ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
WIND POWER PLANT AND METHOD OF ELECTRICITY PRODUCING

Изобретение относится к альтернативной энергетике, а именно к использованию энергии воздушных потоков для получения электроэнергии.
Известна ветроэнергетическая установка (патент №2545173, МПК F03D 1/00, 27.03.2015).
Задачей данного технического решения является повышение коэффициента использования энергии ветра в широком диапазоне изменения его скорости и снижение аэродинамического шума при сохранении скорости вращения ветроколеса и электрогенератора.
Поставленная цель достигается тем, что ветроколесо имеет закрепленные на его ступице полые лопасти, изготовленные в виде тел вращения с выполненными в их стенках продольными пазами, в которых размещаются сужающиеся криволинейные каналы с тангенциальными щелями на выходе, направленными по касательной к внешней поверхности лопастей, а компрессор, обеспечивающий через систему каналов подачу воздуха к тангенциальным щелям, содержит рабочее колесо с приводом от устройства с регулируемой скоростью вращения, которое закреплено на консоли вала, установленного на подшипниковых опорах внутри полого ветроколеса, и закрепленный на ветроколесе лопаточный диффузор.
К недостаткам данной установки следует отнести тот факт, что необходимо ориентировать установку по направлению воздушного потока, при этом используя зубчатую передачу, что приводит к потерям на трение.
Другим недостатком является то, что количество воспринимаемого потока воздуха ограничено площадью крыльчатого колеса.
С увеличением габаритов крыльчатого колеса увеличивает вес установки, а также вес фундамента. Кроме того, при вращении крыльчатого колеса создается большой шум.
Известна ветряная система для преобразования энергии и способ получения электроэнергии при помощи такой системы (заявка на изобретение №2009103622, МПК F03D 5/00, Дата публикации заявки: 10.08.2010).
Устройство для преобразования энергии при помощи ветряной системы, приводимой в действие змейковыми аэростатами, содержит для каждого из змейковых аэростатов следующие этапы:
а) управление траекторией полета змейкового аэростата таким образом, что змейковый аэростат проходит поперек относительно направления ветрового течения W, натягивая тросы, соединенные со стрелой ветряной турбины, вращая стрелу благодаря эффекту тяги отходит от стрелы, поднимая противовес системы накопления энергии;
б) управление траекторией полета змейкового аэростата таким образом, что змейковый аэростат проходит в том же направлении, что и ветровое течение W, натягивая тросы, соединенные со стрелой, вращая стрелу благодаря эффекту тяги, и приближается к стреле змейкового аэростата благодаря наматыванию тросов на первые лебедки при помощи первых электродвигателей без снижения противовеса системы накопления энергии;
в) управление траекторией полета змейкового аэростата таким образом, что змейковый аэростат проходит поперечно относительно указанного направления ветрового течения W, натягивая тросы, соединенные со стрелой, вращая стрелу благодаря к эффекту тяги, и отходит от стрелы посредством разматывания тросов через первые лебедки при помощи первых электродвигателей без снижения противовеса системы накопления энергии;
г) управление траекторией полета змейкового аэростата таким образом, что змейковый аэростат проходит в противоположном направлении относительно указанного ветрового течения W, не создавая какого-либо тормозящего эффекта для вращения стрелы ветряной турбины, и приближается к стреле посредством снижения противовеса системы накопления энергии для приема змейкового аэростата в положении, начиная с которого он продолжает движение поперек относительно направления ветрового течения;
д) повторение указанных этапов.
Данные система и способ безусловно позволяют увеличить съем энергии воздушных течений, вместе с тем данная система дорогостоящая, требует дополнительных затрат на обслуживание.
Необходимо также постоянно следить за изменением течений воздушных потоков. При скорости ветра в пределах от 12 м/с до 17 м/с линейная скорость концов лопастей близится к половине скорости звука. Причем, как показали опыты, выработка количества электроэнергии не увеличивается. Сложен способ управления траекторией полета аэростата.
Известны ветроэнергетическая установка и способ преобразования энергии ветра (заявка на изобретение №2014102878, МПК F03D 3/00, Дата публикации заявки: 20.05.2014 г.).
Сущность в том, что установка содержит принимающие энергию ветра элементы, закрепленные на вершинах мачт, каждое основание которых одновременно присоединено к движущимся внутреннему и внешнему бесконечно-замкнутым гибким элементам, расположенным относительно друг друга в горизонтальной плоскости, и электрогенератор, снимающий энергию с них, при этом принимающие энергию ветра элементы занимают вертикальное положение относительно движущихся внутреннего и внешнего бесконечно-замкнутых гибких элементов в режиме рабочего хода с последующим их поворотом в горизонтальное положение в режиме холостого хода, а также имеют возможность фиксации между вертикальным и горизонтальным положениями.
