ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к возобновляемым источникам энергии, а именно к использованию перемещения воздушных масс (ветра) для выработки энергии, в частности электрической.
Известны безлопастные ветрогенераторы, использующие аэродинамические формы для преобразования энергии ветра в электрическую (см. патент РФ №138852 от 27.03.2013).
Известный аппарат имеет следующие недостатки.
Сквозной канал с диаметром ¼ хорды и осевой линией, перпендикулярной нижней плоскости фрагмента крыла, делает рабочей частью небольшую площадь вокруг отверстия. Т.е. крыло с хордой 1 метр и длиной крыла 1 метр будет вырабатывать столько же энергии, сколько и 100-метровое крыло с метровой хордой. При этом большое крыло из-за отверстия не имеет выпуклой плоскости для создания зоны пониженного давления, поэтому разряжение создает малое крыло. Учитывая, что оно на треть меньше большого крыла, это еще уменьшает рабочую площадь и соответственно мощность.
Еще одним недостатком является наличие воздухосборника. Являясь элементом крыла, он не позволяет использовать нижнюю поверхность большого крыла, что позволило бы ставить крыло под углом к ветру, увеличивая ометаемую площадь, соответственно и увеличивать мощность.
Воздухозаборник как элемент крыла использует давление от лобового сопротивления, вызывая дополнительное сопротивление потоку на малой площади, что заставит большую часть потока обходить конструкцию, уменьшая эффективность устройства, поскольку наружные плоскости крыльев не участвуют в работе ветряка, что делает этот ветрогенератор не рабочим.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении эффективности ветроэнергетической установки за счет упрощения конструкции и повышения коэффициента использования энергии ветра (киэв).
Указанный технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей, по меньшей мере, одну аэродинамическую поверхность в виде крыла с внутренним сквозным каналом, в котором установлена турбина, соединенная с электрическим генератором, выход канала смещен относительно его входа вдоль хорды крыла в направлении его задней части.
Аэродинамическая поверхность может быть выполнена полой с перфорацией на нижней и передней поверхностях и с эжекторами, сообщающими ее полость с каналом в зоне расположения турбины.
Аэродинамическая поверхность может быть выполнена с предкрылком и/или закрылком, с концевыми шайбами.
Аэродинамическая поверхность может быть соединена гибким элементом с землей или закреплена на транспортном средстве, а также может быть расположена в трубопроводе или туннеле.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг. 1 - аэродинамическая поверхность (крыло), вид сбоку;
Фиг. 2 - то же с перфорацией и эжекторами;
Фиг. 3 - аэродинамическая поверхность с шайбами;
Фиг. 4 - горизонтальное расположение аэродинамических поверхностей на опоре;
Фиг. 5 - вертикальное расположение аэродинамических поверхностей на опоре;
Фиг. 6 - вертикальное расположение пар аэродинамических поверхностей на опоре;
Фиг. 7 - расположение аэродинамических поверхностей на водном транспортном средстве;
Фиг. 8 - вариант закрепления аэродинамических поверхностей в туннеле;
Фиг. 9 - вариант закрепления аэродинамических поверхностей на гибком элементе.
Ветроэнергетическая установка включает в себя аэродинамическую поверхность в форме крыла 1, в теле которого выполнен, по меньшей мере, один канал 2, соединяющий часть поверхности крыла 3 меньшей площади с часть поверхности крыла 4 большей площади, турбину 5, приводимую во вращение воздушным потоком, создаваемом в указанном канале 2, электрический генератор (не показан), приводимый во вращение турбиной 5, средства канализации электрической энергии от генератора к потребителям (не показаны) и средства удержания аэродинамической поверхности 1 на определенной высоте над землей, в частности, в виде гибкого элемента (троса) 6 или опоры 7.
Принцип действия установки следующий.
Крыло 1 ориентируется фронтально относительно направления движения воздушных масс ветра. Как отмечено выше, такие средства являются традиционными для ветрогенераторов и поэтому здесь не описываются. За счет разницы площадей частей 3 и 4 крыла давление воздуха на часть 3 меньшей площади больше, чем давление на часть 4 большей площади, в результате чего происходит забор воздуха в канал 2, соединяющий указанные части крыла.
Образующийся в канале поток воздуха приводит во вращение расположенную на его пути турбину 5 и, соответственно, через турбину электрогенератор.
Крыло 1 может быть расположено не только на открытой местности, но и "в замкнутом пространстве", в частности в трубопроводах, например в вентиляционных шахтах, в которых происходит перемещение воздуха или в тоннелях 8. Соответственно и положение крыла 1 может быть различным. На открытой местности, где ветры дуют, по существу, параллельно поверхности земли, крыло будет располагаться, по существу, горизонтально, при этом его часть 3 меньшей площади будет обращена к земле, а часть 4 большей площади - от земли.
При установке же в трубопроводе ориентация крыла будет определяться ориентацией трубопровода, если трубопровод и, соответственно, поток воздуха в нем расположен вертикально, то и крыло (его продольная ось) будет ориентировано, по существу, вертикально.
Разновидностью такого расположения установки является ее размещение в туннелях 8.
Вертикальное, или по существу вертикальное, положение крыла нельзя исключать и при использовании установки на открытой местности, например на горной местности, характеризующейся восходящими потоками воздуха.
Кроме стационарного исполнения установка согласно изобретению может быть выполнена мобильной. В частности, такое исполнение может быть целесообразным при малой силе ветра, когда к его скорости добавляется скорость перемещения транспортного средства.
