ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Заявляемое изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к устройствам для преобразования энергии ветра и восходящих воздушных потоков, протекающих в вертикальных трубах, в электрическую или механическую энергию.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая используемую в качестве генератора воздушной тяги вертикальную трубу, сформированную из следующих одна за другой секций: установленной на фундаменте нижней конфузорной части с проемами для захода воздуха; средней цилиндрической части и верхней диффузорной части; а также размещенные в средней цилиндрической части трубы турбина и связанный с ней электрогенератор (авторское свидетельство СССР №1134771, приоритет от 09.04.1981 г., опубл. 15.01.1981 г., бюл. №2).
Эта известная установка позволяет увеличить свою мощность за счет увеличения скорости воздуха, поступающего в конфузорную часть трубы через ее проемы.
Недостатком этой известной ветроэнергетической установки является ее ненадежность, вызываемая нестабильностью скорости ветрового потока над устьем ее трубы, создающего непостоянную во времени разницу давления воздуха на входе-выходе трубы, обуславливающую нестабильность воздушной тяги в трубе, нестабильность ее мощности, нестабильность работы установки в целом, и, как следствие, нестабильность нагрузки на турбину и электрогенератор, понижающую их надежность и срок службы, а также надежность и срок службы ветроэнергетической установки в целом. При этом используемая в этой установке вертикальная труба не обеспечена узлом, надежно удерживающим ее по высоте, поэтому она не может иметь большую, требующую ее надежной устойчивости, высоту.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является ветроэнергетическая установка, содержащая вертикальную трубу, сформированную из следующих одна за другой секций: установленной на фундаменте нижней конфузорной секции с проемами для захода воздуха, а также средней цилиндрической и верхней диффузорной секций; турбину и электрогенератор, размещенные в средней цилиндрической секции трубы, а также дефлектор с патрубком, расположенный над ее выходным устьем трубы (Патент на полезную модель №96401, приоритет от 09.02.2010 г., опубл. 27.07.2010 г., бюл. №21).
Эта наиболее близкая к заявляемому изобретению ветроэнергетическая установка позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра и, как следствие, эффективность этой установки.
Недостатком этой наиболее близкой ветроэнергетической установки, тем не менее, является ее неэффективность, вызываемая нестабильностью скорости ветрового потока над устьем ее трубы, создающего непостоянную во времени разницу давления воздуха в зоне расположения турбины и обуславливающего нестабильность тяги в трубе и, как следствие, нестабильность нагрузки на турбину и электрогенератор, понижающую их надежность, а также надежность ветроэнергетической установки в целом. При этом, используемая в этой установке вертикальная труба также как и известная, приведенная выше установка, не обеспечена узлом, надежно удерживающим ее по высоте, поэтому она не может иметь большую, требующую ее надежной устойчивости, высоту.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении надежности конструкции стабилизированием мощности воздушного потока в трубе, обеспечивающим в ней стабильно мощную вертикальную тягу, способствующую удержанию трубы в устойчивом вертикальном положении, а также стабилизированию нагрузки на турбину и связанный с ней электрогенератор, и, кроме того, упрочнением конструкции в целом за счет охвата ее трубы силовым, удерживаемым тросовой системой, каркасом, сформированным в несущую башню.
Указанный технический результат достигается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая вертикальную трубу, сформированную из следующих одна за другой секций: установленной на фундаменте нижней конфузорной секции с нагревательным элементом и с проемами для захода воздуха, средней цилиндрической и верхней диффузорной секций, турбину и электрогенератор, размещенные в средней цилиндрической секции трубы, а также дефлектор с патрубком, расположенный над выходным устьем трубы, … дополнительно снабжена профилированными элементами, охватывающими секции трубы и формирующими в сборе закрепленную на фундаменте несущую секционно-сборную решетчатую башню, являющуюся силовым каркасом установки; тросами, связывающими центральную часть несущей башни с фундаментом, регулятором скорости выходящего из трубы воздушного потока, выполненным в форме дискового кольца с управляемыми сервоприводом подвижными сегментами и установленным в устье диффузорной секции трубы с закреплением к профилированным элементам, охватывающим диффузорную секцию трубы, датчиком скорости потока воздуха, установленным в средней цилиндрической секции трубы перед турбиной, блоком управления, связанным с сервоприводом регулятора скорости воздушного потока, выходящего из трубы, и с датчиком скорости потока воздуха, а также конфузорными вставками, установленными в воздушных проемах нижней конфузорной секции трубы, при этом, турбина имеет лопасти и вал, установленный в подшипниках, закрепленных к профилированым элементам средней секции несущей башни, и связанный с валом электрогенератора, а секции трубы выполнены разъемными и скрепляемыми между собой и с секциями несущей башни, при этом, труба установлена на фундаменте с возможностью расположения ее выходного устья на высоте 50-150 м, причем дефлектор закреплен к профилированным элементам несущей башни.
