ВЕТРОСТАНЦИЯ НА ОСНОВЕ ВЫСОТНОГО ЗДАНИЯ
WIND-DRIVEN ELECTRIC POWER STATION BASED ON HIGH-RISE BUILDING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ветроэлектрическим установкам, а именно, к ветростанции на основе высотного здания из ветровых турбин с вертикальной осью вращения.
Уровень техники
Ветрогенераторы, также называемые ветроэлектрическими установками, представляют собой устройства для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора турбины с последующим её преобразованием в электрическую энергию. По типу турбин ветрогенераторы разделяются на установки с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Наиболее распространенными являются ветровые турбины с горизонтальной осью вращения, их КПД на практике достигает 40%, однако они обладают рядом принципиальных недостатков. Мощность ветрогенератора зависит от мощности воздушного потока, определяемой скоростью ветра и ометаемой площадью, поэтому размеры роторов у промышленных генераторов такого типа весьма велики. Такие ветрогенераторы громоздки, дороги в производстве, монтаже и эксплуатации. Работа ветровых турбин с роторами больших размеров (от 1 метра и более) приводит к появлению характерного шума и вибраций, вызывающих существенный дискомфорт у человека, из-за чего их эксплуатация в заселенной и особенно городской зоне ограничена или запрещена. Проблемными вопросами эксплуатации таких турбин также является обледенении лопастей роторов и необходимость их торможения при чрезмерном увеличении ветровой нагрузки. Кроме того, роторы турбин такого типа часто служат причиной гибели птиц.
Части указанных недостатков лишены ветровые турбины с вертикальной осью вращения, которые могут быть основаны на достаточно компактных вертикально-осевых роторах. Такие установки могут размещаться в городской среде, поскольку не генерируют воспринимаемых человеком шумов и вибрации. Для повышения мощности, компактные вертикально-осевые турбины могут объединяться в ветростанции.
Известен ветряной двигатель (RU2294452 C1, опубл.27.02.2007), состоящий из установленных одна над другой секций, каждая из которых содержит полый цилиндрический ротор с вертикальными лопастями, размещенный в направляющем воздушный поток статоре. Статор в свою очередь содержит вертикальные лопатки, установленные между круглыми жесткими основаниями. Лопасти ротора и лопатки статора представляют собой части цилиндрических поверхностей, расположенных выпуклостью по ходу вращения ротора. Радиус кривизны лопаток статора больше, чем радиус кривизны лопастей ротора, а количество лопаток каждой секции статора в два раза больше количества лопастей каждого цилиндрического элемента ротора. Описанный статор создает для ротора направленный закручивающийся воздушный поток, оптимизируя его условия работы и повышая эффективность ветряного двигателя. Секционная конструкция упрощает монтаж и обслуживание установки, а также позволяет масштабировать ее по высоте, увеличивая ометаемую площадь (роторов во всех секциях), т.е. мощность ветрогенератора.
Тем не менее, конструкция турбины на основе статора с неподвижными лопатками не представляется оптимальной с точки зрения эффективности. В известном решении предусмотрено только масштабирование размеров ветростанции по высоте. Такой ротор остается потенциально опасным для птиц. Не решенным является и вопрос защиты ротора от чрезмерной ветровой нагрузки. Тем не менее, указанный ветряной двигатель является наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбран в качестве его прототипа.
Учитывая постоянную потребность современного мира в использовании источников возобновляемой энергии, актуальной является задача создания мощных ветростанций в городской среде, на решение которой и направлено настоящее изобретение.
Раскрытие изобретения
Согласно настоящему изобретению предложена ветростанция, содержащая множество турбин ветрогенератора с вертикально-осевым ротором, отличающаяся тем, что турбины ветрогенератора установлены на фасаде высотного здания с образованием единого генерирующего комплекса для электропитания здания и/или внешних потребителей и функционируют независимо друг от друга.
Высотные здания воспринимают высокую и постоянную ветровую нагрузку, причем вследствие специфики аэродинамики высотных зданий непосредственно у фасада здания имеют место восходящие и нисходящие воздушные потоки, образуемые при обтекании здания ветром в зонах повышенного и пониженного давления, соответственно. Восходящие и нисходящие воздушные потомки вдоль фасада здания также формируются из-за разницы температур между поверхностью здания и окружающим воздухом. Поэтому применение турбин с вертикально-осевым ротором на фасаде высотного здания позволяет максимально увеличить эффективность ветростанции согласно изобретению. Кроме того, применение отдельных, функционируют независимо друг от друга, турбин позволяет создать мощную ветростанцию даже на основе компактных турбин, существенно упрощая монтаж и эксплуатацию ветростанции.
