ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND POWER PLANT

Изобретение относится к энергетике, а именно к альтернативной энергетике, использующей воздушную среду для вращения ветроколеса осевого типа, установленного в ветроэнергетической установке с целью производства электроэнергии при различных, даже самых неблагоприятных погодных условиях (дождь со снегом, град, ураган, безветрие).
Известна ветроэнергетическая установка напорно-вытяжного действия с системой местного форсирования скорости ветра (RU 2101556 С1, подана 25.03.1996, опубликована 10.01.1998), состоящая из ветрового колеса, вала и генератора, причем ветровое колесо расположено в сопле, заключенном в звукопоглощающую камеру корпуса вытяжной трубы, на которую сверху установлена рабочая насадка, находящаяся между формирующими насадками, и имеются регулировочно-предохранительные клапаны, а в нижней части находится напорная камера, за которой расположен ветроприемник с направляющими лопатками, с внутренними и внешними шторками, перед которым имеются направляющие форсирующие плоскости.
Основной недостаток известной ветроустановки состоит в том, что единственным источником энергии, используемым ею, является непосредственно энергия ветра, вследствие чего при отсутствии ветра производство электроэнергии является невозможным.
Известна ветроэнергетическая установка для производства электроэнергии (евразийский патент №023719, заявка опубликована 30.08.2013, патент опубликован 29.07.2016), включающая симметричный корпус, выполненный с переменным сечением, внутри которого установлен вертикальный вал, на котором горизонтально установлено многолопастное ветроколесо осевого типа и закреплен ротор генератора, ветроприемник с направляющими лопатками, выполненный в нижней части корпуса, устройства для изменения характеристик воздушного потока, установленные выше и ниже многолопастного ветроколеса, рабочую насадку, установленную на выходе ветроэнергетической установки, причем ветроприемник выполнен в нижней части корпуса в виде каналов, образованных наружной поверхностью сужающегося кверху корпуса ветроэнергетической установки и вертикальными ребрами, выполненными на наружной поверхности корпуса, и в виде кольцевого обтекателя, выполненного с аэродинамическим профилем входной и проточной частей, внутри которого установлено ветроколесо, устройства для изменения характеристик воздушного потока выполнены в виде закрепленного направляющего аппарата, снабженного лопатками, установленного во входной проточной части перед ветроколесом, в виде сферического обтекателя, которым снабжено ветроколесо, и в виде дискообразного обтекателя, установленного над ветроколесом на выходе ветроэнергетической установки с зазором и с возможностью вертикального перемещения, при этом дискообразный обтекатель выполнен диаметром, превышающим диаметр ветроколеса. При этом ветроэнергетическая установка может быть снабжена элементами для преобразования солнечного излучения в электроэнергию и аккумулирования ее в электрической батарее ветроэнергетической установки, закрепленными на наружной поверхности ветроэнергетической установки.
Недостатком известного технического решения является существенное вихреобразование, происходящее при столкновении воздушных потоков за корпусом ветроустановки (на стороне корпуса, противоположной фронтальной поверхности, встречающей поток воздуха), имеющим в своей нижней части широкое основание. Турбулентный поток, возникающий с обратной стороны известной установки, отрицательно влияет на производительность ветроколеса, расположенного внутри ветроустановки.
Известна ветроэнергетическая установка «AEROGREEN» (www.aerogreen.info), состоящая из закрепленного на вертикальной стойке корпуса в форме шара, нижняя часть которого представляет собой ветроприемник с направляющими поверхностями, обеспечивающими подачу воздушного потока из нижней в верхнюю часть корпуса, и вертикальными ребрами, установленными под прямым углом к набегающему воздушному потоку, и отделена кольцевым обтекателем от верхней части, выполненной в виде гладкой обтекаемой полусферы, при этом на стойке также закреплены электрогенератор на постоянных магнитах и аэродинамическая турбина, состоящая из двух многолопастных ветроколес, одно из которых закреплено неподвижно и предназначено для направления воздушного потока на подвижное ветроколесо, закрепленное выше неподвижного ветроколеса.
Данная установка наиболее близка к заявляемому техническому решению и выбрана в качестве прототипа. Недостатком известного технического решения является сравнительно низкая производительность, обусловленная торможением воздушных масс и вихреобразованием, возникающими вследствие вертикального исполнения ребер ветроприемника, вдоль которых воздушные массы перемещаются вверх к направляющим лопаткам нижнего неподвижного ветроколеса, обеспечивающего подачу набегающего воздушного потока на лопатки подвижного ветроколеса. Наличие нижнего неподвижного ветроколеса частично выравнивает направление воздушного потока, но создает дополнительные аэродинамические потери, что также снижает производительность ветроколеса, а также повышает материалоемкость и стоимость конструкции в целом.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение сложности и материалоемкости конструкции ветроэнергетической установки, а также повышение производительности.
