Ветроэнергетическая установка

Область техники
Полезная модель относится к области генерации энергии из воздушного потока, конкретно к области использования потока отработанного воздуха в системе охлаждения ротора генератора для раскрутки турбины генератора, размещенного в конце шахты системы охлаждения.
Предшествующий уровень техники
Известна ветросиловая установка, содержащая башню с ветроколесом и входные каналы с воздушными заслонками, при этом башня состоит из нижней конфузорной, средней цилиндрической и верхней диффузорной частей, ветроколесо установлено в цилиндрической части башни, установка снабжена исполнительным сервомеханизмом, содержащим вал с общим поворотным звеном, кинематически связанным с заслонками (см. патент РФ на изобретение № 1134771, МПК F03D 3/04, опубл. 15,01.1985 г.).
Недостатком является то, что для монтажа известной установки необходимо место с постоянной и достаточной силой ветра, это место обычно удалено от потребителей электроэнергии, что подразумевает прокладку длинных электрокоммуникаций, а также изготовление дорогостоящего ветроулавливающего короба и опорных конструкций, необходимых для эффективной работы генератора, которые окупаются длительное время. Это снижает энергоэффективность установки и ее функциональные возможности.
Известна конструкция ветроэлектрической станции для многоэтажных зданий и сооружений, способная вырабатывать электроэнергию даже при нулевой скорости естественного движения воздушных масс, при этом вал генератора располагается вертикально к поверхности земли, на нем закреплены два ветропривода: ветроколесо с изогнутыми лопатками с наветренной стороны, на 1/2 закрытое щитком флюгерного типа, приводится во вращение естественным движением воздушных масс, а турбина - под воздействием разностного давления, создаваемого в вертикально расположенных вытяжных трубах или каналах, для большей экономии энергии станции между валами приводов размещено электромагнитное фрикционное устройство (электромагнитная муфта сцепления), производящее отсоединение первого ветропривода от второго при нулевой скорости движения наружного воздуха (при штиле) (см. патент РФ на изобретение № 2426004, МПК F03D 3/02, F03D 3/04, опубл. 10,08.2011 г.).
Недостатком является то, что известная станция не позволяет применять полученный ток в электродвигателях коммунального и промышленного назначения из-за неравномерности частоты вращения генератора, а также обеспечивает недостаточно высокий КПД из-за невысокой скорости вращения турбин и непостоянства ветра, что сужает ее функциональные возможности и энергоэффективность.
Известен башенный ветродвигатель, содержащий башню, размещенную на кровле здания с чердачным помещением и выполненную в виде вертикального конфузора с входными каналами, снабженными регулирующими заслонками, ветроколесо, соединяющее коаксиально установленным внутри вытяжной трубы вертикальным валом с генератором, дефлектор с окнами и флюгером, кинематически связанным со створками и сетчатым ограждением, установленными на окнах (см. патент РФ на изобретение № 2038511, МПК F03D 3/04, опубл. 27,06.1995 г.).
Недостатком известной установки является высокая энергоемкость поддержания стабильности работы ветродвигателя, обусловленная необходимостью преодоления застойной зоны у входного отверстия вытяжной трубы, что требует использования значительного температурного перепада восходящих воздушных потоков внутри чердачного помещения и окружающей здание воздушной среды. Это снижает функциональные возможности и энергоэффективность установки.
Наиболее близким по технической сущности к предложенной полезной модели является известная ветроэнергетическая установка, расположенная в шахте системы вентиляции высотного здания, с использованием способа выработки электроэнергии с размещением ветрогенератора в вертикальной вытяжной воздушной шахте, вмонтированной в конструкцию жилого или производственного здания, при этом посредством установки здания на опорах или выполнения в основании здания боковых шахт обеспечивается доступ воздуха в нижний вход воздушной шахты, а посредством флюгерной насадки создается разрежение в области верхнего выхода воздушного канала (см. патент РФ на изобретение № 2369772, МПК F03D 11/00, F03D 3/04, опубл. 10.10.2009 г.).
Недостатком известной ветроэнергетической установки является отсутствие возможности применения для промышленных воздуховодов систем охлаждения генераторов, ввиду создания большого сопротивления воздушному потоку, и вследствие дальнейшего снижения КПД системы охлаждения, что сужает ее функциональные возможности и энергоэффективность.