Предпочтительно, в составе ветростанции используют компактные турбины ветрогенератора, с размерами от 500 до 1000 мм в высоту и от 300 до 800 мм в ширину, установленные по существу с равномерным распределением по фасаду высотного здания на высоте от 30 метров и выше от основания здания. Турбины такого типа работоспособны даже при малых скоростях воздушного потока, порядка 1 м/сек, а у высотных зданий на указанной высоте имеет место по существу постоянная ветровая нагрузка. Таким образом, в изобретении обеспечивается высокая эффективность и бесперебойность работы ветростанции. Кроме того, компактность турбин устраняет проблему воспринимаемых человеком шумов и вибраций, упрощает монтаж и эксплуатацию ветростанции.
Установка таких ветростанций на высотных зданиях не требует больших затрат - компактные турбины могут быть размещены на фасаде без существенного ухудшения внешнего вида здания, скрыты или же встроены в дизайн здания. Изобретение позволяет преобразовать высотное здание в мощную электростанцию, способную не только обеспечить внутренние потребности в электроэнергии, но и выдавать электроэнергию внешним потребителям, например, в ночное время, когда потребление электроэнергии внутри здания ограничено.
Согласно варианту осуществления изобретения каждая из турбин в составе ветростанции содержит неподвижный цилиндрический корпус, состоящий из двух оснований с закрепленными между ними открывающимися наружу шторками, и установлена на фасаде высотного здания с помощью устройства сопряжения с обеспечением возможности полного открытия шторок корпуса. Защитные корпуса с закрывающимися шторками защищают роторы турбин ветростанции от чрезмерной ветровой нагрузки, например, в условиях урагана, а также обеспечивают безопасность птиц.
Устройство сопряжения согласно данному варианту осуществления состоит из опорного кронштейна, установленного на фасаде здания, и блока сопряжения, закрепленного на корпусе турбины с возможностью разъемного соединения с опорным кронштейном для установки турбины на фасаде высотного здания. Опорный кронштейн может содержать разъем подачи электропитания и вход трубопровода отвода конденсата из турбины, а блок сопряжения - соответствующие разъем подключения электропитания и выход трубопровода отвода конденсата из турбины, предназначенные для соединения с упомянутыми элементами опорного кронштейна при установке турбины на фасаде высотного здания. Таким образом, обеспечивается простота монтажа и обслуживания турбин, а также возможность независимой работы турбин в составе ветростанции.
Согласно варианту осуществления изобретения каждая турбина содержит концентратор вертикального воздушного потока в виде сужающегося к нижнему основанию корпуса турбины канала для захвата и ускорения восходящего потока воздуха, движущегося вдоль фасада высотного здания. В предпочтительном варианте концентратор вертикального воздушного потока имеет форму усеченного конуса, верхним основанием которого является нижнее основание корпуса турбины, причем внутри канала концентратора установлены неподвижные лопатки для закручивания ускоряемого потока воздуха. Такой концентратор существенно повышает эффективность работы турбин, не усложняя при этом их конструкцию и конструкцию ветростанции в целом.
Согласно следующему варианту осуществления изобретения, каждая турбина в составе ветростанции содержит блок управления, выполненный с возможностью контроля условий работы турбины и управления шторками корпуса. Блоки управления обеспечивают функционирование турбин независимо друг от друга. При этом работой ветростанции, как единого генерирующего комплекса, может управлять центральная система управления посредством связи с блоками управления каждой из турбин в составе ветростанции.
Согласно другому или дополнительному варианту осуществления изобретения в высотном здании предусмотрен накопитель энергии и/или устройство выдачи энергии  внешним потребителям.
Достигаемый технический результат состоит в обеспечении возможности создания ветростанции в городской среде, на основе высотного здания, без негативного воздействия на людей. Кроме того, достигается повышение эффективности и мощности ветростанции, обеспечивается стабильность и бесперебойность работы, защита роторов ветрогенераторов от чрезмерной ветровой нагрузки, снижается опасность ветростанции для птиц.
Краткое описание чертежей
Ниже представлено описание некоторых вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 – представлен общий вид ветростанции согласно изобретению из турбин ветрогенератора с вертикально-осевым ротором, установленных на фасаде высотного здания;
Фиг.2 – представлен укрупненный вид турбины ветрогенератора с фиг.1 с закрытыми створками корпуса;
Фиг.3 – представлен укрупненный вид турбины ветрогенератора с фиг.1 с открытыми створками корпуса;
Фиг.4 – представлен укрупненный вид турбины ветрогенератора с фиг.1, отсоединенной от опорного кронштейна на фасаде здания.
