ВЕТРОТЕПЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ-НАКОПИТЕЛЬ
WIND-HEAT CONVERTER-ACCUMULATOR

Изобретение относится к нетрадиционной энергетике и может быть использовано для обеспечения бесперебойного теплоснабжения объектов от ветровой энергии.
Проблема создания системы стабильного теплоснабжения от возобновляемых источников энергии становится все более актуальной. Это объясняется не только постоянно растущей стоимостью традиционного теплоснабжения и подключения к теплосетям новых объектов, часто допускаемыми нарушениями режима отопления, подверженностью инженерных сетей всяким природным и техногенным воздействям, но и ухудшающейся экологической ситуацией.
При использовании установок, работающих на возобновляемых источниках энергии с их нестабильностью, возникают трудности с обеспечением бесперебойного энергоснабжения. И если вопросы стабильности электроснабжения (и то только при небольших потребностях) все-таки решаются с использованием электрических аккумуляторов, то с теплоснабжением в таких условиях проблемы несравнимо сложнее. Во всяком случае, пока не известны созданные комлексные агрегаты, преобразующие и одновременно накапливающие возобновляемую энергию в объеме, необходимом для надежного обогрева жилья и других более или менее крупных объектов.
Задачей настоящей разработки и является создание такого единого устройства, преобразующего ветровую энергию в тепловую с аккумулированием ее ресурса, достаточного для бесперебойного теплоснабжения указанных объектов.
При этом должны быть обеспечены полная безопасность и вместе с тем приемлемая комфортность при эксплуатации агрегата, предельно достижимая эффективность преобразования энергии как на первой ступени (ветровой в механическую), так и на второй (механической в тепловую) во всем расчетном интервале ветровых нагрузок.
Анализ технических решений, заложенных в известных самых разнообразных аналогах преобразователей первой ступени - ветроустановок роторного типа - позволяет сделать вывод о недостаточно высокой эффективности их работы: это относится, в частности, и к наиболее сходным по конструкции устройствам, описанным в следующих патентах.
Известна ветроэнергетическая установка, роторный ветрогенератор которой включает прикрепленные к несущему цилиндру и выполненные плоскими лопасти ротора ветротурбины, размещенного внутри неподвижной системы ветронаправляющих экранов в виде вертикальных отклоняющих пластин (RU №2390654, кл. F03D 3/04, 2010 г.).
Известен ветродвигатель, содержащий вращающуюся ветротурбину с вертикальной осью вращения, лопасти которой выполнены в виде аэродинамических профилей, где входная закругленная кромка лопасти расположена на большем расстоянии от оси вращения турбины, чем задняя заостренная кромка, при этом наружная грань лопасти образует оптимальный угол атаки с измененным направлением движения воздушного потока, и поворотные щиты, экранирующие лопасти, отличающийся тем, что профиль лопасти ветротурбины выполнен симметричным и образован двумя плавными кривыми различной степени кривизны одного знака, при этом ось симметрии проходит посредине длины профиля лопасти ветротурбины (RU №2267647, F03D 3/04, 2006 г.).
Известен ветродвигатель, содержащий вертикальный вал с прикрепленными к нему плоскими лопастями, механически связанный через зубчатое колесо и редуктор с электрогенератором, отличающийся тем, что вокруг лопастей между верхней и нижней плитами установлены ветронаправляющие стены, одни концы которых расположены у окружности, описывающей лопасти, а другие их концы отведены к периферии, причем противоположные концы соседних стен размещены по одной прямой линии, проходящей через вертикальный вал (RU №2237822, F03D 3/04, 2004 г.).
Известна ветроустановка, содержащая воздухозаборник с регулируемыми вертикальными лопатками, ветроколесо с лопастями, отличающаяся тем, что ветроколесо расположено внутри воздухозаборника, а его лопатки в сечении выполнены в виде полуокружности, концы которых прикреплены к верхнему и нижнему кольцам, нижнее из которых опирается на центрирующие ролики, выполненные с возможностью вращения со скоростью, большей скорости вращения ветрового колеса, и к осям которых подключены преобразователи энергии, а сверху и снизу ветроколеса расположены разрежители (RU №2168060, F03D 3/04, 2001 г.).
