Ветроэнергетическая установка напорно-вытяжного действия

Полезная модель относится к области энергетики и предназначена для извлечения электрической энергии из ветра.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветровое колесо с лопастями, ось вращения которого совпадает с направлением ветра, мачту, в верхней части которой посредством подшипникового узла закреплен вал ветрового колеса, и закрепленную с возможностью поворота на мачте платформу с регулирующими номинальную скорость вращения ветрового колеса генераторами электрической энергии, при этом ветровое колесо представляет собой смонтированную на его валу форменную конструкцию, включающую кинематически связанный с генераторами обод колеса, радиальные элементы, расположенные между ободом и ступицей колеса, осевые элементы, стропила для закрепления тех концов лопастей, что расположены ближе к ободу, и поперечные элементы, на которых совместно с радиальными элементами закреплены лопасти, отличающаяся тем, что радиальные элементы проходят посередине вдоль лопастей и закреплены в ступице так, что общая площадь поверхности всех лопастей превышает площадь описываемого лопастями при вращении колеса круга [Патент RU №72512, 2007].
Недостатки аналога: сложная конструкция, громоздкость и тихоходность.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является ветроэнергетическая установка напорно-вытяжного действия, состоящая из ветрового колеса, вала и генератора, отличающаяся тем, что ветровое колесо расположено в сопле, заключенном в звукопоглощающую камеру корпуса вытяжной трубы, на которой сверху установлена насадка и имеются регулировочно-предохранительные клапаны, а в нижней части находится напорная камера, за которой расположены ветроприемники с направляющими лопатками, с внешними и внутренними шторками [Патент RU №2095619, F03D, 1/04, 1995]..
Недостатки прототипа: сложная конструкция, громоздкость и тихоходность.
Техническая проблема заключается в том, использование ветровых колес связано с тремя недостатками: низкий коэффициент полезного действия, большой диаметр ветрового колеса и шумовые помехи в зоне установки ветровой электростанции.
Технический результат, на достижение которого направлено данная полезная модель, заключается в упрощении конструкции путем замены громоздкой стационарной вытяжной трубы на гибкий трубопровод, у верхнего конца которого установлена насадка, выполненная в виде гибкой цилиндрической оболочки заполненной газом, плотность которого меньше плотности воздуха, а нижний конец гибкого трубопровода крепится к диффузору напорной камеры и в использовании вибрирующего в воздушном потоке цилиндра-привода вместо ветрового колеса.
Для достижения указанного технического результата в ветроэнергетической установке напорно-вытяжного действия, содержащей привод, обмотку, магнитную систему генератора, вытяжную трубу, сверху которой установлена насадка и снизу напорная камера, причем привод выполнен в виде подпружиненного пустотелого цилиндра с горизонтальной осью и установлен в напорной камере с возможностью вертикальных возвратно-поступательных перемещений, обмотка выполнена поверх двухполюсного постоянного магнита и несколько обмоток, параллельно соединенных между собой, размещено в немагнитном прямоугольном коробе, который установлен в центре пустотелого цилиндра с возможностью перемещения вдоль горизонтальных направляющих, закрепленных в боковых стенках напорной камеры, магнитная система выполнена в виде нескольких двухполюсных постоянных магнитов стационарно установленных в полости пустотелого цилиндра с зазором у боковых сторон немагнитного прямоугольного короба, так что в зазорах полюса постоянных магнитов совпадают с полюсами постоянных магнитов обмотки, вытяжная труба выполнена в виде гибкого трубопровода и прикреплена к тросу, насадка выполнена в виде гибкой цилиндрической оболочки, внутри которой размещен тройник, два патрубка которого соединены с окнами, выполненными на боковой поверхности гибкой цилиндрической оболочки, а нижний патрубок соединен с верхним концом гибкого трубопровода, остальное пространство гибкой цилиндрической оболочки заполнено газом, плотность которого меньше плотности воздуха, на основаниях гибкой цилиндрической оболочки прикреплены стабилизаторы, так что плоскости стабилизаторов составляют с общей осью окон угол 90°, нижний конец гибкого трубопровода крепится к диффузору напорной камеры.
Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше, наиболее близкого к нему, является то, что привод выполнен в виде подпружиненного пустотелого цилиндра с горизонтальной осью и установлен в напорной камере с возможностью вертикальных возвратно-поступательных перемещений, обмотка выполнена поверх двухполюсного постоянного магнита и несколько обмоток, параллельно соединенных между собой, размещено в немагнитном прямоугольном коробе, который установлен в центре пустотелого цилиндра с возможностью перемещения вдоль горизонтальных направляющих, закрепленных в боковых стенках напорной камеры, магнитная система выполнена в виде нескольких двухполюсных постоянных магнитов, стационарно установленных в полости пустотелого цилиндра с зазором у боковых сторон немагнитного прямоугольного короба, так что в зазорах полюса постоянных магнитов совпадают с полюсами постоянных магнитов обмотки, вытяжная труба выполнена в виде гибкого трубопровода и прикреплена к тросу, насадка выполнена в виде гибкой цилиндрической оболочки, внутри которой размещен тройник, два патрубка которого соединены с окнами, выполненными на боковой поверхности гибкой цилиндрической оболочки, а нижний патрубок соединен с верхним концом гибкого трубопровода, остальное пространство гибкой цилиндрической оболочки заполнено газом, плотность которого меньше плотности воздуха, на основаниях гибкой цилиндрической оболочки прикреплены стабилизаторы, так что плоскости стабилизаторов составляют с общей осью окон угол 90°, нижний конец гибкого трубопровода крепится к диффузору напорной камеры.
