ВЕТРОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована в качестве ветровой электрической станции нового типа, работа которых не зависит от ветрового режима местности, поскольку осуществляется преобразование потенциальной и тепловой энергии, а также энергии высотного горизонтального переноса воздушных масс в энергию управляемого воздушного потока, вращающего ветровые турбины стации.
Поле тяготения земли, строение и состав ее поверхности, а также ее вращение, нагрев атмосферы, высокая подвижность воздуха формирует своеобразную архитектуру неравновесного поля давления в воздушной среде, которое постоянно изменяется в пространстве и времени, что приводит к трансформации потенциальной и тепловой энергии атмосферы в кинетическую энергию воздушных масс. Например, мощность восходящего потока воздуха в смерче может достигать несколько десятков ГW.
Известны «классические» ветроэлектрические станции, использующие кинетическую энергию неуправляемого горизонтального переноса воздушных масс. Однако такие станции обладают рядом существенных недостатков, а именно:
1. они могут размещаться только в тех районах, где среднегодовая скорость у поверхности земли превышает 5 м/с;
2. возможен длительный перерыв в подаче энергии из-за отсутствия ветрового потока;
3. значительное непостоянство энергии во времени из-за непостоянства скорости ветра.
В последние десятилетия наметилась тенденция поиска новых схем ветровых электростанций у которых для вращения ветровых турбин использовалась бы кинетическая энергия вертикального потока воздушных масс.
Известен вариант проекта ветровой электростанции (Patent USA №4.187.686, MKI F03G 7/04, 1977) у которой вдоль крутого склона горы размещают две параллельные трубы заполненные газом. Вверху и внизу трубы соединены между собой горизонтальными отрезками труб, образуя замкнутую систему сообщающихся сосудов изолированную от внешней атмосферы. В нижней горизонтальной части системы размещается ветровая турбина с электрогенератором. В нижнюю часть одной трубы впрыскивается горячая вода, а в верхнюю часть другой трубы впрыскивается холодная вода, возникающая разница температур в трубах вызывает движение газа в системе по правилу сообщающихся сосудов и образующийся поток газа вращает ветровую турбину.
Известен еще ряд других вариантов электростанций (Patent Great Britan №2081390, MKI F03G 7/04, 1982), в которых также предлагается использовать кинетическую энергию воздушных масс движущихся в замкнутых вертикальных каналах по схеме сообщающихся сосудов, когда холодный столб воздуха в одном канале опускается вниз, а теплый столб в другом канале поднимается вверх.
К существенным недостаткам указанных схем станций можно отнести то, что из-за низкой скорости свободного опускания холодного столба воздуха не может реализовываться достаточно высокое значение кинетической энергии воздушных масс и поэтому мощность и коэффициент полезного действия таких станций невелики.
Известна ветровая электростанция (п. РФ №2246031, опубл. 10.02.2005), содержащая вертикальную вытяжную трубу, конусную насадку с радиальными ребрами, генератор электрического тока, ветровое колесо, кинематически связанное с генератором электрического тока и расположенное в области нижнего конца вытяжной трубы, а также секцию горизонтальных воздухо-проводящих каналов в виде радиально расположенных диффузоров с выходными соплами, аэродинамически связанными с нижним концом трубы. При этом ветровое колесо установлено в горизонтальном потоке воздуха между соплами и трубой.
Недостатком данной конструкции является зависимость работы станции от скорости ветра и низкий коэффициент полезного действия.
В качестве прототипа выбрана ветровая электростанция (French patent No.0408809000, registered at INPI, August 2004.; International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №5 (61)2008) у которой вертикальный воздушный канал представляет гигантскую перевернутую воронку высотой - 300 м с переменной кривизной боковой поверхности, диаметр основания - 200 м, а внутренний диаметр верхней части - 18 м. Над узкой частью канала располагается конус, обращенный основанием вверх, в котором размещаются ветровая турбина или воздушный винт диаметром 25-30 м. В центре воздушного канала проходит трубчатая ось, которая является несущей опорой для электрогенератора и ветровой турбины или воздушного винта. Нижнее основание воздушного канала окруженного с внешней стороны теплицей площадью от трех до пяти квадратных километров с целью аккумуляции теплого воздуха поступающего на вход канала.
Недостатками прототипа являются низкий коэффициент полезного действия, техническая сложность осуществления ветряного двигателя при скорости вихревого потока ~300 км/ч. Кроме того, верхняя часть ветроэлектростанции будет подвергнута колебаниям в широком диапазоне частот, возникаюших из-за вращения ветровых турбин или воздушных винтов и электрогенераторов, что представляет сложную трудоемкую техническую задачу при строительстве и эксплуатации такой ветроэлектростанции.
