ВЕТРОСОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Заявляемая полезная модель относится к энергетическим установкам, преобразующим энергию ветра и солнца в электрическую или иную энергию для использования в промышленности, сельском хозяйстве, быту и т.п.
Известны ветроэнергетические установки, использующие кинетическую энергию воздушных потоков путем прямого силового воздействия ветра на лопасти ветроколес с горизонтальной осью вращения. («Ветроэнергетика» под ред. Д. де Рензо, - М., Энергоатомиздат, 1982, стр.81-96).
Подобные ветроустановки имеют ряд существенных недостатков:
- большие габариты ветроколеса и высокое удлинение лопастей, что приводит к необходимости применения дорогостоящих материалов и технологий для их изготовления;
- на лопасти ветроколес воздействует неравномерный поток, создающий переменные динамические нагрузки, что приводит к нестабильности параметров, вырабатываемого электрического тока и снижает ресурс работы лопастей;
- значительные потери энергии, связанные с применением мультипликаторов для повышения числа оборотов ротора генератора;
- появление при работе ветроколес большого диаметра, вращающихся с низкой частотой, опасных для людей инфразвуковых колебаний, приводящих к необходимости размещения ветроколес вдали от потребителей, что дополнительно увеличивает потери энергии при ее передаче, затрудняет эксплуатацию и обслуживание.
Для повышения эффективности ветроэнергетических установок предлагается использовать различные конструкции обтекателей для двойного воздействия на турбину ускоренного потока со стороны входного канала и разрежения со стороны выходного канала.
Описанная в патенте Японии №62-11190 кл. F 03 D 1/00, 1987 г. установка-аналог содержит турбину, электрогенератор, узел подвода воздушного потока к турбине, выполненный в виде конфузора, и узел отвода воздушного потока за турбиной, соединенный с зоной пониженного давления.
В этой установке поток воздуха проходит по каналу с несколькими поворотами, что обуславливает повышенное гидравлическое сопротивление и приводит к дополнительной потери энергии потока.
Более совершенной является ветроэнергетическая установка-прототип (см. патент России №2124142 С1 F 03 D 1/04), выполненная в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего ряд кольцевых оболочек с сужающе-расширяющимися каналами и установленной внутри центральной оболочки турбины-ветроколеса. При этом более эффективно реализуется ступенчатое преобразование энергии воздушных потоков, обусловленное одновременным взаимодействием на воздушные потоки в каналах как энергии поступающих в каналы потоков, так и энергии расширения в их выходных сечениях. Кольцевые зазоры между элементами установки-прототипа обеспечивают возрастание скорости воздушного потока при соответствующем падении давления в минимальных сечениях каналов и позволяют увеличить его кинетическую энергию за счет уменьшения его внутренней энергии и энергии давления.
При работе этой ветроэнергетической установки практически отсутствует инфразвук и значительно снижен общий шум за счет наличия внешней кольцевой оболочки с большой хордой, служащей звукозащитным экраном, и за счет более высокой частоты вращения многолопастной воздушной турбины-ветроколеса.
Ветроэнергетическая установка-прототип имеет следующие недостатки:
- сложность конструкции внешней кольцевой оболочки с обшивкой двойной кривизны;
- сложность изготовления и обеспечения жесткости заостренных задних кромок кольцевых оболочек с классическим обтекаемым профилем в продольных сечениях;
- большие габаритные размеры установки, определяемые наружным диаметром и хордой внешней кольцевой оболочки, что усложняет транспортировку и монтаж установки на месте использования;
- низкая эффективность энергоотдачи единицы массы конструкции внешней кольцевой оболочки, так как ею частично преобразуется лишь энергия ветрового потока.
Целью разработки предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции, уменьшение габаритов и повышение эффективности энергетической установки.
Цель достигается тем, что энергетическая установка, выполненная в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего, по крайней мере, одну турбину-ветроколесо, механически связанную с генератором, расположенным в центральной оболочке с, по крайней мере, одним входным каналом турбины-ветроколеса, образованным внутренней кольцевой оболочкой, среднюю и наружную кольцевые оболочки, образующие с центральной оболочкой и между собой сужающе-расширяющиеся каналы, при этом задние кромки кольцевых оболочек выполнены с затуплением 3...5% от их хорд и снабжены кольцевыми дефлекторами с относительными хордами 2...4%, являющимися продолжением внешних поверхностей кольцевых оболочек, оборудованных солнечными фотоэлектрическими преобразователями.
На фиг.1 показан общий вид ветросолнечной энергоустановки. Предлагаемая полезная модель состоит из:
- поворотного опорного узла (1);
- турбины- ветроколеса (2);
- генератора (3);
- центральной оболочки (4);
- кольцевых внутренней (5), средней (6) и наружной (7) оболочек с затупленными задними кромками;
- кольцевых дефлекторов малой хорды (8), (9), (10);
- радиальных профилированных кронштейнов крепления кольцевых оболочек (11).
- солнечные фотоэлектрические преобразователи (12).
Применение затупления задних кромок кольцевых оболочек в указанных пределах позволяет:
- повысить аэродинамическую эффективность профилей колец за счет повышения на 20...25% их несущих свойств, а, следовательно, и понижения давления на внутренних частях обечаек, образующих обводы кольцевых оболочек, а, следовательно, уменьшить на эквивалентную величину их габаритные размеры по длине (Р.Х. Либек «Аэродинамическое проектирование профилей с высоким значением коэффициента подъемной силы». Ракетная техника и космонавтика Т.16 №12, декабрь 1978 г. стр.141, 142);
- упростить конструкцию и повысить жесткость хвостовых частей кольцевых оболочек за счет выполнения их задних кромок в виде кольцевых шпангоутов.
Применение плоских кольцевых дефлекторов с относительными хордами 2...4%, являющихся продолжением внешних поверхностей кольцевых оболочек с затупленными задними кромками позволяет:
- дополнительно примерно на 4...7% увеличить их несущие свойства и, следовательно, повысить разрежение на внутренних поверхностях кольцевых оболочек, приводящее к возрастанию эффективности работы турбины-ветроколеса за счет увеличения на ней перепада давления;
- повысить флюгерную устойчивость, а значит снизить флюгерные потери ветроэсолнечной энергоустановки.
В предлагаемой ветросолнечной энергоустановке для дополнительного повышения ее эффективности на внешних и, частично, внутренних поверхностях кольцевых оболочек могут быть смонтированы полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (солнечные элементы).
Для удобства транспортировки к месту монтажа предлагаемой ветросолнечной энергетической установки, с высокой степенью заводской сборки, ее внутренний объем, ограниченный габаритами внешней кольцевой оболочки, может быть заполнен легкими баллонетами, с газом, плотность которого меньше плотности атмосферы, для обеспечения аэростатической разгрузки массы конструкции. Баллонеты могут удерживаться с помощью специальных сетчатых ограничителей. При этом, на период транспортировки, в носовой части центральной оболочки возможно размещение двигателя внутреннего сгорания и топливных баков для привода воздушной турбины с целью создания пропульсивной тяги для самостоятельного (автоматического или дистанционно управляемого) перемещения всей энергоустановки по воздуху к месту назначения.