Технический результат изобретения заключается в повышении производительности ветроэнергетической установки, достигаемом за счет уменьшения вихреобразования, происходящего при столкновении воздушных потоков внутри шарообразного корпуса ветроэнергетической установки, снижения аэродинамических потерь, возникающих при прохождении воздушного потока через различные конструктивные элементы ветроэнергетической установки, а также обеспечения возможности использования дополнительного источника энергии (энергии солнечного излучения), предназначенного для сохранения стабильного уровня производительности установки в отсутствие ветра.
Технический результат достигается тем, что ветроэнергетическая установка состоит из закрепленного на вертикальной стойке корпуса в форме шара, нижняя часть которого представляет собой ветроприемник, который содержит ребра и направляющие поверхности, обеспечивающие подачу воздушного потока из нижней в верхнюю часть корпуса, и отделена кольцевым обтекателем от верхней части, выполненной в виде гладкой обтекаемой полусферы, при этом на стойке также закреплены аэродинамическая турбина и электрогенератор на постоянных магнитах, имеющий электрическую связь с аккумуляторной батареей, при этом ребра ветроприемника имеют криволинейный профиль и выполнены таким образом, что угол ориентации ребер к набегающему воздушному потоку изменяется снизу вверх от 0 до 90°, при этом аэродинамическая турбина состоит из одного подвижного многолопастного ветроколеса, жестко закрепленного на вертикальной стойке.
Технический результат также достигается тем, что в нижней части ветроэнергетической установки, в непосредственной близости к вертикальной стойке расположен технический отсек для источников потребления вырабатываемой электроэнергии.
Технический результат также достигается тем, что вертикальная стойка ветроэнергетической установки выполнена полой, и во внутреннем пространстве вертикальной стойки ветроэнергетической установки расположены дополнительные блоки, предназначенные для накопления электрической энергии.
Технический результат также достигается тем, что на внешней поверхности верхней части корпуса ветроэнергетической установки, выполненной в виде гладкой обтекаемой полусферы, закреплены гибкие солнечные панели.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид ветроэнергетической установки сбоку в разрезе,
на фиг. 2 показан общий вид ветроэнергетической установки сбоку без стойки,
на фиг. 3 показана принципиальная схема движения воздушных масс при работающем ветроколесе, вид сбоку,
на фиг. 4 показана визуализация результатов математического моделирования течения воздушных потоков в предлагаемой ветроэнергетической установке.
Устройство, показанное на фиг. 1 и 2, представляет собой ветроэнергетическую установку шарообразной формы, в нижней части которой расположен ветроприемник, состоящий из боковых ребер 1, имеющих криволинейный профиль, направляющих поверхностей 2. Ветроприемник кольцевым обтекателем 3 отделен от верхней части корпуса ветроэнергетической установки, выполненной в виде гладкой обтекаемой полусферы 4 (далее именуемой верхний обтекатель 4). На внешней поверхности верхнего обтекателя 4 могут быть закреплены гибкие солнечные панели 5. Во внутренней части ветроэнергетической установки, по вертикальной оси - на одном уровне с кольцевым обтекателем 3 - установлено подвижное многолопастное ветроколесо осевого типа с горизонтальной осью вращения 6.
Верхний обтекатель 4 имеет диаметр, больший, чем диаметр многолопастного ветроколеса 6, и закреплен над кольцевым обтекателем 3 при помощи регулируемых по высоте стоек 7 таким образом, что между кольцевым обтекателем 3 и верхним обтекателем 4 всегда имеется зазор.
Многолопастное ветроколесо 6, сопряженное с электрогенератором 8, имеющим электрическую связь с аккумуляторной батареей 9, закреплено на вертикальной стойке 10 ветроэнергетической установки. Вертикальная стойка 10 ветроэнергетической установки может быть выполнена полой, а во внутреннем пространстве вертикальной стойки 10 ветроэнергетической установки могут быть расположены дополнительные блоки 11, предназначенные для накопления электрической энергии. В нижней части ветроэнергетической установки, в непосредственной близости к вертикальной стойке 10 также может быть расположен технический отсек 12 для источников потребления вырабатываемой электроэнергии.
