Безопасная ветроустановка
SAFE WIND TURBINE

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в системах преобразования энергии ветра в электрическую или тепловую энергию.
Все широко используемые ветроустановки, составляющие основную базу ветроэнергетики, имеют общие серьезные недостатки, осложняющие наращивание их численности и единичной мощности - особенно в густонаселенных регионах.
Главными недостатками являются:
- опасность разрушения конструкции, требующая отчуждения территории как ''опасной зоны" в местах расположения ветроустановок;
- визуальный и шумовой дискомфорт с вредным воздействием инфразвука;
- препятствия пролету птиц;
- нарушение природного ландшафта,
- сложности при установке и эксплуатации крупных ветроустановок.
Все это требует перехода на другие - более безопасные - их конструкции. Известно множество вариантов конструкций с горизонтальными и вертикальными осями вращения, однако открытое расположение вращающихся частей на высоте даже при уменьшенных габаритах установки не устраняют все перечисленные недостатки.
Поэтому стала актуальной задача принципиального изменения конструкции ветроагрегатов с безопасным размещением их вращающихся элементов.
Известна ветроустановка, содержащая воздухозаборник с регулируемыми вертикальными лопатками, ветроколесо с лопастями, отличающаяся тем, что ветроколесо расположено внутри воздухозаборника, а его лопатки в сечении выполнены в виде полуокружности, концы которых прикреплены к верхнему и нижнему кольцам, нижнее из которых опирается на центрирующие ролики, выполненные с возможностью вращения со скоростью, большей скорости вращения ветрового колеса, и к осям которых подключены преобразователи энергии, а сверху и снизу ветроколеса расположены разрежители (RU №2168060, F03D 3/04, 2001 г.).
Известна конструкция ветродвигателя по патенту RU №2432493, F03D 3/04, 2011 г. Это ветродвигатель карусельного типа, имеющий ветроколесо с вертикальной осью вращения и корпус, в котором размещено ветроколесо, отличающийся тем, что корпус снабжен конфузором и направляющим аппаратом с установленными в нем жалюзи а также кольцевыми опорами, на которые опираются концы лопастей и их средние участки.
Не вдаваясь в подробный анализ несовершенств конструкции каждого из этих устройств, отметим их общий самый существенный недостаток, а именно, низкий коэффициент использования энергии ветра. Это объясняется тем, что в каждый момент времени в преобразовательном процессе задействовано только меньше половины от общего числа лопастей, остальные же не только бездействуют, но и создают потери энергии, работая в режиме вентилятора.
Наиболее близким по конструкции аналогом можно считать ветроустановку преобразователя по патенту RU №2623637, 2017 г., в которой корпус выполнен в форме улитки, турбина - в виде усеченного конуса и оснащена желобчатыми лопастями, а выходной канал представлен раструбом, расположенным над корпусом турбины. Последний выполнен в форме улитки, то есть с убывающим радиусом закругления стенки, он превращает сжатый конфузором воздушный поток в вихревой, одновременно воздействующий на все лопасти турбины (знакопеременные нагрузки исключены). Желобчатая форма лопастей при их определенной тангенциальной скорости реверсирует набегающий на каждую лопасть поток с иной - пониженной -скоростью, равной разности скоростей потока перед лопастью и ее окружной скоростью, а это значит, что при соотношении этих скоростей 1:0,5 повернутый поток будет иметь относительно лопасти скорость, близкую (по модулю) к скорости самой лопасти, то есть в абсолютном выражении - относительно корпуса -минимальную. При этом почти вся энергия данного потока передается лопасти.
Выполнение выходного канала в виде раструба имеет целью не только обеспечить самоориентацию конфузора в наветренную сторону, но и создание в выходном канале разрежения за счет энергии обтекающего его потока, что необходимо для лучшего удаления "отработавшего" потока из турбины.
При всех преимуществах такой конструкции следует отметить, что она пригодна только для небольших ветроустановок.
