Вихревой концентратор воздушного потока
VORTEX AIR FLOW CONCENTRATOR

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам с осью вращения, перпендикулярной направлению ветра, снабженным ветронаправляющими элементами, не требующим дополнительного оборудования для ориентации на ветер, и может найти применение как для получения электроэнергии в промышленных масштабах, так и для автономного энергоснабжения.
Из существующего уровня техники известен проект ветроэнергетической установки «Wind Tower» компании ZENA System Co., Ltd. (Япония). Постоянный адрес проекта в интернете: http://www.zenasystem.co.jp/en/wind-tower01.html. Концентратор воздушного потока данной установки выполнен в виде шестигранной башни, разделенной вертикальными перегородками на шесть секторов, соединенных с центральным воздуховодом (на схеме обозначенный как «wind tunnel»). Каждый такой сектор является конфузорным концентратором воздушного потока с выходом ускоренного потока в центральный воздуховод, подводящий поток к турбине, расположенной на земле.
Основным конструктивным недостатком концентратора воздушного потока данной установки, как и многих других установок, в которых используются конфузорные сектора для концентрации воздушного потока, является переход конфузорных секторов в протяженный воздуховод большого объема, подводящий воздушный поток к турбине. Согласно схеме установки одновременно улавливать ветер могут не более двух секторов башни. Попадая из данных секторов в центральный воздуховод, воздушный поток оказывается в зоне расширения и, как в диффузоре, замедляется, а поскольку у воздушного потока, попавшего в воздуховод нет явно выраженного направления движения - после передачи своей энергии турбине он создает «подпирающее» давление в воздуховоде, сводя на нет работу концентратора - конфузорных секторов.
Второй недостаток связан с взаимодействием двух соседних потоков, попадающих в центральный воздуховод, что приводит к возникновению турбулентностей, снижающих скорость воздушного потока.
Третий существенный недостаток - протяженный воздуховод с изгибами и отверстиями в местах соединений с конфузорными секторами, который становится источником дополнительного трения и турбулентностей, что еще больше замедляет воздушный поток на участке перед турбиной.
Все эти факторы снижают эффективность концентратора воздушного потока данной установки.
Другим техническим решением, предлагающим не только концентрацию воздушного потока, но и придание ему (воздушному потоку) вращательного движения, совмещенного с поступательным движением в сторону турбины, является концентратор вихревой ветроэнергетической установки «Ялынка», патент Российской Федерации №2285149 от 10.10.2006 г.
Концентратор воздушного потока указанного изобретения состоит из центрального воздуховода, подводящего закрученный поток к турбине (на верхнем конце воздуховода), и подсоединенных к нему ярусов спиралевидных конфузоров-концентраторов воздушного потока, охватывающих центральный воздуховод. Размеры конфузоров уменьшаются с каждым ярусом к вершине концентратора.
Недостатками концентратора воздушного потока данной ветроэнергетической установки являются:
Во-первых, как и у вышеописанного концентратора ветроэнергетической установки «Wind Tower», неизбежное замедление воздушного потока при попадании из конфузоров в протяженный центральный воздуховод с потерей энергии вращения;
Во-вторых, сложность конструкции;
В-третьих, уменьшающаяся площадь входных отверстий конфузорных каналов к вершине установки, где скорость ветра выше и более постоянна. Данное решение может быть использовано при высоте установки до 10-15 м, когда можно не учитывать рост скорости ветра с высотой и не идет речь о получении электроэнергии в промышленных масштабах;
В-четвертых, сложность технического обслуживания турбины из-за затрудненного доступа.
Преимуществом концентратора вихревой ветроэнергетической установки «Ялынка» относительно предыдущего концентратора ветроэнергетической установки («Wind Tower») является придание воздушному потоку в центральном воздуховоде вращения и направленного движения к турбине, что обеспечивает снижение турбулентности и повышает эффективность передачи энергии ветра турбине.
В свою очередь, идея разместить на земле турбину и генератор в «Wind Tower» лучше по сравнению с решением, представленным у ветроэнергетической установкой «Ялынка», т.к. это облегчает доступ к силовой установке, а значит, и удешевляет техническое обслуживание и ремонтные работы.
Общим недостатком всех технических решений, использующих для концентрации воздушного потока закрытые конфузорные каналы, особенно с протяженными воздуховодами, является то, что они не учитывают замедление потока после передачи его энергии лопастям турбины и создания подпирающего давления, которое сводит на нет работу конфузора.