Ветроэнергетическая установка, показанная на фиг. 1 и 2, работает следующим образом. При наличии движения воздуха (ветра) воздушный поток, поступающий с любой из сторон ветроэнергетической установки (всенаправленной в силу своей шарообразной формы), попадает в ветроприемник и перемещается по направляющим поверхностям 2 из нижней части корпуса установки в его верхнюю часть. Движение воздушного потока осуществляется вдоль боковых ребер 1, имеющих криволинейный профиль, при этом направление движения воздушных масс изменяется от горизонтального до вертикального. После этого воздушный поток достигает многолопастного ветроколеса 6 и под оптимальным углом проходит через его лопатки, создавая аэродинамические силы, приводящие ветроколесо 6 в движение. Как показано на фиг. 3, пройдя плоскость многолопастного ветроколеса 6, воздушные массы устремляются в область пониженного давления, которая образуется на верхнем обтекателе 4 при воздействии на него ветра.
Многолопастное ветроколесо 6 закреплено на оси электрогенератора 8, который при своем вращении вырабатывает электроэнергию, которая может накапливаться в аккумуляторной батарее 9 и (или) в дополнительных блоках 11, предназначенных для накопления электрической энергии и дальнейшей передачи ее потребителям. Источники потребления энергии могут быть как внешними по отношению к ветроэнергетической установке, так и внутренними, например, расположенными в техническом отсеке 12 светодиодными лампами.
Размеры верхнего обтекателя 4, превышающие диаметр многолопастного ветроколеса 6, наличие кольцевого обтекателя 3, внутри которого вращается ветроколесо 6, организация движения воздушных масс в ветроэнергетической установке в направлении «снизу вверх», от нижней части корпуса установки к его верхней части в совокупности обеспечивают защиту ветроэнергетической установки от неблагоприятных погодных условий и возможность ее беспрепятственной эксплуатации, например, при наличии осадков в виде дождя, града и мокрого снега.
Внешняя поверхность верхнего обтекателя 4 может быть дополнительно снабжена гибкими солнечными панелями, которые позволяют обеспечить выработку электроэнергии от солнечного излучения вне зависимости от фактической скорости ветра и даже при полном его отсутствии.
В целях проверки технических характеристик и визуализации течения воздушных потоков в предлагаемой ветроэнергетической установке перед проведением опытно-экспериментальных работ было произведено математическое моделирование работы ветроэнергетической установки, результаты которого показаны на фиг. 4. Результаты выполненного математического моделирования предложенной конструкции ветроэнергетической установки подтвердили целесообразность использования криволинейного профиля ребер ветроприемника. При этом установка ребер предпочтительно осуществляется не под прямым углом к воздушному потоку, а под наклоном таким образом, что угол ориентации ребер к набегающему воздушному потоку изменяется снизу вверх от 0 до 90°. Предложенный вариант конструктивного исполнения позволяет снизить аэродинамические потери и исключить потребность в установке неподвижного ветроколеса с направляющими лопатками, необходимого для использования в ветроэнергетической установке, принятой в качестве прототипа.
Проведенные опытно-экспериментальные испытания предлагаемой ветроэнергетической установки также подтвердили ее высокую эффективность и производительность, подтвердив следующее:
1. Использование криволинейного профиля ребер ветроприемника, выполненных таким образом, что угол ориентации ребер к набегающему воздушному потоку изменяется снизу вверх от 0 до 90°, позволяет значительно снизить вихреобразование при работе ветроэнергетической установки. Сказанное объясняется тем, что воздух не ударяется в лобовом столкновении с перпендикулярно установленным по отношению к набегающему потоку вертикальным ребром, но плавно входит в ветроэнергетическую установку под меньшим углом, за счет чего обеспечивается плавное скольжение воздушных масс вдоль ребра в верхнюю часть установки.
2. В связи с тем, что воздушные массы плавно обтекают наклонные ребра криволинейного профиля и меняют свое направление непосредственно при движении вдоль поверхности ребра, обеспечивается возможность для формирования необходимого угла входа потока на лопатки подвижного многолопастного ветроколеса без использования дополнительного неподвижного ветроколеса с направляющими лопатками. За счет этого воздушный поток с минимальными аэродинамическими потерями и без существенного снижения скорости движения поступает сразу на лопатки рабочего многолопастного ветроколеса, что увеличивает производительность ветроэнергетической установки.
3. Исключение из конструкции ветроэнергетической установки неподвижного направляющего многолопастного ветроколеса уменьшает материалоемкость производства установки и соответственно снижает общую себестоимость производства данного вида изделий.
Применение предлагаемой ветроэнергетической установки позволяет эффективно вырабатывать электроэнергию даже при самых неблагоприятных погодных условиях, используя возобновляемые источники энергии. Ветроэнергетическая установка может быть использована для решения широкого круга задач как в промышленности, так и в энергетике.