Решаемая техническая задача состоит в повышении мощности ветровой электростанции за счет получения управляемого высокоскоростного воздушного потока для вращения ветровой турбины, кинематически связанной с электрогенератором, независимо от ветрового режима местности.
Известные физические свойства атмосферы, а именно: состояние ее температурной стратификации, убывание давления с высотой, действие аэростатической подъемной силы Архимеда, высокая подвижность и тепловое расширение воздуха, горизонтальный перенос воздушных масс в верхних слоях, уменьшение статического давления в горизонтальном воздушном потоке, позволяют решить эту задачу.
Указанная техническая задача решается тем, что в ветровой электрической станции, состоящей из вертикального воздушного канала, в котором обеспечена возможность создания разницы температур в канале и наружным воздухом, ветровой турбины, кинематически связанной с генератором, вертикальный воздушный канал выполнен в виде вытяжных труб, внизу объединенных общим коллектором, соединенного с горизонтальным разгонным каналом, выполненного по схеме Вентури, при этом ветровая турбина установлена в его узкой части, а на устье вытяжных труб имеется возможность создания разрежения воздуха. Верхняя часть каждой вытяжной трубы может быть снабжена дефлектором, выполненным в виде цилиндра с боковыми окнами, соосно установленного с вытяжной трубой, внутренняя часть которого снабжена криволинейными экранами, выпуклостями к центру, создающих в центре максимальную разреженность на устье канала. Высота вертикального воздушного канала может составлять несколько сот метров, обеспечивающих заданную скорость воздушного потока в месте размещения ветровой турбины. Воздушные каналы могут быть установлены по южному склону низкогорного рельефа местности под оптимальным углом с возможностью максимального использования солнечной энергии, падающей на площадь склона, для получения температуры нагретого воздуха в каналах существенно превышающей температуру внешней атмосферы, ведущее к значительному увеличению мощности станции, при этом разрежение на устье каналов увеличивается из-за большей скорости горизонтального переноса воздушных масс на вершине склона, вызывающее увеличение мощности станции. Нагревание воздуха в вертикальном воздушном канале может быть обеспечено теплом от сжигания попутного газа при добыче углеводородного сырья, при утилизации промышленных, бытовых отходов. Нагревание воздуха в вертикальном воздушном канале может быть обеспечено теплом горячих газов, образующихся в топках тепловых электростанций, избыточным теплом, выделяющегося при технологических процессах на промышленных предприятиях. Вертикальный воздушный канал может обеспечивать эффективную вентиляцию шахт, рудников, сжигание газа метана. Вертикальный воздушный канал может являться составным элементом высотных коммерческих, жилых комплексов.
Мощность станции определяется высотой, диаметром и количеством вытяжных труб, температурой воздуха в трубах и скоростью горизонтального переноса воздушных масс на устье вытяжных труб.
Нагрев воздуха в вертикальном воздушном канале до температуры выше, чем в окружающей атмосфере на величину AT вызывает уменьшение плотности воздуха в вытяжных трубах и в результате образуется разность давлений между наружным воздухом и воздухом в трубах на величину
которая представляет известную силу тяги вертикального воздушного канала в поле тяготения, вызывающая восходящее равноускоренное движение воздушных масс в канале:  - средняя разность плотности воздуха по высоте труб между наружным и внутренним воздухом; g - ускорение силы тяжести; h - высота труб. Средняя скорость восходящего воздушного потока пропорциональна корню квадратному из высоты трубы и средней температуры нагрева по высоте трубы:
где  - средняя температура нагрева по высоте трубы; Т - температура окружающего воздуха, °К; ξ, - коэффициент потерь в вертикальном воздушном канале.
Известно, что статическое давление в горизонтальном потоке воздуха меньше на величину скоростного напора -  (g - плотность воздуха; v - скорость воздушного потока). Поэтому при обтекании верхней части вертикальных воздушных каналов горизонтальным воздушным потоком на их устье создается разрежение, приводящее к возникновению вытяжного потока воздуха в каналах. Движение воздуха в канале будет иметь равноускоренный характер и при достаточной высоте канала в нем разовьется высокоскоростной вытяжной поток.