Включение в работу ветроэнергетической установки нагревательного элемента, размещенного в конфузорной части аэродинамической трубы, позволяет с его помощью подогревать окружающий его входящий воздушный поток, который, ускоряясь, поднимается к турбине, увлекая за собой основной воздушный поток воздуха, поступивший в конфузорную секцию трубы, позволяя, тем самым, дополнительно увеличить эффективность работы турбины.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Ветроэнергетическая установка в сборе, аксонометрия;
Фиг. 2 - Вид А на фиг. 1.
Фиг. 3 - Вид В на фиг. 1.
Фиг. 4 - Регулятор скорости потока в полностью открытом положении;
Фиг. 5 - Регулятор скорости потока в промежуточном положении;
Фиг. 6 - Регулятор скорости потока в крайне-закрытом положении.
Ветроэнергетическая установка содержит:
- Вертикальную трубу 1 (фиг. 1), сформированную из следующих одна за другой секций: установленной на фундаменте 2 нижней конфузорной секции 3 с проемами 4 и установленными в них с ориентацией в сторону устья трубы конфузорными вставками 5 (фиг. 2), а также средней цилиндрической 6 (фиг. 1) и верхней диффузорной 7 секций. При этом, по своей высоте труба 1 рассчитана с учетом расположения ее выходного устья на высоте 50-150 м в зависимости от широты места ее установки, т.е. в прилегающем к земной поверхности слое атмосферы, характеризующегося высокой плотностью воздуха и стабильной скоростью ветра.
- Несущую секционно-сборную решетчатую башню 8 из профилированных элементов 9, охватывающих секции трубы 1.
- Турбину 10 (фиг. 3) с валом 11, установленным в подшипниках 12, закрепленных с помощью кронштейнов 13 на профильных элементах 9 средней секции 6 несущей башни 8.
- Электрогенератор 14, связанный с валом 11 турбины 10.
- Дефлектор 15 с патрубком 16, расположенный над выходным устьем трубы 1.
- Регулятор скорости потока воздуха 17, выходящего из трубы 1, выполненный в виде дискового кольца с подвижными, управляемыми сервоприводом 18, сегментами 19 и установленного в устье диффузорной секции 7 трубы 1 с закреплением к профилированным элементам 9 несущей башни 8, охватывающим эту диффузорную секцию 7 трубы 1.
- Тросы 20 (фиг. 1), связывающие среднюю секцию 6 несущей башни 8 с фундаментом 2.
- Датчик скорости потока воздуха 21, установленный в средней цилиндрической секции 6 трубы 1 перед входом потока воздуха в турбину 10.
- Блок управления 22 (фиг. 2), связанный и с сервоприводом 18 регулятора скорости воздушного потока 17, выходящего из трубы 1, и с датчиком скорости потока воздуха 21;
- Нагревательный элемент 23 установленный на фундаменте 2 в конфузорной секции 3 трубы 1.
Ветроэнергетическую установку монтируют следующим образом.
Вначале на установленном горизонтально сборочном стапеле (не показан), состоящем из трех секций, соответствующих секциям несущей башни 8, собирают нижнюю секцию несущей башни 8 из профилированных элементов 9 для охвата ею конфузорной секции 3 трубы 1. Затем в нее монтируют изготовленную в заводских условиях конфузорную секцию 3 трубы 1, оснащенную конфузорными вставками 5, установленными в ее проемах 4 с ориентацией в сторону устья трубы, и стягивают профилированные элементы 9 несущей башни 8 между собой, скрепляя, таким образом, секции башни 8 и трубы 1 друг с другом.
После этого на этом стапеле производят сборку средней секции несущей башни 8 из профилированных элементов 9, предназначенной для охвата средней секции 6 трубы 1, а затем в нее монтируют изготовленную в заводских условиях среднюю секцию 6 трубы 1, стягивая ее профилированными элементами 9 несущей башни 8. Далее на профилированных элементах 9 закрепляют специализированные кронштейны 13 для установки на них турбины 10 с датчиком скорости потока воздуха 21 и с электрогенератором 14, пропуская их через технологические, герметизируемые в дальнейшем, проемы (не показаны) трубы 1. Затем осуществляют монтаж турбины 10 с датчиком скорости потока воздуха 21 и с электрогенератором 14 в полной комплектации заводской сборки с опорными подшипниками 12 на кронштейны 13.
