ТРУБНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям.
В настоящее время известно много вариантов ветроэнергетических установок с вертикальной или горизонтальной осью вращения. Наиболее распространена традиционная схема, в которой над землей на мачте размещен 3-х лопастный пропеллер с горизонтальной осью вращения. Он устанавливается на ветер с помощью специального устройства, в котором предусмотрены датчик направления ветра, мотор и привод (Фатеев Е.М. Ветродвигатели. Госэнергоиздат, М. - Л., 1946, стр.42). Основным недостатком этого ветродвигателя является экологический вред, наносимый окружающей среде: шум, вибрации и опасность для птиц. Эти факторы создают дискомфорт для любых живых существ, в том числе, и для человека.
Известны также ветродвигатели серии "Модуль" с горизонтальной осью вращения, в которых пропеллер размещен внутри кольцевого обтекателя (журнал "Наука и жизнь" №9, 2003 г., стр.50, патент РФ №12195, пр. 31.05.1999 г.). К недостаткам упомянутого ветродвигателя следует отнести конструктивную сложность и, следовательно, большую себестоимость по сравнению с традиционной схемой.
Известна также ветроэнергетическая установка "Модуль с лепестками", в которой с помощью пластин-лепестков на выходе создается разрежение в выходном сечении модуля, что, как показали испытания, позволяет повысить мощность установки почти в 1,5 раза (патент РФ №38364 от 04.02.2004 г.). Однако в этой конструкции мощность повышается за счет увеличения габаритов установки, а, кроме того, установка конструктивно сложная и недостаточно прочная.
Известна ветроэнергетическая установка с ускорением потока (патент РФ №2256818 от 22.11.2000 г.), в которой поток ветра разгоняется в сужающемся канале, где в минимальном сечении ("в горле") установлено ветроколесо.
Проведенные испытания (журнал "Наука и жизнь" №9, 2003 г., стр.50) показали, что данная конструкция не увеличивает коэффициент использования энергии ветра.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является «Гелиоветровая энергетическая установка» (патент РФ №2349792 от 13.06.2007 г.), которая представляет собой осесимметричную трубную ветроэнергетическую установку (ТВУ) с горизонтальной осью, шарнирно закрепленную на вертикальной мачте, содержащую последовательно установленные входной раструб с поперечной защитной сеткой, участок трубы, 3 ветроколеса: внутри и снаружи горизонтальной трубы, электрогенератор, диффузор с выходным раструбом, а также плоскую солнечную панель, установленную на хвостовом вертикальном оперении. Недостатком этой установки является неоправданно сложная и аэродинамически неэффективная конструкция.
Задачей предложенной полезной модели является уменьшение стоимости киловатта мощности, а также сведение к минимуму экологического вреда, наносимого окружающей среде.
Технический результат заключается в повышении эффективности ветродвигателя, упрощении конструкции, снижении уровня шума и вибраций.
Технический результат достигаются тем, что трубная ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью, шарнирно закрепленная на вертикальной мачте, содержит последовательно установленные входной раструб с поперечной защитной сеткой, участок трубы с ветроколесом и электрогенератором внутри, диффузором с выходным раструбом и солнечные панели, за которым на расстоянии 0,5÷1,0 диаметра ветроколеса размещен круглый экран с хвостовым обтекателем.
Технический результат достигается также тем, что трубная ветроэнергетическая установка содержит подпружиненные перепускные клапаны перед ветроколесом.
Технический результат достигается также тем, что внутренние поверхности установки покрыты шумопоглощающим материалом, а солнечные панели, вырабатывающие электричество, покрывают внешние поверхности установки.
Технический результат достигается также тем, что защитная сетка вогнута в направлении потока и имеет полусферическую форму.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого ветродвигателя.
На фиг.2 приведен вид ветродвигателя спереди.
Ветродвигатель ТВУ содержит: входной участок 1 в виде конфузорного раструба, на входе в который имеется защитная сетка 2 от попадания птиц, участок 3 - круглую трубу с ветроколесом 4 и электрогенератором 5, диффузор 6, который заканчивается выходным раструбом 7, за ним на расстоянии 0,5÷1,0 диаметра ветроколеса размещен круглый сплошной экран 8 с хвостовым обтекателем 9 полусферической формы. Перед ветроколесом выполнены подпружиненные перепускные клапаны 10. Ветродвигатель шарнирно установлен на мачте 11.
Обоснованием геометрических размеров и соотношений является следующее:
*
1
1. Входной раструб обеспечивает минимальные гидравлические потери полного давления р  перед ветроколесом, т.е.
*
*
1
н
p =0,996р ,
*
1
2
н
н
2
н
р =р+/ρV ,
*
н
где р  - скоростной напор, создаваемый ветром,
н
р - атмосферное давление,
ρ - плотность воздуха,
н
V - скорость ветра.
2
2. Диффузор с экраном обеспечивает минимальные потери полного давления р за ветроколесом
2
2
в/к
3
1
2
р=ζ/ρV +р,
где ζ=0,8÷0,82 - коэффициент гидравлических потерь, (см. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., 1975, стр.443.)
в/к
V - скорость воздуха перед ветроколесом,
3
Р - давление разрежения в зоне между выходным раструбом и экраном.
Проведенные эксперименты показали, что для создания максимального разрежения, необходимого для повышения эффективности ветродвигателя, оптимальное расстояние по оси от максимального сечения выходного раструба до экрана составляет 0,5÷1,0 диаметра ветроколеса.
ТВУ работает следующим образом.
Под действием ветра ТВУ, шарнирно закрепленная на мачте 11, поворачивается входным раструбом навстречу ветру. Входящий в раструб поток попадает на ветроколесо и приводит его во вращение, а электрогенератор, закрепленный на валу ветроколеса, вырабатывает электричество, которое передается потребителю. За ветроколесом поток тормозится в диффузоре и устремляется в зону разрежения между выходным раструбом и экраном. При увеличении ветра до ураганных значений открываются перепускные клапаны 10, и часть потока уходит наружу через отверстия в трубе перед ветроколесом. Для повышения эффективности установки (уменьшения шума и увеличения мощности) ее внутренние поверхности могут быть покрыты шумопоглощающим материалом, а внешние поверхности покрыты солнечными элементами. Снижение шума и вибраций происходит также за счет того, что ветроколесо (основной источник шума и вибраций) заключено в трубу, т.е. отделено от наружной среды стенками трубы.
То, что диаметр ветроколеса в два-три раза меньше габарита установки упрощает конструкцию, т.к. лопасти ветроколеса - наиболее трудоемкий элемент ветроустановки.