С учетом изложенного, при разработке заявляемой ветроустановки была поставлена задача создать высокоэффективный и безопасный ветроагрегат мощностью, соизмеримой с мощностью наиболее распространенных ветроэлектро-агрегатов.
Такая задача решена при разработке конструкции ветроустановки, содержащей преобразователь ветровой энергии в механическую, а также последней - в электрическую либо тепловую энергию, при этом заявляемая ветроустановка - согласно изобретению -выполнена в виде установленного на поворотном основании направляющего устройства -дефлектора, примыкающего к турбинному корпусу в форме улитки, с горизонтально расположенными в нем многолопастными роторными ветротурбинами, оснащенными каналами выхода отработавшего ветропотока в зону разрежения, создаваемую внешним потоком воздуха. При оснащении такой ветроустановки теплогенератором с энергоемким, например, грунтовым тепловым аккумулятором и известными тепломеханическими преобразователями, обеспечивается стабильное энергоснабжение потребителей как тепловой, так и электрической энергией.
Главным техническим результатом заявляемой ветроустановки является повышенная эффективность использования ветровой энергии. К тому же, при ее эксплуатации устраняется дискомфорт и опасность для населения и перелета птиц.
Описание ветроустановки поясняется эскизами, где на фиг. 1 показан ее общий вид, на фиг. 2 дан разрез "А - А", а на фиг. 3 - разрез "Б - Б" по оси турбин.
Заявляемая ветроустановка содержит поворотный блок, состоящий из дефлектора 7, примыкающего к горизонтальной улитке 2, в которой размещены ветротурбины 3 на общем валу 4, установленному в подшипниках 5. Дефлектор / выполнен в виде жесткого каркаса с легкой обшивкой. С фронтальной стороны он может быть затянут металлической сеткой для защиты от попадания случайных предметов. По торцам улитки 2 расположены потокоотводящие каналы 6.
Ветротурбины 3 с желобчатыми лопастями с одного торца имеют сплошную стенку, а другими - открытыми - торцами примыкают к каналам 6. С валом 4 связан механизм передачи вращения (например, коническая пара) вторичному преобразователю энергии. В качестве последнего может быть использован электрический генератор 7 либо теплогенератор, описанный в выше указанном аналоге - ветротепловом преобразователе-накопителе. (В этом варианте с достаточно энергоемким теплоаккумулятором обеспечивается стабильное теплоснбжение, а также бесперебойное электроснабжение - с использованием тепломеханических преобразователей, описанных в патентах RU №№2613337, 2017., 2623728, 2017., 2694568, 2019. и 2728009, 2020.).
Поворотная платформа 8 оснащена флюгером либо известным следящим устройством с сервоприводом для поддержания ориентации дефлектора 1 в сторону набегающего ветропотока. При этом гироскопический эффект вращения турбин поддерживает ориентацию ветроустановки при кратковременных изменениях направления ветра.
Вся ветроустановка базируется на опорной конструкции 9.
В рабочем режиме ветровой поток, уплотняясь и ускоряясь, направляется дефлектором 1 в улитку 2 и сжимающимся вихрем воздействует на все лопатки ветротурбин 3. Передав им большую часть своей энергии, ветропоток удаляется через каналы 6 во внешнее пространство в основном за счет силы разрежения в нем, создаваемого внешним потоком ветра. В таком исполнении эффективность работы ветроустановки будет намного выше, чем у известных ветряков традиционной конструкции.
Ветротурбины 3 через общий вал 4, установленный в подшипниках 5 на краях поворотной платформы 8, передают вращение вторичному преобразователю, например, электрогенератору 7, установленному на опорной конструкции 9. Однако, для обеспечения бесперебойности энергоснабжения целесообразно вторичным преобразователем энергии иметь теплогенератор с энергоемким тепловым аккумулятором, например, описанным в патенте RU №2643877, 2017 г.
В таком исполнении заявляемая ветроустановка станет вполне реальной альтернативой лопастным ветроагрегатам с присущими им недостатками.