Наиболее близким техническим решением такого первичного преобразования энергии является конструкция ветродвигателя по патенту RU №2432493, F03D 3/04, 2011 г. и принятая по совокупности существенных признаков за прототип.
Это ветродвигатель карусельного типа, имеющий ветроколесо с вертикальной осью вращения и корпус, в котором размещено ветроколесо, отличающийся тем, что корпус снабжен конфузором и направляющим аппаратом с установленными в нем жалюзи, а также кольцевыми опорами, на которые опираются концы лопастей и их средние участки.
Не вдаваясь в подробный анализ несовершенств конструкции каждого из перечисленных устройств, отметим их общий самый существенный недостаток, а именно, низкий коэффициент использования энергии ветра. Это объясняется тем, что в в каждый момент времени в преобразовательном процессе задействовано только меньше половины от общего числа лопастей, остальные же не только бездействуют, но и создают потери энергии, работая в режиме вентилятора. Кроме того, такие ветроустановки не работают с постоянной, даже далеко не оптимальной эффективностью во всем диапазоне расчетных ветровых нагрузок. Для этого они не имеют механизма использования максимального и не зависимого от ветрового напора перепада скорости ветра на полезное преобразование в механическую энергию, от чего, в конечном счете, зависит КПД ветроустановки, так как значительная часть энергии уходит на выброс потока из рабочего пространства.
В заявляемом устройстве указанный недостаток сводится к минимуму за счет того, что в ветротепловом преобразователе-накопителе, имеющем корпус с конфузором, турбину с вертикальной осью и вторичный преобразователь энергии, согласно изобретению корпус выполнен в форме улитки, турбина - в виде усеченного конуса и оснащена желобчатыми лопастями, а выходной канал представлен раструбом, расположенным над корпусом турбины. При этом вторичным преобразователем является аэро- либо гидродинамический теплогенератор, лопасти которого имеют автоматически меняющийся угол наклона в зависимости от скорости ветра.
Корпус турбины в форме улитки – то есть с убывающим радиусом закругления стенки - превращает сжатый конфузором воздушный поток в вихревой, одновременно воздействующий на все лопасти турбины (знакопеременные нагрузки исключены).
Желобчатая форма лопастей при их определенной тангенциальной скорости реверсирует набегающий на каждую лопасть поток с иной - пониженной - скоростью, равной разности скоростей потока перед лопастью и ее окружной скоростью, а это значит, что при соотношении этих скоростей 1:0,5 повернутый поток будет иметь относительно лопасти скорость, близкую (по модулю) к скорости самой лопасти, то есть в абсолютном выражении - относительно корпуса - минимальную. При этом почти вся энергия данного потока передается лопасти.
Выполнение выходного канала в виде раструба имеет целью не только обеспечить самоориентацию конфузора в наветренную сторону, но и создание в выходном канале разрежения за счет энергии обтекающего его потока, что необходимо для лучшего удаления "отработанного" воздуха из турбины.
И, наконец, использование в качестве вторичного преобразователя аэро- либо гидродинамического теплогенератора с автоматически меняющимся углом наклона лопастей позволяет постоянно при любой скорости ветра поддерживать заданное соотношение скоростей воздушного потока и ротора турбины, чем обеспечивается работа агрегата в оптимальном режиме.
Устройство заявляемого преобразователя поясняется на чертежах, где на фиг. 1 показан общий вид агрегата, на фиг. 2 - горизонтальный разрез А-А.
Ветротепловой преобразователь-накопитель состоит из двух объединенных в общий комплекс устройств: роторного ветродвигателя и аэро- либо гидродинамического теплогенератора. При этом последний может быть совмещен с теплоаккумулятором.