В каждом из принимающих энергию ветра элементов выполнен вырез под мачту.
На каждой вершине мачт установлено поворотное устройство, связанное с валом, прикрепленным к принимающему энергию ветра элементу, а каждый из гибких бесконечно-замкнутых элементов выполнен в виде цепи, или каната, или ремня, или троса.
Способ производства электрической энергии по данной установке производится посредством ветроэнергетической установки, включающий перемещение с помощью мачт элементов, принимающих энергию ветра, на внутреннем и внешнем бесконечно-замкнутых гибких элементах, расположенных относительно друг друга в горизонтальной плоскости, съем энергии потока ветра и преобразование ее в электрическую энергию и неоднократный поворот элементов, принимающих энергию ветра, из вертикального положения относительно движущихся внутреннего и внешнего бесконечно-замкнутых гибких элементов в рабочем режиме для максимального съема энергии ветра в горизонтальное положение в режиме холостого хода для минимального сопротивления потоку ветра и, наоборот, с возможностью их фиксации между вертикальным и горизонтальным положениями.
Данная ветроэнергетическая установка и способ более эффективны по сравнению с предыдущими установками.
Вместе с тем, и это предлагаемое изобретение имеет свои недостатки.
Прежде всего, элементы, принимающие электроэнергию, должны быть ориентированы навстречу движения воздушных потоков, они должны иметь поворотное устройство. Другим недостатком является наличие бесконечно замкнутых гибких элементов в виде цепи, или каната, или ремня, или троса, что приводит к потере энергии на трение.
Способ производства электроэнергии также усложняется из-за неоднократного поворота элементов, принимающих энергию ветра.
За прототип взята ветроэнергетическая установка (патент RU 2251022, МПК F03D 3/00, F03D 3/04, Опубликовано: 27.04.2005).
Сущность этой установки в том, что в ветроэнергетической установке, содержащей ветряное колесо с лопастной ветровой турбиной с вертикальной осью вращения, расположенной внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси ветровой турбины, накопитель энергии и блок управления, новым является то, что установка дополнительно содержит фотоэлектрический преобразователь световой энергии, фотоэлектрические элементы которого установлены на верхней крышке воздухонаправляющего аппарата и связаны с накопителем энергии.
Благодаря такому решению увеличивается объем электроэнергии, вырабатываемой установкой, и ее работа становится более стабильной при постоянно меняющейся силе ветра. При этом габариты установки и занимаемая ею площадь сохраняются прежними, а электрическая часть установки практически не усложняется, т.к. электрическая энергия от фотоэлектрического преобразователя световой энергии подается на штатный накопитель энергии установки. Все это и обеспечивает решение поставленной задачи.
Данная разработка ветроэнергетической установки безусловно позволит увеличить мощность, но она имеет свои недостатки.
А именно, установка имеет открытые элементы, такие как направляющие лопасти и ветровая турбина, фотоэлектрические элементы и генератор подвержены воздействию атмосферных осадков, которые будут препятствовать нормальной работе установки. Так, при выпадении осадков снега может произойти заклинивание движущихся частей установки, так как они не защищены. Более того, снег попавший в воздуховыводящую трубу в безветренную погоду, забьет выход воздуха, а при использовании генератора высокой мощности, греющегося в процессе работы, снег будет таять, превращаясь в воду или лед, что непременно скажется на работе установки.
Достаточно большая ветронагрузка, направленная на вертикальную проекцию установки, приведет к усложнению и удорожанию работ, связанных с монтажом установки на опорах, крышах домов или фундаментах.
Размещение необходимого электрооборудования, такого как аккумуляторная батарея, инвертор, блок управления, вне корпуса установки усложняет конструкцию.
Задачей предлагаемого изобретения является создание ветроэнергетической установки, не требующей ориентации на ветер, обеспечивающей устойчивую работоспособность при ураганных ветрах и других неблагоприятных погодных условиях, с низким уровнем шума и минимальными потерями на трение в движущихся частях.
