АЭРОТЕРМОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
AEROTHERMAL POWER PLANT

Изобретение относится к технике генерирования электрической энергии путем воздействия воздушных потоков на лопасти рабочего колеса, расположенного на одном валу с электрогенератором.
Известны устройства преобразования энергии ветра в механическую, тепловую, электрическую энергию с горизонтальной осью вращения, параллельной или перпендикулярной вектору скорости [1]. К недостаткам таких устройств следует отнести зависимость работы от наличия ветра, чувствительность к изменению его направления, громоздкость диаметра ротора, сложность устройства.
Аналогом является ветроустановка, взятая за прототип, состоящая из неподвижного несущего корпуса (направляющего аппарата), рабочего колеса на вертикальной оси, воздухозаборника, сопла и стабилизатора (Патент №2276743 C1, F03D 3/04 от 10.03.2005) [2].
Недостатком данного устройства является конструктивная сложность аппарата, зависимость от направления ветра, что требует постоянной корректировки совпадения вектора скорости с осью направляющего аппарата и ограничивает эффективную площадь активного взаимодействия лопаток колеса с набегающим потоком, нечувствительность рабочего колеса к воздействию вертикального перемещения воздушных и газообразных масс, имеющих место в приземных слоях атмосферы.
Технический результат:
1) Увеличение эффективности установки за счет расширения диапазона использования атмосферных физических градиентных явлений, приводящих к горизонтальным и вертикальным перемещениям воздушных (газообразных) масс.
2) У становление конструкции сферической формы, набранной из отдельных элементов, увеличивает омываемую площадь ротора.
3) Возможность управления расходом (самотягой) восходящего потока путем теплового или механического воздействия.
Технический результат достигается за счет того, что ротор состоит из сферической конструкции, боковая поверхность которой набрана из отдельных меридианальных элементов, равномерно расположенных в диаметральной плоскости, образующих профилированные криволинейные каналы, и дополнительного многолопастного рабочего колеса, установленного в нижней полярной части сферической конструкции, соединенного общей вертикальной осью со сферической конструкцией, к которому подведен цилиндрический канал снизу от основания опорной части в виде полого элемента опоры либо отдельной трубы, закрепленной на облегченной опорной конструкции, на входе в которые установлен побудитель тяги с регулирующими устройствами, работающий от сжигания любого органического топлива в охлаждаемой камере сгорания или использования сжатых газов (углекислота, азот, воздух).
Использование аэротермоэнергетической установки предложенной конструкции позволяет повысить энергоэффективность устройства за счет энергии низкопотенциальных восходящих газообразных потоков и более полного использования горизонтальных потоков за счет увеличения омываемой поверхности.
Техническое решение: Ротор выполнен в виде сферической конструкции внутри которой, в нижней части на одной вертикальной оси установлено многолопастное рабочее колесо, а ротор в сборе установлен на оголовке полого пространства внутри опоры или трубы в опоре облегченной конструкции.
Данное изобретение позволяет использовать энергию горизонтальных и вертикальных (восходящих) потоков воздуха, возникающих в приземном слое атмосферы за счет градиентов атмосферного давления, плотности и температуры окружающей среды.
На фиг.1, фиг.2, фиг.3 изображены аэротермоэнергетическая установка, общие виды, разрез в диаметральной плоскости сферической конструкции. Она состоит (фиг.1) из основания 1 с полым пространством внутри, сходящегося полого пространства 2 внутри опоры, ротора 3, электрогенератора 4.
В полом пространстве основания 1 на оси сходящегося полого пространства 2 расположен тепловой или механический побудитель тяги 5.
Полое основание 1 и полый сходящийся канал 2 представляют собой опору, которая для установок небольшой мощности может быть выполнена в облегченном варианте (фиг.2). На верхнем оголовке 6 сходящегося полого пространства 2 установлен ротор 3, состоящий из сферической конструкции 7, которая вертикальной осью 8 соединена с многолопастным рабочим колесом 9, расположенным в горизонтальной плоскости. Боковая поверхность сферической конструкции 7 набирается из отдельных элементов 10, равномерно расположенных в диаметральной плоскости, образуя профилированные криволинейные каналы 15 (фиг.3)
Полое пространство основания 1 и сходящееся полое пространство 2 образуют канал для подачи рабочего газообразного агента за счет возникающей тяги, определяющейся разностью плотностей окружающего воздуха в устье полого пространства 2 и у его основания 1.
