ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ПЛОТИНОЙ
WIND POWER PLANT WITH DAM

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электроэнергию.
Известна автоматизированная ветроэлектростанция со ступенчатой загрузкой (патент RU 2445509), содержащая установленную на неподвижном основании поворотную платформу с размещенным на ней ветродвигателем, генераторы, связанные приводными валами с ветродвигателем, систему ступенчатой загрузки и ориентации на ветер, электродвигатель привода поворотной платформы, коллектор, закрепленный на поворотной платформе, связанный через токосъемник с потребителем, датчики скорости и направления ветра, с реверсным переключателем. Ветродвигатель выполнен в виде турбины и установлен в напорной части удлиненного пирамидального кожуха, закрепленного на неподвижном основании центральной осью, связанной через звездочки приводными цепями с электроприводом, снабженным механизмом для ручного перемещения поворотной платформы, и с вертикальными стойками, которые закреплены на направляющем рельсе роликами с двойным обхватом, а нижняя плоскость заборной части удлиненного пирамидального кожуха снабжена задвижкой с электроприводом, при этом перед заборной частью симметрично установлены направляющие щиты воздушного потока, а внутри напорной части, на валу турбины, установленном в подшипниках, на концах закреплены конусы, при этом один конец вала турбины механически соединен с генераторами через обгонные муфты.
Автоматизированная ветроэлектростанция работает следующим образом. Поворотная платформа в автоматическом режиме, определяемом датчиком скорости и направления ветра, подводится заборной частью пирамидального кожуха к оси воздушных потоков. Воздушные потоки в зоне охвата направляющих щитов подворачиваются щитами в зону заборной части. Воздушные потоки концентрируются, уплотняются в пирамидальном кожухе, а перед напорной частью и конусом под определенным углом направляются на лопасти турбины ветродвигателя. Турбина раскручивается воздушными потоками. Объем воздушных масс, проходящих через турбину в единицу времени, резко возрастает ввиду их сбора с большого пространства и концентрации перед турбиной. Возрастает также и скорость потока воздуха в зоне турбины. Наращиваются ее обороты, и разгонные муфты начинают вращать все генераторы, подключая их последовательно. Электрический ток, вырабатываемый генераторами, через коллектор и токосъемник передается потребителю.
Положительным свойством конструкции ветроэлектростанции является способность выдерживать любые скорости движения воздушных потоков, ураганов и штормов. В конструкции предусмотрена возможность ручного корректирования перемещения пирамидального кожуха по рельсу на электроприводе посредством механизма.
Отрицательным свойством является необходимость кругового перемещения массивного пирамидального кожуха. Это ограничивает возможность увеличения мощности ветроэлектростанции, так как с увеличением раструба кожуха потребуется установка более массивного основания и при достижении определенных размеров конструкция станет экономически неэффективной. Кроме того, электромеханическая схема регулирования положения поворотной платформы достаточно сложная и соответственно ненадежная.
Известна ветроэлектростанция (патент RU 2131995), содержащая электрогенератор, соединенный с ветроколесом и концентратор воздушного потока, выполненный в виде усеченного конуса, на внутренней поверхности которого установлены тонкостенные ребра жесткости, закрученные по винтовой линии в направлении вращения ветроколеса. При ориентации концентратора против воздушного потока, поток входит в канал концентратора и вследствие сужения его сжимается и увеличивает свою скорость движения. Так как мощность, создаваемая потоком воздуха на ветроколесе, зависит в третьей степени от скорости воздушного потока, то этим самым обеспечивается более эффективное преобразование энергии ветра в электроэнергию.
Положительным свойством такой конструкции является более эффективное использование энергии ветра за счет закручивания воздушного потока по винтовой линии.
Отрицательным свойством является то, что данная конструкция может быть применима для ветроэлектростанций малых мощностей, так как для наращивания мощности необходимо увеличивать размеры концентратора, что приведет к необходимости создания громоздкой поддерживающей конструкции, что при достижении некоторых размеров станет экономически нецелесообразным. Соответственно для громоздкой конструкции возникают проблемы ориентации концентратора против ветра, который имеет свойство менять свое направление. Кроме того, конструкция имеет слабую устойчивость к ураганным ветрам.
Известна ветроэлектростанция (патент RU 2285147), принятая за прототип, содержащая электрогенератор, соединенный с ветроколесом, и концентратор воздушного потока, выполненный в виде двух усеченных многогранных пирамид, расположенных вершинами друг против друга. Пирамиды по их ребрам соединены между собой трапецеидальными стенами, образующими радиально расположенные каналы, сужающиеся от периферии к центру. Между стенами установлены двухстворчатые двери и контактирующие с ними пружинные упоры.