Совместное действие на воздушные массы подъемной аэростатической силы Архимеда и разрежения на устье каналов придают воздушным потокам в вытяжных трубах станции значительную скорость и эти потоки в совокупности формируют скоростной режим воздушного потока в горизонтальном разгонном канале станции, где находится ветровая турбина.
На фиг.1 представлена схема ветровой электростанции, на фиг.2 - схема дефлектора.
Ветроэлектрическая станция представляет собой вертикальный воздушный канал, состоящий из ряда вытяжных труб 1, которые внизу соединены горизонтальными трубами 2 с общим коллектором 3, соединенного с горизонтальным разгонным каналом 4, выполненного по схеме трубки Вентури, в узком сечении которого размещена ветровая турбина 5, соединенная с генератором электрического тока 6, верхняя часть каждой вытяжной трубы 1 снабжена дефлектором 7. Дефлектор 7 выполнен в виде цилиндра 8 с боковыми окнами 10, 11, соосно установленного с вытяжной трубой 1, внутренняя часть которого снабжена криволинейными экранами 9, выпуклостями к центру, создающих в центре максимальную разреженность на устье канала.
Нагрев воздуха в вертикальном воздушном канале и вне его осуществляется различными видами источников тепловой энергии:
- солнечной радиацией;
- горячими газами и избыточным теплом, образующихся в рабочем процессе на тепловых электростанциях;
- горячими газами, образующихся в процессе сжигания попутного газа при добыче углеводородного сырья;
- горячими газами, образующихся при утилизации промышленных и бытовых отходов;
- избыточным теплом, выделяющегося при технологических процессах на промышленных предприятиях;
- избыточным теплом высотных жилых и коммерческих зданий.
Заявляемая ветровая электростанция работает так. Первоначально, в горизонтальном разгонном канале 4 поток не возмущен, имеет нулевую скорость, давление воздуха в нем максимально и ровно внешнему атмосферному давлению. В процессе нагрева воздуха в вытяжных трубах 1 его плотность становится меньше равновесной, вызванное тепловым расширением воздуха. Поскольку воздух обладает большой температуропроводностью, большим коэффициентом температурного расширения и большой подвижностью, то скорость уменьшения его плотности, практически, следует за скоростью его нагрева. При тепловом расширении воздушная среда в трубах 1 будет двигаться преимущественно вверх, так как давление в верхней части воздушного канала меньше, чем внизу, а в радиальном направлении воздух расширяться не будет, поскольку стенки труб 1 достаточно жесткие. Одновременно с движением, вызванным тепловым расширением, воздушная среда в трубах 1 будет двигаться вверх под действием подъемной аэростатической силы Архимеда, поскольку плотность воздуха становится ниже равновесной. В результате, в трубах 1 формируются восходящие потоки воздушных масс.
Воздушный горизонтальный поток, обтекающий дефлекторы 7, создает разрежение над устьем труб 1, которое, распространяясь со скоростью звука в канале, формирует в нем вынужденный вытяжной поток воздуха.
В результате, восходящие и вытяжные потоки воздуха в трубах 1 станции вызывают движение воздушной среды в горизонтальном разгонном канале 4, формируя в нем воздушный поток, достигающий максимальной скорости в узкой части канала, где размещается ветровая турбина 5, соединенная с генератором электрического тока 6. Скорость воздушного потока, падающего на ветровую турбину 5, может находиться в диапазоне от десятков до сотен метров в секунду. В первом приближении, скорость воздушного потока в горизонтальном разгонном канале 4 кратна количеству вытяжных труб 1 в случае равенства их сечений.
Заявляемая ветровая электростанция обеспечивает получение электрической энергии в широком диапазоне мощностей. Каскад из систем воздушных каналов позволяет получить около 100 MW электрической энергии.
Размещение заявляемой модели ветроэлектрической станции у подножья южного склона низкогорного рельефа местности позволяет повысить мощность станции и при этом снизить себестоимость ее строительства, поскольку можно воздушные каналы 1 проложить вдоль склона под оптимальным углом для максимального использования и аккумулирования солнечного тепла, увеличить эффективную высоту вертикального воздушного канала, на вершине склона горизонтальный перенос воздушных масс происходит с большей скоростью, и все это способствует существенному увеличению кинетической энергии воздушного потока в горизонтальном разгонном канале.
Заявляемая модель станции может быть эффективной для получения электрической энергии за полярным кругом и на полюсе в дни летнего солнцестояния.
Заявляемая ветровая электростанция позволяет наряду с выработкой электроэнергии обеспечить эффективную вентиляцию рудников и шахт.