ВЫРАБОТКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С РАЗМЕЩЕНИЕМ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА В ВЕРТИКАЛЬНОМ ВЫТЯЖНОМ ВОЗДУШНОМ КАНАЛЕ В КОНСТРУКЦИИ ЖИЛОГО ЗДАНИЯ
ELECTRIC POWER GENERATION WITH ARRANGEMENT OF WIND GENERATOR IN VERTICAL EXHAUST AIR DUCT IN DOMESTIC BUILDING STRUCTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области генерации энергии из ветряного потока, конкретно к области использования эффекта «вытяжки» в высоких трубах и к использованию данного эффекта для раскрутки турбины генератора, размещенного в такой трубе.
Уровень техники
На сегодняшний день во всем мире активно применяются ветряные электрогенераторы, особое распространение они получили в Германии. По сообщению журнала "Бильд дер виссеншафт", всего на конец 2002 года в Германии работали 13759 ВЭУ общей мощностью более 12 тысяч мегаватт, и по прогнозам к 2030 году Германия будет удовлетворять почти треть своей потребности в электроэнергии за счет ВЭУ.
Существует два вида ветряных электрогенераторов - горизонтального и вертикального типа.
Самым распространенным конструктивным решением ветряного электрогенератора является лопастная турбина горизонтального типа, установленная на опоре, которая состоит из опоры, турбины и генератора с флюгером. Подробная конструкция данного ветрогенератора общедоступна и встречается в любых специализированных источниках. Мощные ветрогенераторы от 25 кВт и выше применяются в промышленных масштабах, изготовление и установка финансируется в основном правительством, работают в единой электросети. Ветрогенераторы ниже 25 кВт применяются в частном и коллективном пользовании, устанавливаются далеко за пределами города.
Менее распространенным ввиду сложности конструкции и низкой вырабатываемой мощности является вертикальный ветряной электрогенератор. Типичным конструктивным решением вертикального электрогенератора является генератор, описанный в патенте RU №2000469, 1993 г. Принцип действия таких генераторов основан на прохождении горизонтального ветрового потока через лопатки ротора и его раскрутке. Достоинством такой конструкции является низкая зависимость от скорости ветра, т.е. даже при больших скоростях ветра прослеживается стабильная работа генератора.
Предлагаемый принцип ветряной электрогенерации в корне отличается от существующих типов выработки ветряной электроэнергии.
Раскрытие изобретения
Существующие ветряные электроустановки, использующие кинетическую энергию ветра в раскручивании турбины генератора, они имеют одни общие недостатки: для монтажа этих установок необходимо место с постоянной и достаточной силой ветра, это место обычно удалено от потребителей электричества, что подразумевает прокладку длинных электрокоммуникаций, а также изготовление дорогостоящего ветроулавливающего короба и опорных конструкций, необходимых для эффективной работы генератора, которые окупаются длительное время.
Поставленная техническая задача решается тем, что в качестве канала для раскрутки ротора генератора и генерации электроэнергии выступает воздушный канал, вмонтированный в типовую конструкцию жилого здания, фиг.1.
Типовое здание, в данном случае круглой формы, стоит на четырех опорах с возможностью прохождения между ними воздуха для нижнего входа в воздушную шахту. Возможно использование боковых шахт в основании здания для забора воздуха.
Генерация электричества в данном случае характеризуется эффектом «вытяжки» от разности высот входного и выходного отверстий, что создает постоянную вертикальную тягу воздуха и вращение лопастей турбины. Для увеличения тяги воздуха можно использовать несколько конструктивных решений.
Во-первых, это применение диффузора на верхнем выходе воздушного канала. Для получения максимального эффекта применения диффузора, который характеризуется расширением воздушного канала кверху, подразумевается установка на него аэродинамической флюгерной насадки (АФН) большой площади (фиг.1 и 3). Работа АФН характеризуется следующим образом: при наличии ветра АФН автоматически поворачивается к ветру, возникает эффект «крыла» большой площади и начинается усиленный подсос воздуха из более узкого воздушного канала с размещенным в нем ротором генератора. АФН также может играть роль крыши здания, т.к. имеет цельную поверхность, занимает всю площадь верхней части здания и рекомендуется к изготовлению из полимерных материалов. Главное требование к АФН, наряду с функцией подсоса воздуха, - это возможность свободного, бесшумного поворота к ветру.
Во-вторых, применение на нижнем входе в воздушный канал направляющей призмы, которая направляет горизонтальный поток воздуха у земли в вертикальный воздушный канал (фиг.2). Как альтернативу можно применить автоматическую поворотную заслонку, которая под воздействием ветра поворачивается в нужную сторону и перекрывает выход воздуха в горизонтальном направлении, направляя весь воздушный поток вверх, в воздушный канал (фиг.3). Эти устройства характеризуются возможностью перенаправлять горизонтальный поток ветра у земли в вертикальный.
В-третьих, установка воздушного канала на бетонные опоры, роль которых характеризуется улавливанием и увеличением скорости к входу в канал воздушного течения у земли, причем направление ветра роли не играет.
В совокупности данные конструктивные признаки (воздушный канал, диффузор, аэродинамическая флюгерная насадка, поворотная заслонка, опоры и сам генератор с турбиной) образуют единую конструкцию, позволяющую наиболее эффективно использовать движение воздушных масс и открывают новый принцип ветряной генерации электроэнергии - генерацию электроэнергии непосредственно в городе, в жилых домах.