Ветроэлектростанция работает следующим образом. При действии ветра любого направления воздушный поток входит в канал концентратора, обращенный против ветра, и вследствие сужения его сжимается и увеличивает свою скорость движения. Ускоренный воздушный поток проходит полностью открытую им дверь данного канала и закрывает двери других каналов и устремляется к ветроколесу, придавая ему вращательное движение, которое через вал передается электрогенератору.
В случае ураганного ветра воздушный поток, пройдя направленный против него канал, своим давлением открывает двери других каналов, через которые часть воздушного потока вырывается наружу, а часть потока идет на ветроколесо. Причем степень открытия дверей регулируется пружиной и зависит от скорости ураганного ветра, так что на ветроколесо попадает поток, который не может причинить ему повреждений.
Положительным свойством ветроэлектростанции прототипа является то, что ее работоспособность не зависит от направления ветра, что энергия ветра с высокой эффективностью преобразуется в электроэнергию, что предложена эффективная защита от ураганных ветров.
Отрицательным свойством ветроэлектростанции прототипа является то, что данная конструкция может быть применима только для ветроэлектростанции малых мощностей, так как для наращивания мощности необходимо увеличивать размеры концентратора, что приведет к необходимости создания громоздкой поддерживающей конструкции. Кроме того, в каждый момент времени работает только один канал из шести, что показывает неэффективность использования конструкции.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности преобразования энергии воздушных потоков в электроэнергию.
Технический результат достигается тем, что в ветроэлектростанции, содержащей концентратор воздушных потоков, ветроколеса, электрогенераторы, систему регулирования подачи воздуха на лопасти ветроколес, систему защиты от ураганных ветров, согласно изобретению концентратор воздушных потоков образован стенами плотины, установленной в створе горного ущелья на его выходе в долину, и поверхностями ущелья, направленной широкой частью в сторону ущелья, в узкой центральной части которой в круглых отверстиях установлены ветроколеса на валах электрогенераторов горизонтального исполнения, с внутренней стороны на входе круглых отверстий установлены заслонки системы регулирования подачи воздуха, а с внутренней стороны всей центральной части плотины расположены защитные створки, выполненные в виде откатных ворот. Лопасти ветроколес выполнены авиационного типа. Заслонки системы регулирования подачи воздуха выполнены диафрагменного вида. Центральная часть плотины может быть выполнена выпуклой в сторону от ущелья, т.е. может иметь форму угла (вид сверху). С внешней стороны плотина выполнена ребристой, с ребрами жесткости треугольного вида, а межреберное пространство заполнено скальным грунтом, который закреплен от осыпания горизонтальными сетчатыми полосами, которые своими краями закреплены на плотине и ребрах жесткости.
Таким образом, предлагаемое изобретение имеет следующие существенные признаки общие с существенными признаками прототипа:
1. Изобретение, так же как прототип, содержит концентратор воздушных потоков, ветроколесо и электрогенератор.
2. Изобретение, так же как прототип, содержит систему регулирования подачи воздуха на ветроколесо.
3. Изобретение, так же как прототип, содержит систему защиты от ураганных ветров.
Предлагаемое изобретение имеет следующие отличия от прототипа, что обуславливает соответствие технического решения критерию новизна:
1. Концентратор воздушного потока выполнен в виде плотины, расположенной на выходе горного ущелья, с использованием поверхностей ущелья в качестве дополнительных поверхностей концентратора.
2. Система, регулирующая подачу воздуха на ветроколесо, выполнена в виде диафрагмы.
3. Ветроколесо (ветроколеса) выполнено авиационного типа.
4. Защита от ураганных ветров выполнена в виде створок откатных ворот по всей высоте и ширине центральной части плотины, со стороны ущелья.
Из уровня техники не известны отличительные существенные признаки заявляемого изобретения, охарактеризованные в формуле изобретения, что подтверждает ее соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Ветроэлектростанция схематически изображена на фиг.1 - вид спереди, фиг.2 - вид сверху, фиг.3 - разрез А-А по фиг.1, фиг.4 - разрез А-А по фиг.1 для центральной части, выполненной выпуклой.