В основании 1 имеются окна 11, обеспечивающие поступление воздуха в полое пространство 2 из окружающей среды. Электрогенератор 4 защищен от вертикальных потоков обтекателем 12. Ротор 3 с электрогенератором в собранном виде помещается на оголовок 6 полого пространства 2 и центрируется с помощью ребер 13. Ось вращающейся части снабжена подшипниковыми опорами 14 вверху и внизу конструкции. Высота полого пространства 2, его диаметр, материал выбираются исходя из мощности аэротермоэнергетической установки. На фиг.3 показано диаметральное сечение ротора.
Аэротермоэнергетическая установка работает следующим образом. Горизонтальный воздушный поток Г (ветер) набегает на боковую поверхность сферической конструкции 7. Динамический напор воздушного потока воздействует на поверхность элементов 10, приводя сферу во вращение относительно оси 8. Частота вращения сферической конструкции 7 определяется скоростью воздушного потока и плотностью воздуха. Так как сферическая конструкция 7 имеет вертикальную ось вращения, то направление ветра не играет роли.
В атмосфере Земли всегда имеют место восходящие и нисходящие потоки, вызванные климатическими условиями - временем года, температурой, влажностью воздуха, которые в вертикальных каналах создают такое явление, как тяга. Для организации восходящих потоков опора установки выполняется в виде полого пространства (поз.1 и поз.2) и покоится на фундаменте 16. Так как профиль скоростей по сечению восходящего потока не равномерен, то сужение канала приводит к его выравниванию и уменьшает аэродинамические потери. Для дымовых труб котлов и промышленных топливопотребляющих агрегатов при естественной тяге расчетная скорость газов на выходе из трубы выбирается в пределах 6-10 м/с, но не менее 4 м/с [3], для вентиляционных каналов рекомендуемая скорость - 2-4 м/с.
Восходящий поток В, воздействуя на многолопастное рабочее колесо 9, находящееся на одной оси 8 со сферической конструкцией 7, приводит к вращению ротора 3. При одновременном воздействии горизонтального и восходящего потоков их эффект складывается, приводя во вращение электрогенератор. При отсутствии ветра установка может работать за счет восходящих потоков - самотяги.
Управление самотягой (корректировка) осуществляется побудителями тяги 5. Побудитель тяги 5 может быть тепловым, когда регулируется температура воздуха внизу полого пространства 2 путем сжигания любого вида органического топлива - дров, дизельного топлива или горючих газов. При этом температура воздушно-дымовой смеси поддерживается, исходя из соблюдения постоянства расчетной скорости восходящего потока (6-10 м/с).
Камера сгорания, охлаждаемая водой, может одновременно выполнять роль водонагревателя для различных хозяйственных нужд. Так как скорость восходящего потока является важнейшей характеристикой, то для кратковременной работы в качестве побудителя тяги может использоваться любой сжатый газ (азот, углекислота, воздух) от групповой баллонной установки, а необходимый расход устанавливается использованием инжектирования воздуха из окружающей среды. Подвижные элементы ротора 3 - сферическая конструкция 7 и многолопастное рабочее колесо 9 -выполнены из легких материалов, например, из тонкого алюминиевого листа или оцинкованной жести.
Данное устройство может применяться для утилизации энергии нагретых отходящих газов на дымовых трубах котлов, технологических установок, промышленных печей, каналах вентиляционных выбросов, в том числе на крышах многоэтажных жилых домов.
Литература
1. Основы современной энергетики: Курс лекций для менеджеров энергетических компаний / Под общей редакцией гл. корр. РАН Е.В.Аметистова, часть 2. - М.: Издательство МЭИ, 2003, 454 с., ил.
2. Патент РФ №2276743, опубл. 20.05.2006, Бюл. №14.
3. Теплотехнический справочник: Учебное пособие для вузов/Главный редактор проф. П.Д.Лебедев, том 1. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1957, 28 с., ил.