Заявленное изобретение направлено на решение технической задачи, связанной с сокращением протяженности тракта передачи энергии ветра от входа в концентратор до турбины с одновременным сокращением конструктивных элементов, с увеличением площади захвата воздушного потока с ростом высоты, со сведением к минимуму отрицательного эффекта замедления воздушного потока после передачи части энергии турбине.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленный вихревой концентратор воздушного потока состоит из ветронаправляющих элементов, у которых выходная кромка корневой части одного ветронаправляющего элемента обращена к входной кромке корневой части следующего ветронаправляющего элемента, образуя окруженную ветронаправляющими элементами рабочую зону, при этом закрутка ветронаправляющих элементов от корневых частей к концевым частям разворачивает выходные кромки и наклоняет ветронаправляющие элементы к указанной рабочей зоне вихревого концентратора. При этом ветронаправляющие элементы могут быть выполнены с аэродинамическим профилем, кроме того, со стороны концевых частей ветронаправляющих элементов вихревой концентратор может быть закрыт, а со стороны корневых частей ветронаправляющих элементов вихревого концентратора может быть расположен дефлектор, а сам вихревой концентратор может быть расположен на опорах.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является то, что вихревой концентратор, состоящий из нескольких однотипных ветронаправляющих элементов, благодаря их форме и взаимному расположению обеспечивает движение захваченного воздушного потока по спирали с коротким трактом от места входа в вихревой концентратор воздушного потока до лопастей турбины без воздуховода и каких-либо закрытых конфузорных каналов.
Площадь захвата воздушного потока увеличивается от корневых частей к концевым частям, что позволяет эффективнее использовать энергию воздушных потоков с ростом высоты.
Отсутствие закрытых конфузорных каналов и воздуховодов предотвращает образование областей повышенного (подпирающего) давления в рабочей зоне после передачи части энергии воздушного потока турбине.
Изобретение поясняется рисунком, который не охватывает и, тем более, не ограничивает весь объем притязаний данного технического решения, а является лишь иллюстрирующим материалом частного случая выполнения.
На рисунке показан общий вид вихревого концентратора с пятью ветронаправляющими элементами.
Вихревой концентратор состоит из ветронаправляющих элементов 3, корневые части 5 которых расположены последовательно таким образом, что выходная кромка 2 корневой части 5 одного ветронаправляющего элемента 3 обращена к входной кромке 4 корневой части 5 следующего ветронаправляющего элемента 3, окружая рабочую зону 6. На рисунке показан частный случай, когда выходная кромка 2 корневой части 5 одного ветронаправляющего элемента 3 примыкает к входной кромке 4 корневой части 5 следующего ветронаправляющего элемента 3. Закрутка каждого ветронаправляющего элемента 3 от корневой части 5 к концевой части 1 разворачивает выходную кромку 2 и наклоняет ветронаправляющий элемент 3 к рабочей зоне 6 вихревого концентратора. Так как положение выходной кромки 2 корневой части 5 фиксировано взаимным расположением выходных 2 и входных 4 кромок корневых частей 5 ветронаправляющих элементов 3, определенным выше, разворот выходной кромки 2 получается не одинаковым, а увеличивается от корневой части 5 к концевой части 1. Поэтому наклон к рабочей зоне 6 также получается не одинаковым, а увеличивается при продвижении от входной кромки 4 к выходной кромке 2. На рисунке хорошо видно, что с ростом высоты увеличивается расстояние между крайними точками вихревого концентратора на ветронаправляющих элементах 3 с наветренной стороны, для которых соблюдается условие: вектор, направленный из данной точки по касательной к горизонтальному сечению ветронаправляющего элемента 3 внутрь концентратора, образует с вектором набегающего потока воздуха отложенного от той же точки угол меньше 90°. Это означает, что площадь захвата воздушного потока увеличивается от корневых частей к концевым частям.
Вихревой концентратор может быть изготовлен следующим образом.
Для промышленного использования вихревого концентратора ветронаправляющие элементы 3 могут быть возведены на предварительно установленных железобетонных опорах по технологии монолитного строительства тонкостенных железобетонных сооружений с помощью «скользящей» или «переставной» опалубки. Со стороны концевых частей 1 вихревой концентратор может закрываться легкой куполообразной крышей на металлическом каркасе, защищающей установку от внешних воздействий, на которой также могут быть установлены солнечные батареи.
Для автономного энергоснабжения материалом для ветронаправляющих элементов 3 может быть выбран стеклопластик сформованный методом пултрузии, либо натянутый на каркасе материал. В этом случае опорами могут служить стальные конструкции.
Работа вихревого концентратора осуществляется следующим образом.
Набегающий воздушный поток захватывается ветронаправляющими элементами 3, которые направляют его в рабочую зону 6. ветронаправляющие элементы 3 меняют направление первоначального вектора воздушного потока таким образом, что в каждой точке его можно разложить на две составляющие:
- вертикальную, направленную от концевых частей 1 к корневым частям 5 ветронаправляющих элементов 3 вихревого концентратора;
- горизонтальную, являющуюся фактически линейной скоростью вращающегося воздушного потока внутри вихревого концентратора в этой точке.
Горизонтальная составляющая используется для непосредственной передачи энергии вращения воздушного потока лопастям турбины, а вертикальная составляющая для беспрепятственной транспортировки воздушного потока через рабочую зону 6 вихревого концентратора после передачи энергии турбине.
Установка дефлектора со стороны корневых частей 5 вихревого концентратора способствует поддержанию величины вертикальной составляющей воздушного потока после передачи энергии лопастям турбины.
Придание ветронаправляющим элементам 3 аэродинамического профиля позволяет задействовать эффект Коанда, когда воздушный поток, двигаясь по внешней стороне аэродинамического профиля, как бы «прилипает» к ней и старается следовать вдоль этой поверхности даже после точки перегиба профиля, тем самым еще больше увеличивается площадь захвата воздушного потока.