Ветроэлектростанция содержит концентратор воздушного потока, состоящий из расположенных под углом к оси ущелья стен 1 плотины и поверхностей ущелья 2. В центральной части 3 плотины, в каждом круглом отверстии 4 расположено ветроколесо авиационного типа 5 на валу электрогенератора 6. На каждом круглом отверстии 4 с внутренней стороны центральной части 3 установлена заслонка 7 диафрагменного типа. С внутренней стороны центральной части 3 плотины расположены защитные створки 8 в виде откатных ворот, которые в открытом состоянии расположены в нишах 9, которые выполнены в стенах 1 плотины. Защитные створки соединены через колеса с верхними 10 и нижними 11 направляющими. В центральной части плотины ниже уровня поверхности выполнено отверстие 12 для стока воды из ущелья. С наружной стороны плотины установлены ребра жесткости 13.
Ветроэлектростанция работает следующим образом. Воздушные потоки, стекающие по ущелью 2 с гор в долину, повышают свою скорость под действием сужающихся стен 1 и поверхностей 2 концентратора. Далее ускоренные потоки попадают на лопасти всех ветроколес 5 и вращают их. Ветроколеса вращают роторы электрогенераторов 6, которые преобразуют энергию ветра в электрическую энергию. Текущая мощность электрогенератора зависит от количества воздуха, поданного в единицу времени на лопасти ветроколеса 5, поэтому перед каждым ветроколесом 5 на входе каждого круглого отверстия 4 установлены заслонки 7, устроенные, например, по принципу диафрагм фотоаппарата. Меняя площадь открытого отверстия заслонки 7, производят регулирование количества воздуха, подаваемого на ветроколесо 5. В режиме слабых ветров целесообразно часть ветрогенераторов закрыть заслонками. Если центральная часть 3 плотины углообразная (фиг.4), то в последнюю очередь закрываются заслонки отверстий, находящихся ближе к углу, - здесь скорость воздушного потока самая высокая.
В режиме ураганных ветров для защиты заслонок 7 и ветроколес 5 от повреждений вся центральная часть 3 плотины закрывается створками 8, которые передвигаются по нижним 10 и верхним 11 направляющим, например, рельсового типа. Ребра жесткости 13 удерживают плотину от опрокидывания при ураганных ветрах. В режиме рабочих скоростей воздушных потоков створки 8 расположены в нишах 9 в стенах 1 плотины.
Сток дождевой воды или реки из ущелья обеспечивается через отверстие - водовод 12, которое расположено ниже поверхности земли, для того чтобы по принципу водяного замка исключить движение воздушных потоков через это отверстие.
Рассмотрим технические характеристики ветроэлектростанции на примере ее расположения в створе ущелья Сарма, выходящего к озеру Байкал. Ширина створа 300 м, высота плотины в центральной части 20 м.
1
1. Расчетная скорость ветра в створе плотины V=7.2 м/с (А.В. Вознесенский. Очерк климатических особенностей Байкала, ч.16).
1
2
2. Площадь сечения плотины в створе составляет S=3000 м.
2
1
1
2
2
2
3. Скорость ветра в центральной части плотины, площадь которой S=300 м (в районе ветрогенераторов), будет составлять 72 м/с. Это следует из уравнения Бернулли V*S=V*S или
2
1
1
2
V=V*S/S=7.2*3000/300=72 м/с.
2
л
3
4. Электрическая мощность одного ветрогенератора определяется по уравнению: P=k*ρ*V *S/2 (Вт),
где k=0.5 - коэффициент (кпд ветроколеса в кольце);
3
ρ - удельный вес воздуха (1.225 кГ/м);
2
V - скорость ветра, действующего на лопасти ветроколеса (м/с);
л
2
S - площадь, сметаемая лопастями ветроколеса (при диаметре 4 м площадь составляет 12.6 м);
3
P=0.5*1.225*72*12.6/2=1440271 Вт, принимаем мощность единичного генератора равной 1.5 МВт.
1
1
1
3
5. Расход воздуха в створе плотины составляет R=S*V=3000*7.2=21600 м/с.
вг
л
2
3
6. Расход воздуха на одном ветрогенераторе составляет R=S*V=12.6*72=907.2 м/с.
1
вг
7. Количество ветрогенераторов составляет N=R/R=21600/907.2=23.8. Принимаем 20 шт. (по размерам центральной части плотины 15*20 м).
8. Мощность всей ВЭлС (20 агрегатов) составляет 30 МВт (30000 кВт).
Таким образом, техническая задача, поставленная к реализации в заявленном изобретении, предложенными техническими решениями реализуется полностью. Из описания конструкции ветроэлектростанции и ее работы видно, что отсутствуют технические сложности ее создания и эксплуатации.
Дополнительно плотина ветроэлектростанции решает проблему ураганных ветров на Байкале, уменьшая скорость ветра на выходе из ущелья.