ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WINDMILL

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в энергоустановках, преобразующих энергию ветрового потока в электрическую энергию.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая вытяжную башню, в которой установлена лопастная турбина, кинематически связанная с генератором (см. авторское свидетельство SU №1000585, кл. F03D 3/04, 28.02.1983).
Недостатком такой установки является относительно невысокий кпд, что связано с конструкцией дефлектора, имеющей сравнительно высокое аэродинамическое сопротивление.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является ветроэнергетическая установка, содержащая вертикальную полую башню и воздушную турбину с электрическим генератором, при этом в верхней части вертикальной полой башни установлены сужающиеся кверху конфузорные насадки (см. патент US №4452046, кл. F03G 7/02, 1984).
Данная установка позволяет более эффективно использовать энергию ветра для преобразования ее в электрическую энергию. Однако дефлектор в виде набора сужающихся кверху насадок имеет сравнительно высокое аэродинамическое сопротивление и не позволяет эффективно преобразовывать статическое давление в кинетическую энергию с формированием высокоскоростного воздушного потока и тем самым увеличить перепад давления в вертикальной полой башни, что сказывается на количестве выработанной электрической энергии.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности использования энергии ветра для выработки электрической энергии.
Технический результат заключается в том, что достигается увеличение эффективности и расширение рабочего диапазона скоростей ветра у ветроэнергетической установки.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ветроэнергетическая установка содержит вертикальную полую башню и воздушную турбину с электрическим генератором, при этом башня выполнена цилиндрической и в ней установлена вертикальная труба с образованием в башне между ее внутренней стенкой и вертикальной трубой кольцевого канала, причем в верхней части башни установлена верхняя конфузорно-диффузорная насадка, самоустанавливающаяся по направлению ветра, конфузорная часть которой сообщена узким ее сечением с кольцевым каналом башни, а диффузорная часть узким сечением - с вертикальной трубой, в нижней части башни установлена нижняя конфузорно-диффузорная насадка, самоустанавливающаяся по направлению ветра, конфузорная часть которой сообщена узким ее сечением с вертикальной трубой, а диффузорная часть узким сечением - с кольцевым каналом башни, при этом конфузорная и диффузорная части указанной конфузорно-диффузоной насадки в нижней части башни на участке с узким проходным сечением снабжены затвором, периодически перекрывающим их с помощью автоматического привода, причем каждый указанный узкий участок выполнен с двумя перепускными каналами с установленными в них обратными клапанами, один из которых сообщен с узким участком перед затвором, а другой - после затвора, при этом эти два перепускных канала сообщены каждый со своей буферной емкостью, а последние сообщены между собой посредством трубопровода, в котором установлена воздушная турбина.
В ходе исследования работы ветроэнергетических установок была выявлена возможность увеличения перепада давления на установленной в вертикальной полой башне воздушной турбине для повышения эффективности ее работы. Для этого в башне установлена вертикальная труба с образованием в башне между ее внутренней стенкой и вертикальной трубой кольцевого канала, причем в верхней части башни установлена верхняя конфузорно-диффузорная насадка, самоустанавливающаяся по направлению ветра, конфузорная часть которой сообщена узким сечением с кольцевым каналом башни, а диффузорная часть узким сечением - с вертикальной трубой, в нижней части башни установлена нижняя конфузорно-диффузорная насадка, самоустанавливающаяся по направлению ветра, конфузорная часть которой сообщена узким сечением с вертикальной трубой, а диффузорная часть узким сечением - с кольцевым каналом башни. В результате в башне формируют два канала и в каждом канале на входе в него с помощью конфузорного насадка увеличивают количество подаваемого в него воздуха, а на выходе за счет эжектирующего эффекта конфузорно-диффузорной насадки снижают давление, откачивая воздух из каналов башни.
Дальнейшего увеличения перепада давления в башне удалось добиться за счет того, что конфузорная и диффузорная части указанной конфузорно-диффузоная насадки в нижней части башни на участке с узким проходным сечением снабжены затвором, периодически перекрывающим их с помощью автоматического привода, причем каждый указанный узкий участок выполнен с двумя перепускными каналами с установленными в них обратными клапанами, один из которых сообщен с узким участком перед затвором, а другой - после затвора, при этом эти два перепускных канала сообщены каждый со своей буферной емкостью, а последние сообщены между собой посредством трубопровода, в котором установлена воздушная турбина.
Повышение давления на напорной стороне воздушной турбины и понижение его на низовой стороне турбины осуществляется за счет нестационарных, ударных явлений. Принцип использования таких явлений состоит в следующем. На начальном этапе работы воздух свободно движется по образованным в вертикальной полой башне каналам со скоростью U. В некоторый момент в каждом канале, образованном конфузорной и диффузорной частями нижнего конфузорно-диффузорного насадка, закрывается затвор, вызывая ударную волну повышенного давления, бегущую навстречу течению воздушного потока. Вторая ударная волна понижения бежит от затвора с противоположной его стороны, вызывая понижение давления за затвором. После достижения ударной волной входа в канал волна отразится от входа в канал и направится в обратном направлении. При описанных выше процессах за счет созданных в каждом канале перед и за затвором перепадах давления открываются установленные в перепускных каналах обратные клапаны и в одну из буферных емкостей, сообщенную с каналом перед затвором по ходу потока, поступает воздушный поток с высоким давлением, а из второй буферной емкости, сообщенной с каналом после затвора, откачивается воздух с соответствующим понижением давления в этой буферной емкости. В результате на воздушной турбине, установленной в соединяющем буферные емкости трубопроводе, создается перепад давления превышающий перепад давления, который создается при простой установке воздушной турбины в вертикальной полой башне. Этот перепад давлений пропорционален первой степени скорости потока, а не ее квадрату, как в обычных ветроагрегатах. В связи с этим рабочее давление на турбине при изменении скорости ветра меняется меньше, чем на обычных машинах, что упрощает регулирование и расширяет рабочий диапазон скоростей ветра.