Техническим результатом является получение электроэнергии непосредственно вблизи потребителя, как следствие происходит значительная экономия на уменьшении количества длинных электрокоммуникаций между источником электричества - городской ТЭЦ и потребителем - жилым домом, а также возможность излишки вырабатываемой электроэнергии сдавать (продавать) в единую городскую электросеть. Немаловажным является и экологический результат, выраженный в снижении нагрузки на городские ТЭЦ, что позволяет снизить выброс вредных веществ в воздух городов.
Указанный технический результат достигается при помощи способа выработки электроэнергии с размещением ветрогенератора в вертикальной вытяжной воздушной шахте, вмонтированной в конструкцию жилого или производственного здания, заключающийся в том, что обеспечивают доступ воздуха в нижний вход воздушной шахты посредством установки здания на опорах или выполнения в основании здания боковых шахт и создают разряжение в области верхнего выхода воздушного канала посредством флюгерной насадки
Краткое описание чертежей
На фиг.1 (а, б) показано:
1 - поворотная аэродинамическая флюгерная насадка, установленная на диффузор, создает «эффект крыла» для усиления вытяжки воздуха из воздушного канала;
2 - корпус здания, жилые блоки;
3 - винтовая турбина (ротор генератора) в воздушном канале;
4 - вал турбины;
5 - направление движения воздуха;
6 - опора здания, также выполняющая роль воздушной ловушки;
7 - отдельный фундамент генератора;
8 - генератор.
На виде сверху стрелками показано движение ветра. На левой половине вида сверху - поток воздуха на выходе из воздушного канала (вверху), на правой половине - поток воздуха на входе в воздушный канал (внизу).
На фиг.2 показано:
5 - направление потока воздуха;
6 - опора здания;
9 - направляющая призма, пассивно перенаправляет горизонтальный поток ветра вверх;
10 - вал турбины.
На фиг.3 показано:
5 - направление потока воздуха;
6 - опора здания;
10 - вал турбины;
11 - верхний кольцевой подшипник поворотной заслонки;
12 - поворотная заслонка, поворачивается силой ветра, перенаправляет горизонтальный поток ветра вверх;
13 - нижний подшипник поворотной заслонки;
На фиг.4 показано:
1 - поворотная аэродинамическая флюгерная насадка (АФН), установленная на диффузор, создает «эффект крыла» для создания разрежения и усиления вытяжки воздуха из воздушного канала;
2 - корпус здания, жилые блоки;
14 - крыло поворотной АФН, необходимое для разворота наклонной поверхности к ветру, выполняет роль флюгера;
15 - кольцевой подшипник АФН;
16 - расширение воздушного канала - диффузор.
Стрелками показан боковой ветер и его влияние на ускорение потока воздуха, проходящего через воздушный канал.
Осуществление изобретения
Осуществление изобретения подразумевает привлечение специалистов в области электрогенерации, аэродинамики и архитектуры для создания типовых проектов энергосберегающих (энергогенерирующих) зданий. Все элементы конструкции для осуществления предлагаемого способа электрогенерации типовые либо их легко изготовить. Монтаж элементов происходит в процессе строительства жилого здания. Выработка электроэнергии происходит при наличии минимального (3-4 м/с) потока воздуха в воздушном канале, достаточного для вращения ротора генератора. Чем выше здание, тем сильнее проявляется эффект «вытяжки» и тем сильнее тяга воздуха. Оптимальный диаметр воздушного канала, а также форма турбины и ее лопастей должны рассчитываться в зависимости от высоты здания и требуемой мощности генерирующей установки. Оптимальная высота здания (с учетом исследований в области скорости ветра от высоты) от 80 метров и выше. Конструкция генератора, вала и турбины не соприкасается со зданием. Генератор находится ниже уровня земли и установлен на отдельном фундаменте. Это сделано для предотвращения вибраций и шумов в корпусе здания. После установки генератора на фундамент происходит центровка вала турбины по центру шахты. Также происходит балансировка самой турбины. В качестве турбины, как вариант, рекомендуется винтовая турбина (винт Архимеда), дающая большее усилие на вал и более низкую скорость вращения, нежели турбина с лопастями, дающая более низкое усилие на вал, но большую скорость вращения. Это позволит снизить уровень шума от быстрого вращения турбины, а излишнее усилие вращения вала через редуктор передавать на генератор. Доступ к нижней части воздушного канала необходимо огородить решетками для предотвращения проникновения неавторизованного персонала в опасную зону. Кроме того, воздушный канал можно использовать для эвакуации жильцов из здания в случае возникновения пожара, разместив в нем лестницы для спуска, воздух в нем поступает из нижней части и не содержит в таком случае продуктов горения. Это увеличивает пожаробезопасность здания даже при большом количестве этажей и облегчает эвакуацию. Также воздушный канал, изготовленный по технологии монолитной железобетонной структуры, повышает устойчивость здания при землетрясениях, т.к. играет роль внутренней стержневой опоры здания.
Подразумеваются несколько вариантов использования способа электрогенерации.
Пример 1. Энергия генерируется на непосредственные электрические нужды здания, т.е. автономное использование генератора. В этом случае необходимо применение аккумуляторов для накапливания энергии в периоды низкого потребления энергии (днем) и ее использования в период активного потребления (вечер/утро).
Пример 2. Энергия генерируется и при помощи преобразователя выдается в общую городскую электрическую сеть. В таком случае здание имеет энергоснабжение от общей энергосети и учет потребления энергии ведется как разница между выданной в общую сеть энергии генератором и полученной энергией из общей сети.
Второй вариант предпочтителен, т.к. не зависит от длительного безветрия.
Эффективность описанного способа электрогенерации рекомендуется проверить на опытном здании и в случае положительного результата испытаний применять во всех жилых высотных домах, которые будут построены.