Ветродвигатель имеет корпус 1 с конфузором 2, внутри корпуса, установленного на поворотной платформе 3, находится турбина 4, выполненная в виде усеченного конуса, с желобчатыми лопастями 5. Корпус 1 имеет в плане контур в виде улитки - примерно 3/4 витка спирали Архимеда, соединенной с направляющим аппаратом воздушного потока - конфузором 2. Боковые стенки 6 последнего установлены на шарнирах и подпружинены, а на другой стороне, примыкающей к улитке, имеются защелки, например магнитные.
К переходному колену 7 сверху корпуса 1 примыкает раструб 8, который, как и конфузор 2 - в целях облегчения конструкции - может быть выполнен в виде каркаса с оболочкой, закрепленной со стороны набегающего ветрового потока.
Вся эта конструкция расположена на портале 9, под которым сооружен теплоаккумулятор 10, теплопоглощающей средой, в котором могут быть твердые воздухопроницаемые материалы либо жидкость. Внутри теплоаккумулятора (или вне его) установлен теплогенератор 11, представляющий собой крыльчатку с изменяющимся углом наклона лопастей 12, кинематически связанную с валом турбины 4.
Один из простейших вариантов такого агрегата - с насыпным теплоаккумулирующим материалом - представлен на фиг. 1. В такой конструкции с рассчитанными размерами турбины 4 и теплогенератора 11 привод механизма изменения угла наклона лопастей 12 связан тягой 13 с датчиком 14 скорости ветра.
В нормальном режиме эксплуатации заявляемый преобразователь работает так. Ветровой поток, направляемый конфузором 2, входит в улитку корпуса 1 и, закручиваясь в сжимающемся вихре и воздействуя одновременно на все лопасти 5 турбины 4, передает последней свою энергию. Поскольку устройство автоматического регулирования нагрузки на турбину поддерживает в любой момент времени окружную скорость лопастей 5, примерно равную половине скорости самого вихревого потока, то каждый слой последнего, обтекая внутреннюю поверхность лопасти, должен бы покинуть ее с такой же ее скоростью, но практически в противоположном направлении, то есть с минимальной скоростью относительно внешнего пространства, в результате чего коэффициент использования энергии ветра оказывается максимальным. Но для удаления из турбины 4 по колену 7 отработавшего потока необходима определенная его скорость, которая создается разряжением в раструбе 8, но уже за счет дополнительной энергии обтекающего его ветрового потока. Кстати, этот раструб служит и флюгером для самоориентации ветроустановки, расположенной на поворотной платформе 3 портала 9.
Турбина 4 вращает теплогенератор 11 через полый вал, внутри которого проходит тяга 13 от датчика 14 скорости ветра до механизма установки угла наклона лопастей 12. При кратковременных перерывах ветра последние складываются в диск, нагрузка на турбине 4 исчезает и она продолжает вращение по инерции, сокращая время на свою раскрутку с возобновлением ветра. При запредельных ветровых нагрузках боковые стенки 6 конфузора 2, преодолевая силу защелок, раскрываются и переходят во флюгерное положение, но ветроустановка продолжает работу на уменьшенном фронте ветрового потока. В ближайшей ветровой паузе стенки 6 под действием пружин возвращаются и фиксируются защелками в исходном положении.
Теплогенератор 11 обеспечивает нагрев воздухопроницаемой массы теплоаккумулятора 10 подобно вентилятору в аэродинамической сушильной камере.
Такой же эффект достигается и в теплоаккумуляторах с жидкостным накопителем тепла, естественно, при сравнительно меньших размерах крыльчатки.
Использование ветротепловых преобразователей-накопителей позволит обеспечить стабильный обогрев помещений, а с применением более совершенных преобразователей тепловой энергии в электрическую освоить высокоэффективные, безопасные и экономически выгодные системы комплексного автономного энергоснабжения различных объектов от возобновляемых источников энергии.