Благодаря наличию этих признаков применение предлагаемого устройства позволит упростить конструкцию привода генератора и вытяжной трубы и снизить капитальные и эксплутационные затраты.
Предлагаемое устройство - ветроэнергетическая установка напорно-вытяжного действия иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка напорно-вытяжного действия.
На фиг. 2 - поперечный разрез А-А по окнам гибкой цилиндрической оболочки.
На фиг. 3 - план напорной камеры (разрез - вид по В-В).
На фиг. 4 - поперечный разрез С-С входа в напорную камеру.
На фиг. 5 - поперечный разрез D-D подпружиненного цилиндра-привода.
Ветроэнергетическая установка напорно-вытяжного действия размещена на открытой площадке и включает: напорную камеру 1 с диффузором 2, гибкий трубопровод 3, гибкую цилиндрическую оболочку 4, заполнено газом 5, плотность которого меньше плотности воздуха, стабилизаторы 6 в виде пластин в форме полуокружностей, окна 7 на боковой поверхности гибкой цилиндрической оболочки 4, трос 8 и груз 9 на земле 10. Стрелкой 11 обозначено направление ветра. Стрелкой 12 обозначено направление движения воздуха в гибком трубопроводе 3 (фиг. 1 и 2). Напорная камера 1 имеет входное 13 прямоугольное поперечное сечение (фиг. 4), в боковых стенках которой выполнены ниши 14, предназначенные для размещения цилиндра-привода 15, а выходное прямоугольное сечение напорной камеры 1 соединено с диффузором 2 (фиг. 3). Цилиндр-привод 15 на боковой поверхности имеет консоли 16 с отверстиями 17 для прохода стержня 18, на который насажена жесткая пружина 19. Стержни 18 крепятся к нижним балкам 20, а верхние балки 21 могут демонтироваться в период установки цилиндра-привода 15 в рабочее положение. В полости цилиндра-привода 15 в зоне консолей 16 крепятся консоли-ниши 22, в которых с интервалом по длине цилиндра-привода 15 размещены постоянные двухполюсные магниты 23 (фиг. 5). В боковых стенках напорной камеры 1 в зоне ниш 14 выполнены отверстия 24 прямоугольного поперечного сечения с направляющими 25 для установки внутрь цилиндра-привода 15 немагнитного короба 26 прямоугольного поперечного сечения, в котором с интервалом по длине цилиндра-привода 15, равным интервалу размещения консолей-ниш 22, установлены постоянные двухполюсные магниты 27, поверх которых намотаны обмотки 28, соединенные параллельно. У боковых стенок немагнитного прямоугольного короба 26 имеются зазоры 29, в которых полюса постоянных двухполюсных магнитов 22 цилиндра-привода 15 совпадают с полюсами постоянных двухполюсных магнитов 27 обмоток 28. На фиг. 5 пунктирной линией показано вертикальное смещение цилиндра-привода 15 в процессе обтекания его течением воздуха в напорной камере 1.
Работа ветроэнергетической установки напорно-вытяжного действия осуществляется следующим образом. При направлении ветра 11 происходит обтекание контура гибкой цилиндрической оболочки 4, заполненной газом 5.
Гибкая цилиндрическая оболочка 4 удерживается на месте при помощи троса 8, прикрепленного к грузу 9 на земле 10. Под действием ветра стабилизаторы 6 устанавливаются торцами в направлении 11. Поток воздуха срывается в местах окон 7, вызывая понижение давления в этих зонах, что приводит к засасыванию воздуха из гибкого трубопровода 3 в направлении 12. Этот воздух поступает через входное прямоугольное сечение 13 напорной камеры 1 и далее увеличивает свою скорость в диффузоре 2 и поступает в гибкий трубопровод 3 и через окна 7 выходит в атмосферу. Этому процессу способствуют следующие факторы: теплый воздух у земли имеет температуру выше, чем на высоте (100 и более метров) и поэтому будет стремиться вверх; на высоте воздух разряжен и потому направление воздуха в гибком трубопроводе 3 будет снизу вверх. В напорной камере 1 в нишах 14 размещен полый цилиндр-привод 15, который установлен с возможность возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскость при обтекании его контура течением воздуха. Известно, что с контура цилиндра поочередно срываются вихри, образуя дорожку Кармана [Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя, «Наука», 1974]. В момент отрыва вихря образуется сила, которая направлена по линии диаметра цилиндра в направлении к противоположной точке на контуре цилиндра. При образовании вихря сверху цилиндра-привода 15 эта сила сместит его вниз. Нижние пружины 19 сожмутся, а затем разожмутся и цилиндр-привод 15 переместится вверх. При срыве вихря с нижней кромки цилиндра-привода 15 картина повторится в обратном направлении. Таким образом, цилиндр-привод 15 будет совершать колебательные движения в вертикальной плоскости. Конструктивные элементы: консоли 16, отверстия 17, стержни 18, жесткая пружина 19, нижняя балка 20, верхняя балка 21 обеспечивают и поддерживают это колебательное движение цилиндра-привода 15. Вместе с цилиндром-приводом 15 совершают колебания и постоянные двухполюсные магниты 23, установленные в консолях-нишах 22. Эти колебания совершаются в зазоре 29 перед постоянными двухполюсными магнитами 27, установленными в немагнитном коробе 26, которые вводятся в полость цилиндра-привода 15 через отверстия 24 по направляющим 25. При вертикальных возвратно-поступательных колебаниях в обмотке 28 периодически возбуждается электрический ток. Этот ток увеличивается за счет параллельного соединения всех обмоток 28.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволит значительно упростить конструкцию.