Естественно, что необходимо учитывать затраты энергии на перемещение самого транспортного средства, а также то обстоятельство, что и канализация выработанной электрической энергии может осуществляться лишь на само это средство (на расположенные на нем потребители и традиционные средства накопления энергии - аккумуляторы). Такой вариант осуществления изобретения с использованием водного транспортного средства схематично показан на фиг. 7.
Транспортное средство может быть наземным или плавающим и, наконец, представлять собой летательный аппарат, например планер, или дельтаплан, буксирующий крыло 1. Крайним случаем такого исполнения является совмещение аэродинамической поверхности ветроэнергетической установки и крыла летательного аппарата, то есть выполнение непосредственно в крыле летательного аппарата канала 2 и размещение в нем турбины 5, приводящей электрический генератор. Естественно, что потребителями энергии в этом случае выступают средства обеспечения полета летательного аппарата и опять же аккумуляторы.
Описанная установка может мультиплицироваться, во-первых, за счет выполнения в крыле нескольких воздуховодных каналов, во-вторых, за счет использования нескольких аэродинамических поверхностей.
Показанные на фиг. 1 и 2 варианты выполнения установки с поворотным регулируемым закрылком 9 позволяет путем поворота закрылка изменять соотношение площадей частей 3 и 4 крыла и, как следствие, регулировать подъемную силу крыла и скорость перемещения воздушного потока в канале 2, а значит, и мощность, выдаваемую электрогенератором. Этому способствует и лобовое сопротивление воздушному потоку, оказываемое закрылком 9 при его повороте в положение.
Смещение выхода канала 2 относительно его входа вдоль хорды крыла в направлении его задней части позволяет исключить из конструкции малое крыло, расположенное над выходом канала 2.
Для улучшения характеристик предлагается
1. Установить ротор вдоль всего крыла с каналом в виде щелевого закрылка. Это позволит снимать мощность со всей длины крыла.
2. Заменить малое конгруэнтное крыло на предкрылок 10. Это улучшит качество ламинарного потока на поверхности крыла 1 и увеличит разницу давлений между поверхностями 3 и 4.
3. Установить на крыле концевые шайбы 11, для уменьшения перетекания потока из зоны высокого давления в зону низкого.
4. Сделать крыло пустотелым, а нижнюю 3 и переднюю поверхность с перфорацией. В этом случае само крыло будет выполнять роль рабочего тела для эжекторов 12, установленных в канале щелевого закрылка.
Предкрылок 10 обеспечивает максимальный угол атаки за счет создания ламинарного потока вдоль верхней поверхности 4 крыла 1. За счет разницы давления на поверхностях крыла, в канале появляется поток воздуха, усиливаемый и направляемый на лопасти турбины эжекторами 12, подпитываемыми через перфорацию на нижней и передней поверхности пустотелого крыла и закрылка. Поток приводит во вращение турбину и через него генератор.
Имея большое сопротивление воздушному потоку, установка, размещенная, к примеру, на судне, может выполнять дополнительно роль паруса, обеспечивая выработку электроэнергии и тягу от ветра.
Таким образом, для повышения эффективности и использования максимума энергии потока, предлагается применение гибридной схемы щелевого крыла 1, имеющего предкрылок 10, щелевой закрылок 9, совмещенного со струйной механизацией.
Поскольку повышенное давление распространяется под всем крылом 1, нижняя поверхность 3 (+ лобовая часть) крыла изготавливается с перфорацией для отсасывания избыточного давления и подпитки эжекторов 12. Выход воздуха в виде реактивной струи будет осуществляться из задней части крыла, обдувая лопасти турбины 5 по всей их длине, под необходимым углом, формируя направление потока на лопасти и ламинарный поток за кромкой крыла 1 на закрылке 9. Также эжекторы 12 могут устанавливаться в щелевом закрылке 9, что увеличит отсасываемую площадь и уменьшит возможность образования вихря.
При необходимости, в зависимости от требуемых характеристик и условий эксплуатации щель между крылом 1 и закрылком 9 может закрываться, перекрывая вход потока с нижней части крыла через щель, что невозможно для предыдущих аппаратов, а площадь перфорации будет регулироваться от давления на нижней плоскости крыла. В этом случае при небольших скоростях потока для увеличения давления на нижней поверхности 3 возможно использование щитка на закрылке.
Предлагаемые конструктивные изменения позволят усилить течение в канале 2 и улучшит характеристики (Су) крыла 1 при критических углах атаки, малых скоростях или использовании высоконесущего разрезного профиля.
В этом случае значительно увеличивается критический угол атаки, чем увеличивается ометаемая площадь и повышается подъемная сила (мощность)
Значительно увеличивается мощность при использовании крыла 1 вблизи земли (поверхности, стены, крыши) или расположения пары аппаратов, установленных параллельно, за счет эффекта экрана.
Шайбы 11 могут выполнять функции элементов крепления.
Кроме классических материалов изготовления крыла 1 (металл, пластик, дерево, стекловолокно), возможно использовать крыло из ткани, без внутренней конструкции (арматуры) аналогично крылу кайта. В нем используются внутренние карманы, для создания внутри повышенного давления и придания формы, которые могут использоваться как эжекторы.
Также возможно использование надувного крыла.
Струйная механизация позволяет использовать огромный набор профилей с гарантированным повышением подъемной силы крыла, в том числе и с разными формами (прямоугольные, круглые, элипсовидные, стреловидные).
Ветроэнергетическая установка при использовании транспортного средства позволяет при малой скорости ветра у поверхности заводить ветрогенератор на большую высоту с более быстрым потоком ветра. При этом в дальнейшем движение автомобиля не требуется, и он выполняет роль подстанции.