Ветроулавливающее и ветросоздающее гелиоаэродинамическое многофункциональное устройство (ВВГМУ)
WIND-CATCHING AND WIND-PRODUCING HELIO-AERODYNAMIC MULTIFUNCTIONAL DEVICE (WWHMD)

Изобретение относится к области строительства, гелио-, ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования ветровой и солнечной энергии в электрическую с одновременным созданием в подэкранном пространстве, с использованием пространственного купольного покрытия, комфортного микро- и экоклиматического режима воздушной среды, инсоляционного, светового и аэрационного режима в помещениях зданий, возводимых в районах с теплым климатом.
Изобретение относится также к ветроэнергетике и может быть использовано при создании установок с ветродвигателями с вертикальной осью вращения, в частности, при создании аэродинамических гелиостанций.
Вопросы использования нетрадиционных источников (ветровой и солнечной) энергии являются одной из актуальнейших народнохозяйственных проблем, от рационального решения которых зависит качество современных и будущих зданий и городов.
В районах с теплым климатом значительная интенсивность солнечной радиации в сочетании с высокими летними температурами, большой вероятностью продолжительных ясных солнечных дней и малой подвижностью и влажностью воздуха приводит к перегреву среды, помещений зданий и территории городской застройки. В этих условиях формируется высокий уровень температурно-радиационного нагрева деятельного слоя зданий, и создаются значительные тепловые нагрузки на организм человека, при которых существенно понижается работоспособность и производительность физического и, особенно, умственного труда, а при экстремальных летних термических условиях возникает угроза перегрева организма, возрастает процент смертности в целом и, особенно, у детей.
Наиболее близким к заявленному изобретению аналогом является «Гелиоветровая энергетическая установка» (патент РФ на изобретение №2187693).
Недостатком данной энергоустановки является сложность конструкции, за счет использования гелиосистем, которая выражается только в получении энергии, а также в ограниченности его функционального назначения.
Цель изобретения - получение энергии от природных возобновляемых источников, создание комфорта микро- и экоклимата в подкупольном пространстве с соблюдением требований норм по инсоляции и освещенности, защиты от внешнего шума, пыли и атмосферных осадков.
Данная цель достигается тем, что ВВГМУ, содержащее турбогенератор 4, установленный на верхней отметке вертикального ствола башни купола, от восходящего в результате набегающего воздушного потока извне и конвективного потока формирующегося изнутри в результате нагрева оболочковой поверхности башни купола 1 при инсоляции, приходит в работу.
Ветроагрегат-турбогенератор ВВГМУ работает регулярно, беспрерывно, независимо от факторов погодных условий, с максимальным КПД в ветреные и солнечные дни при активном нагреве оболочки купола 1. Направляющий жалюзийный экран 2, предусмотренный по нижнему контуру оболочки выполняет роль улавливающего и направляющего, набегающего извне ветрового потока во внутреннее пространство, предназначенного также для регулирования режима инсоляции, естественного освещения, пыле-, шумозащиты и защиты от осадков внутренней части зданий и построек. Внутренний армоцементный экран 3 предназначен для защиты подкупольного застраиваемого пространства от излученной радиации покрытия купола 1 при ее нагреве от инсоляции. Опорные колонны 5 служат для восприятия нагрузок от всей конструкции. Соединительные перемычки 6 предназначены для крепления внутреннего экрана 3 к радиальным ребрам оболочки купола. Развивающаяся к верху коническая форма купола также способствует образованию локальных конвективных ветров снаружи покрытия купола 1.
ВВГМУ, может иметь круглую, овальную, эллиптическую и многоугольную форму в плане.
Конструкция ВВГМУ представлена на чертеже. ВВГМУ состоит из турбогенератора 4, установленного на верхнем уровне вертикального ствола башни купола, содержащую железобетонную армоцементную оболочку купола 1 с радиальными ребрами и внутренний железобетонный армоцементный куполообразный экран 3, которые прикреплены между собой в местах ребер верхнего и нижнего уровня купольного сооружения железобетонными перемычками круглого сечения 6. По нижнему поясу оболочки купола предусмотрены железобетонные армоцементные жалюзийные пластины 2, вписывающиеся в форму оболочки купола, прикрепленные между собой и с оболочкой купола железобетонными перемычками в радиальных ребрах купола. Радиальные ребра оболочки купола, жестко соединяются с опорными стойками 5 и создают на нижнем уровне устройства над землей свободное пространство.
Радиальные ребра служат для придания к пространственной купольной конструкции (в целом гладкой и жалюзийной части) надежность (устойчивость, прочность и жесткость) в эксплуатации.
Жалюзийные пластины 2 стационарные, вписываются в форму оболочки купола.
ВВГМУ работает следующим образом. При солнечном облучение пространственного теплоемкого гладкого покрытия оболочки купола и периметриально размещенного по нижней части купола жалюзи, выполненные из армоцемента толщиной 60-80 мм, покрытие купола в целом нагревается и в подэкраном пространстве активизируется восходящий конвективный поток воздуха. К конвективному потоку накладывается набегающий фоновый ветровой поток направляющий жалюзями вписанные в форму покрытия купола. В результате, общий воздушный поток воздуха на верхнем конце вытяжной башни купола приводит в работу турбогенератор с вертикальной осью вращения.
Энергия, производящаяся при работе турбогенератора, может использоваться преимущественно для работы инженерных систем, зданий и сооружений подкупольного пространства, избыточная затрачивается для других нужд.
Технический результат, заключающийся в повышении эффективности гелиоаэродинамического устройства, обеспечивается за счет «эффекты трубы», сужающегося по вертикали аэродинамического устройства, содержащего конической формы вытяжную башню, образующую вертикальный рабочий восходящий поток воздуха за счет набегающего извне фонового ветрового потока и конвективного потока изнутри, формирующегося при обогреве оболочки купола при инсоляции. Турбогенератор, расположенный на верхнем уровне оси ствола в зоне рабочего потока вытяжной башни купола, использующий восходящий воздушный поток плоскости, перпендикулярной оси суженной части конца башни купола.
ВВГМУ имеет коническую форму в объеме пространственный купол на опорных колоннах, устраиваемый над различными объемно-пространственными структурами - зданиями, центрами обслуживания, торговыми точками, городскими административными центрами, промышленными зданиями и пр., который позволяет осуществить затенение подкупольного пространства, обеспечивая норму продолжительности инсоляции и освещения, проветривания набегающим динамическим ветром и местным ветром конвективного происхождения. При этом формирующиеся вертикальная аэродинамическая тяга в подкупольном пространстве с максимальной скоростью на выходе верхней отметке башни купола эффективно используется для получения энергии. Данный пространственный экран предназначается для формирования микроклимата, также для защиты подкупольного пространства от атмосферных осадков, внешнего шума и пыли. Внутренняя аэродинамика способствует сохранению экологического комфорта внутреннего подкупольного пространства.
Предлагаемое решение ВВГМУ позволяет повысить эффективность работы установки за счет увеличения скорости рабочего потока на верхнем уровне вытяжной башни купола в результате прямого и рассеянного солнечного излучения оболочкового покрытия купола, а также за счет набегающего извне фонового ветрового потока.
Экономический эффект от применения ВВГМУ состоит:
- в использовании нетрадиционных источников энергии ветра и солнца для получения КПД устройства в производстве электроэнергии;
- в экономии энергии при использовании систем кондиционирования и отопления зданий;
- в социально-оздоровительном эффекте, основывающимся на формировании комфортного микро- и экологической среды обитания человека.