На фиг.1 схематически представлена описываемая ветроэнергетическая установка.
На фиг.2 представлен вид I на фиг.1.
Ветроэнергетическая установка содержит вертикальную полую башню 1 и воздушную турбину 2 с электрическим генератором (не показан). Башня 1 выполнена цилиндрической и в ней установлена вертикальная труба 3 с образованием в башне 1 между ее внутренней стенкой и вертикальной трубой 3 кольцевого канала 4. В верхней части башни 1 установлена верхняя конфузорно-диффузорная насадка 5, самоустанавливающаяся по направлению ветра, конфузорная часть 6 которой сообщена узким сечением с кольцевым каналом 4 башни 1, а диффузорная часть 7 узким сечением - с вертикальной трубой 3. В нижней части башни 1 установлена нижняя конфузорно-диффузорная насадка 8, самоустанавливающаяся по направлению ветра, конфузорная часть 9 которой сообщена узким сечением с вертикальной трубой 3, а диффузорная часть 10 узким сечением - с кольцевым каналом 4 башни 1. Конфузорная и диффузорная части 9 и 10 указанной конфузорно-диффузоной насадки 8 в нижней части башни 1 на участке с узким проходным сечением снабжены затвором 11, периодически перекрывающим их с помощью автоматического привода (не показан), причем каждый указанный узкий участок выполнен с двумя перепускными каналами 12 и 13 с установленными в них обратными клапанами 14 и 15, один из которых 12 сообщен с узким участком перед затвором 11, а другой 13 - после затвора 11, при этом эти два перепускных канала 12 и 13 сообщены каждый со своей буферной емкостью 16 и 17, а последние сообщены между собой посредством трубопровода 18, в котором установлена воздушная турбина 2.
Набегающий поток воздуха поступает (см. фиг.1) в подвижную, самостоятельно устанавливающуюся по направлению ветра верхнюю конфузорно-диффузорную насадку 5, что позволяет создать восходящий воздушный поток во внутренней трубе 3 за счет эжекции, создаваемой конфузорно-диффузорной насадкой 5, и нисходящий поток в кольцевом канале 4 между внутренней трубой 3 и башней 1. При этом конфузорная часть 6, улавливая встречный ветер, создает напор в верхнем сечении кольцевого канала 4 при создании нисходящего потока, а диффузорная часть 7 обеспечивает плавное расширение восходящего потока и сопряжение его с созданной в узком сечении верхней конфузорно-диффузорной насадки 5 зоной разрежения. Одновременно набегающий поток воздуха поступает в подвижную, самостоятельно устанавливающуюся по направлению ветра нижнюю конфузорно-диффузорную насадку 5, что позволяет создать подпор в нижнем сечении внутренней трубы 3 с формированием в ней восходящего потока. Диффузорная часть 10 нижней конфузорно-диффузорной насадки 8 обеспечивает плавное расширение нисходящего по кольцевому каналу 4 потока воздуха и сопряжение его с созданной в узком сечении нижней конфузорно-диффузорной насадки 8 зоной разрежения. Одновременная установка конфузорно-диффузорных насадок 5 и 8 в направлении ветра осуществляется силовым воздействием на их поверхности ветрового потока благодаря использованию конструктивного решения, заключающегося в несовпадении центров вращения и центров кривизны поверхностей, формирующих их проточную часть.
Преобразование энергии описанных выше восходящего и нисходящего потоков воздуха в электрическую энергию происходит следующим образом (см. фиг.2). Периодически в узком проходном сечении, образованном конфузорной частью 9 нижней конфузорно-диффузорной насадки 8, и в узком проходном сечении, образованном диффузорной частью 10 нижней конфузорно-диффузорной насадки 8, закрывается затвор 11 (поскольку конструкции, установленные в обеих узких частях, идентичны и идентична их работа, представленная на фиг.2 конструкция имеет общие позиции для обеих узких частей), вызывая ударную волну навстречу течению воздушного потока и вторую ударную волну понижения с противоположной стороны затвора 11. После достижения ударной волной входа в канал, образованный узким проходным сечением конфузорной части 9 и диффузорной части 10, волна отразится от входа в канал и направится в обратном направлении. При описанных выше процессах за счет созданных в каждом канале перед и за затвором 11 перепадах давления открываются установленные в перепускных каналах 12 и 13 обратные клапаны 14 и 15, при этом в буферную емкость 16, сообщенную с каналом перед затвором 11 по ходу потока, поступает воздушный поток с высоким давлением, а из второй буферной емкости 17, сообщенной с каналом после затвора 11, откачивается воздух с соответствующим понижением давления в этой буферной емкости 17. В результате на воздушной турбине 2, установленной в соединяющем буферные емкости 16 и 17 трубопроводе 18, создается перепад давления и переток воздуха по трубопроводу 18 через воздушную турбину 2 из буферной емкости 16 в буферную емкость 17. От воздушной турбины приводится в работу электрический генератор, который вырабатывает подаваемый потребителю электрический ток.
Настоящее изобретение может быть использовано для создания ветровых электростанций в энергетической промышленности с получением экологически чистой энергии.