Раскрытие полезной модели.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является расширение функциональных возможностей ветроэнергетической установки, путем использования вторичных энергоресурсов, а именно, использование отработанного потока воздуха на выходе шахты системы охлаждения генератора.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является повышение энергоэффективности за счет использования воздушного канала системы охлаждения генератора.
Указанный технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей кожух с ветроколесом и генератором, размещенном в диффузоре, согласно полезной модели, канал воздуховода системы охлаждения ротора генератора, ориентированный горизонтально к поверхности земли, использован для раскрутки ветроколеса и генерации электроэнергии, при этом генератор размещен в конце воздушной шахты системы охлаждения ротора генератора, вмонтированной в конструкцию производственного здания.
Сочетание воздуховода с размещенными в нем ветроколесом (ветротурбиной) и диффузора позволяет компенсировать создаваемое ветроколесом сопротивление набегающему потоку воздуха в трубе, что способствует повышению энергоэффективности и стабильности работы системы охлаждения.
Использование отработанного потока воздуха на выходе шахты системы охлаждения генератора, как вторичного энергоресурса, расширяет функциональные возможности ветроэнергетической установки.
Постоянный режим работы таких систем с постоянной частотой вырабатываемой электроэнергии и высоким КПД дает преимущество в постоянстве генерации электроэнергии перед другими типами ветроэнергетических установок. Таким образом, достигаемый технический результат является новым решением задачи генерации электроэнергии с применением ветрогенераторных установок.
Краткое описание чертежей.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где представлена схема ветроэнергетической установки. Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - диффузор; 2 - воздушный канал; 3 - корпус здания; 4 - ветроколесо (винтовая турбина) в воздушном канале 2; 5 - вал ветроколеса 4; 6 - редуктор; 7 - генератор; 8 - вал генератора 7; 9 - направление движения воздуха.
Подробное описание полезной модели.
Ветроэнергетическая установка монтируется в кожух, состоящего из трубы и диффузора 1 на одном конце для усиления вытяжки воздуха из воздушного канала 2 и основания (крепления) с другой стороны, которое крепится поверх отверстия выхода шахты системы охлаждения генератора к корпусу здания 3. Ветроколесо 4 (винтовая турбина) размещается в воздушном канале 2. Вал 5 ветроколеса 4, ориентированный горизонтально к поверхности земли, соединен через редуктор 6 с генератором 7, расположенным в диффузоре 1, с помощью вала 8, отцентрованного в воздушном канале 2.
Выработка электроэнергии происходит постоянно при наличии потока воздуха в воздушном канале 2. Оптимальный диаметр воздушного канала 2, а также форма ветроколеса 4 и количество его лопастей должны рассчитываться в зависимости от требуемой мощности генерирующей установки и особенностей конструкции воздуховода. Для уменьшения сопротивления набегающему воздушному потоку генератор 7 находится в зоне расширения канала воздуховода. После установки генератора 7 в воздуховоде происходит центровка вала 5 ветроколеса 4 по центру шахты. Также происходит балансировка ветроколеса 4. В качестве ветроколеса 4, как вариант, рекомендуется однолопастная турбина, дающая более высокую скорость вращения и меньшее сопротивление набегающему потоку воздуха, нежели турбина с несколькими лопастями, дающая меньшую скорость вращения, но увеличивая сопротивление потоку воздуха. Излишнее усилие вращения вала 5 ветроколеса 4 компенсируется редуктором 6, передавая необходимое количество оборотов на вал 8 генератора 7.
Все элементы конструкции для осуществления предлагаемой ветроэнергетической установки типовые, либо их легко изготовить. Монтаж элементов может происходить как в процессе строительства сооружения с воздуховодом, так и на уже существующие воздуховоды.
Осуществление полезной модели.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Поток воздуха 9 попадает на лопасть ветроколеса 4, под давлением воздушного потока ветроколесо 4 приводится в движение и передает механическое усилие через вал 5 и редуктор 6 на вал 8 генератора 7, расположенный горизонтально к поверхности земли, где механическая энергия преобразуется в электрическую. После поток воздуха устремляется к диффузору 1, где расширение воздушного канала создает дополнительную тягу.
Использование предложенного устройства позволяет любому промышленному зданию, оснащенному воздушной шахтой системы охлаждения генератора, частично генерировать электричество для собственных нужд, используя отработанный воздух на выходе воздуховода системы охлаждения генератора как вторичный энергоресурс.