Задача решается тем, ветроэнергетическая установка содержит элементы, которые направляют воздушные потоки на лопатки турбоколеса установки, генератор с прямым одновальным приводом на турбину. Установка имеет корпус, в верхней части которого расположено турбоколесо, состоящее из неподвижной части и подвижной части со сферическим обтекателем, причем подвижная часть установлена на одном валу с генератором, а неподвижная часть жестко закреплена на корпусе установки. На наружной поверхности корпуса по кругу установлены направляющие кольца, размещенные по высоте друг от друга на определенном расстоянии и в целом образующие шаровидную форму рабочей части установки, на корпусе также расположены вертикальные ребра, образующие совместно с направляющими кольцами, воздушные каналы, плавно сужающиеся к выходу на лопатки неподвижной части турбоколеса, также ребра служат для крепления направляющих колец, лопатки неподвижной части турбоколеса расположены под углом к лопаткам подвижной части турбоколеса, обеспечивающим наибольшее снятие энергии воздушных потоков в соответствии с ОСТ 102571-86. Лопатки компрессоров и турбин. Предельные отклонения размеров, формы и расположение. Подвижная часть турбоколеса изготовлена из легкого и прочного материала (например, легкие металлические сплавы, пластмассы, композиты, пластики), что значительно снижает усилие страгивания и центробежную силу.
Способ получения электроэнергии с помощью ветроэнергетической установки, включающий съем энергии воздушных потоков и преобразование ее в электроэнергию, отличается тем, что улавливают воздушные потоки разных направлений без вращения установки и направляют в воздушные каналы, где, плавно сужая каналы, увеличивают скорость воздушного потока при выходе его на лопатки неподвижной части турбоколеса, отраженный от поверхности лопаток неподвижной части турбоколеса поток направляют на лопатки подвижной части турбоколеса с обтекателем, создают вращение подвижной части колеса с валом, соединенного с генератором и контроллером с образованием электрической энергии, при вращении подвижной части турбоколеса над обтекателем подвижной части турбоколеса образуют снижение давления, тем самым ускоряют выход отработанного воздуха и приток новых воздушных потоков.
Предложенное изобретение поясняется следующими чертежами:
На фиг. 1 дан общий вид ветроэнергетической установки.
На фиг. 2 дан разрез ветроэнергетической установки.
На фиг. 3 показан канал, образованный кольцевым обтекателем и вертикальным ребром.
На фиг. 4 показан вход в канал, прохождение воздушных потоков.
На фиг. 5 показана общая схема прохождения воздушных потоков.
На фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка, состоящая из трех основных частей: рабочая часть установки - (1), стойка - (2), основание - (3).
Рабочая часть установки (1) содержит верхний обтекатель (4) с дном и расположенные под ним на заданном расстоянии турбоколесо (5) и кольцевой обтекатель (6), корпус установки (7) и направляющие кольца (15).
Турбоколесо (5) содержит подвижную часть (8) с лопатками, жестко закрепленную со сферическим обтекателем (11), и неподвижную часть (10) с лопатками. Причем подвижная часть (8) турбоколеса (5) изготовлена из легкого и прочного материала.
Причем турбоколесо (5) находится на одном валу (12) с генератором (13).
Обе части турбоколеса (5) охвачены кольцевым обтекателем (6).
В корпусе установки (7) находятся генератор (13) и аккумулятор с контроллером (14).
На наружной поверхности корпуса установки (7) находятся равномерно расположенные по вертикали направляющие кольца (15) разного размера, в целом, вместе с верхним обтекателем (4) образующие шарообразную форму рабочей части установки (1).
Вертикально вдоль корпуса установки (7) имеются ребра (16), предназначенные для удержания на определенном расстоянии друг от друга направляющих колец (15). Вместе направляющие кольца (15) и расположенные вдоль осевой линии корпуса ребра (16) образуют каналы, которые плавно сужаются к выходу на лопатки неподвижной части (10) турбоколеса (5).
На фиг. 2 дан разрез рабочей части ветроэнергетической установки. Наглядно представлены и указаны: верхний обтекатель (4) с дном, турбоколесо (5), неподвижная часть (10) турбоколеса (5) с лопатками (18), подвижная часть (8) турбоколеса (5) со сферическим обтекателем (11) и лопатками (19), кольцевой обтекатель (б), направляющие кольца (15), ребра (16), корпус установки (7).
На фиг. 3 показаны каналы (17) образованные направляющими кольцами (15) и ребрами (16), расположенные на корпусе установки (7).
На фиг. 4 показан вход в канал, похождение воздушных потоков.
На фиг. 5 показана схема прохождения воздушных потоков, начиная от вхождения воздушных потоков в каналы (17), их прохождение по сужающимся каналам и выходом на лопатки (18) неподвижной части (10) турбоколеса (5), отражение от них и направление на лопатки (19) подвижной части (8) турбоколеса (5) со сферическим обтекателем.