Таким же образом на этом стапеле монтируют диффузорные секции несущей башни 8 и трубы 1, стягивают профилированные элементы 9 несущей башни 8 между собой, скрепляя, таким образом, секции башни 8 и трубы 1 друг с другом.
Затем, все предварительно собранные секции трубы 1 и несущей башни 8 стягивают между собой в единую конструкцию и производят демонтаж собранной установки со сборочного стапеля.
После этого с помощью специальной полиспастной системы и лебедок (не показаны) устанавливают собранную конструкцию на фундамент 2 с возможностью расположения ее выходного устья на высоте 50-150 м в зависимости от широты места ее установки, закрепляют на нем и монтируют к профильным элементам 9 средней секции несущей башни 8 тросы 19, закрепляя их с натяжением на фундаменте 2.
Далее в устье диффузорной секции 7 трубы 1 устанавливают регулятор скорости воздушного потока 17 и дефлектор 15, закрепляя их к профильным элементам 9 верхней секции несущей башни 8.
После этого внутрь конфузорной части аэродинамической трубы 1 через технологические проходы (не приведены) устанавливают блок управления 21 и нагревательный элемент 22.
Ветроэнергетическая установка готова к работе.
Установка работает следующим образом.
Генерация восходящего воздушного потока в трубе 1 складывается из ряда взаимосвязанных параметров воздушной среды, окружающей установку:
- перепада давлений на разных горизонтах трубы 1;
- разницы температур на разных горизонтах трубы 1;
- объема воздушной массы, поступающей через конфузорные вставки 5 в конфузорную секцию 3 трубы 1;
- отсоса ветропотоком воздушной массы из диффузорной секции трубы 1 за пределы установки.
Благодаря установке регулятора скорости потока 17 осуществляют управление режимами работы турбины 10 для оптимизации ее работы, исключающей нештатные аварийные ситуации.
Вследствие постоянного движения восходящего воздушного потока в трубе 1 осевая турбина 10 начинает вращаться, а электрогенератор 14 вырабатывать электроэнергию. При этом поток ветра, протекая над устьем вертикальной трубы 1, производит отсос воздуха из зоны диффузорной секции 7, создавая в ней зону пониженного давления, увеличивающую скорость восходящего потока в трубе и производительность турбины 10.
Наружный воздух при любом направлении ветра прежде поступает в конфузорные вставки 5 конфузорной секции 3 трубы 1, ускоряется в них и, вследствие расположения конфузорных вставок с ориентацией в сторону устья трубы 1, направляется вверх на турбину 10, воспринимающую его ускоренный напор и увеличивающую скорость своего вращения. Ускоренно вращаемый воздушным потоком вал 11 турбины 10, связанный с валом 14 электрогенератора 13, заставляет последний вращаться быстрее и вырабатывать электроэнергию. Пройдя через лопатки турбины 10, ускорившийся в трубе поток направляется в диффузорную секцию 7 трубы и попадает под воздействие регулятора скорости 17, который с помощью своего сервопривода 18, получившего сигнал от блока управления о скорости потока воздуха, измененной датчиком 21, сдвигает, либо раздвигает между собой свои сегменты 19 в зависимости от скорости потока в рабочей зоне трубы 1, изменяя, таким образом, его интенсивность, определяющую скорость вращения турбины 10 с требуемым регулируемым числом оборотов и выработку электрогенератором 13 электроэнергии требуемой мощности.
Таким образом, заявляемое изобретение за счет совокупности своих существенных признаков позволяет обеспечить надежность конструкции стабилизированием мощности воздушного потока в вертикальной трубе, обеспечивающим в ней стабильно мощную вертикальную тягу, способствующую удержанию трубы в устойчивом вертикальном положении, а также стабилизированию нагрузки на турбину и связанный с ним электрогенератор, и кроме того, упрочнением конструкции в целом за счет охвата ее трубы силовым, удерживаемым тросовой системой, каркасом, сформированным в несущую башню.
Заявляемое изобретение в настоящее время проходит стадию рабочего проектирования для последующего возведения и использования.