и 9 демонстрируют скорость воздушного потока в поперечном сечении на выходе из трубки на различных расстояниях от ее края (0мм, 5мм, 10мм и 15мм) для трубки Бернулли диаметром 15мм и 10 мм, соответственно. Горизонтальная ось трубки соответствует значению 40мм. Результаты вычислений демонстрируют достаточную равномерность скоростей на сравнительно небольшом удалении от края трубки.
Промышленная применимость.
Предложенный ветрогенератор турбинного типа позволяет, при значительном упрощении его конструкции, резко повысить выработку электроэнергии при слабом ветре, что обеспечит его широкое использование в промышленности и быту.