Показан выходящий поток отработанного воздуха из зоны (9) между дном верхнего обтекателя (4) и сферическим обтекателем (11) подвижной части (8) турбоколеса (5).
Установка состоит из рабочей части (1), стойки (2), основания (3).
Рабочая часть (1) выполнена шаровидной, что позволяет принимать воздушные потоки со всех сторон. Рабочая часть (1) имеет сверху верхний обтекатель (4), который защищает установку от осадков, ударов. На ней возможно также устанавливать солнечные батареи, что позволит увеличить мощность установки. Ниже расположен корпус (7) установки с ребрами (16) и направляющими кольцами (15). В верхней части корпуса (7) установлено турбоколесо (5), которое состоит из неподвижной части (10) с лопатками и подвижной части (8) с обтекателем. Подвижная часть насажена на один вал (12) генератора (13). Неподвижная часть жестко закреплена на верхней часть корпуса. Вокруг турбоколеса установлен кольцевой обтекатель (6), он направляет воздушные потоки снизу на турбоколесо, сверху направляет отработанный воздух по сторонам. Вал (12) связан также с генератором (13), который соединен с аккумулятором и контроллером.
Направляющие кольца (15) закрепляются на корпусе при помощи вертикальных ребер (16) по высоте и имеют форму, которая способствует свободному прохождению воздушных потоков в каналы (17). Количество направляющих каналов (17) рассчитывается в зависимости от мощности установки. Для увеличения скорости воздушного потока каналы (17) плавно сужаются к выходу на лопатки неподвижной части (10) турбоколеса. Очень важно подобрать угол между лопатками неподвижной части (10) и лопатками подвижной части (8) турбоколеса. Необходимо, чтобы этот угол обеспечивал наибольшую эффективность взятия энергии воздушных потоков. Важно также рассчитать количество каналов (17).
Как показали расчеты для установок с небольшой мощностью, достаточно иметь 4 или 6 каналов (17). При чем ребра (16), которые образуют каналы (17), имеют форму и располагаются так, чтобы способствовать небольшому закручиванию воздушных потоков, что позволяет несколько увеличить их скорость.
Очень важно создать в установке интенсивный выход отработанного воздуха из установки. С этой целью жестко установлен сферический обтекатель на подвижную часть (8) турбоколеса.
Стойка (2) выполнена полой и внутри ее проходят провода.
Основание (3) и стойка (2) рассчитаны на работу при больших порывах ветра.
Способ получения электроэнергии работает следующим образом.
Воздушные потоки поступают в каналы (17), образованные направляющими кольцами (15) и ребрами (16), увеличивают скорость на выходе благодаря сужению сечения канала (17).
Ускоренный поток воздуха ударяет в лопатки (18) неподвижной части (10) турбоколеса (5), отраженный поток воздуха направляется на лопатки (19) подвижной части (8) турбоколеса (5) и приводит в движение подвижную часть (8). Учитывая, что подвижная часть (8) турбоколеса (5) соединена с валом (12), вал вращается и передает вращение генератору (13). Генератор преобразует механическую энергию в электроэнергию, которая в свою очередь передается в аккумулятор или в сеть через контроллер (14).
Далее при вращении подвижной части (8) турбоколеса (5) со сферическим обтекателем (11) в зоне (9) между сферическим обтекателем (11) турбоколеса (5) и дном верхнего обтекателя (4) создается разрежение давления воздуха и отработанный воздух быстрее уходит из турбины, а следовательно, создает условия для притока новых воздушных потоков.
Для проверки работы установки было изготовлено несколько ветроэнергетических установок и проведены испытания. Результаты показали эффективность и надежность работы конструкции. Для определения производительности установки, независимому немецкому институту (AeroDesignWorksGmbH, г. Кельн, Германия) было поручено повести сравнительный анализ эффективности с турбинными, горизонтально-осевыми и вертикально-осевыми лопастными ветроустановками.
Результаты показали:
- установка работают эффективно, как и предполагалось;
- неподвижная часть и подвижная части турбоколеса работают хорошо;
- выход воздушного потока из турбины свободный;
- давление между дном верхнего обтекателя и сферическим обтекателем турбоколеса низкое, что обеспечивает улучшение выхода отработанного воздуха, а следовательно, обеспечивает приток новых воздушных потоков.
Эффективность предлагаемой установки и способа получения энергии выше на 10% в сравнении с другими ветроустановками.