Осуществление изобретения
Общий вид ветростанции согласно изобретению из множества турбин 1 ветрогенератора с вертикально-осевым ротором, установленных на фасаде высотного здания 2,  представлен на фиг.1. Турбины 1 ветрогенератора установлены по существу с равномерным распределением по фасаду высотного здания 2, предпочтительно, на высоте от 30 метров и выше от основания здания 2, с образованием единого генерирующего комплекса. При этом каждая из турбин 1 ветрогенератора в составе ветростанции может функционировать независимо от других, как более подробно поясняется ниже.
В предпочтительном варианте турбины 1 ветрогенератора имеют компактные размеры: от 500 до 1000 мм в высоту и от 300 до 800 мм в ширину. Однако изобретение не ограничено указанными параметрами размеров турбин 1 ветрогенератора, которые могут изменяться в зависимости от варианта реализации, в частности, в зависимости от параметров и геометрии фасада высотного здания 2.
Как показано на фиг.2 и 3, каждая турбина 1 ветрогенератора содержит неподвижный цилиндрический корпус 3, состоящий из двух оснований с закрепленными между ними открывающимися наружу шторками 4, и установлена на фасаде высотного здания 1 с помощью устройства 5 сопряжения с обеспечением возможности полного открытия шторок 4 корпуса.
Как можно видеть на фиг.4, устройство 5 сопряжения состоит из опорного кронштейна 6, установленного на фасаде здания 2, и блока 7 сопряжения, закрепленного на корпусе 3 турбины с возможностью разъемного соединения с опорным кронштейном 6 для установки турбины 1 на фасаде высотного здания 2. Опорный кронштейн 6 содержит разъем 8 подачи электропитания и вход 9 трубопровода отвода конденсата из турбины. Блок 7 сопряжения в свою очередь содержит соответствующие разъем подключения электропитания и выход трубопровода отвода конденсата из турбины (не показаны на чертежах), предназначенные для соединения с упомянутыми элементами 8 и 9 опорного кронштейна 6 при установке турбины 1 на фасаде высотного здания 2. Предложенный способ установки турбин 1 ветрогенератора на фасаде высотного здания 2 с помощью разъемного соединения с опорным кронштейном 6 существенно облегчает монтаж и обслуживание ветростанции. В случае необходимости технического облуживания или выхода отдельной турбины 1 из строя, она может быть легко демонтирована, без прерывания работы других турбин ветростанции.
Кроме того, как можно видеть на фиг.2-4, каждая турбина 1 ветрогенератора содержит концентратор 10 вертикального воздушного потока в виде сужающегося к нижнему основанию корпуса турбины канала для захвата и ускорения восходящего потока воздуха, движущегося вдоль фасада высотного здания 2. Концентратор 10 вертикального воздушного потока имеет форму усеченного конуса, верхним основанием которого является нижнее основание корпуса 3 турбины, причем внутри канала концентратора 10 установлены неподвижные лопатки 11 для закручивания ускоряемого потока воздуха. Предпочтительно, неподвижные лопатки 11 имеют профиль, идентичный профилю шторок 4 корпуса, и расположены так, что формируют продолжения шторок 4 корпуса в состоянии открытия, как показано на фиг.3.
Турбины 1 ветрогенератора могут иметь роторы сложной формы, в частности, составные роторы из нескольких вращающихся независимо друг от друга частей, лопатки которых могут образовывать ротор Угринского.
Турбины 1 ветрогенератора в составе ветростанции согласно изобретению, а также устройства 5 сопряжения для них могут изготавливаться из различных материалов, в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации, в том числе из металла, пластика и/или резины, с помощью любых известных способов изготовления, включая ковку, штамповку, литье, механообработку и 3D (трехмерную) печать.
В предпочтительном варианте осуществления каждая турбина 1 ветрогенератора содержит блок управления, выполненный с возможностью контроля условий работы турбины 1 и управления шторками 4 корпуса. Контроль условий работы турбины 1 включает в себя, по меньшей мере, измерение ветровой нагрузки на ротор и температуры турбины, осуществляемое соответствующими датчиками, установленными внутри и/или снаружи корпуса 3 турбины (не показаны на чертежах). В частности, ветровая нагрузка может измеряться с помощью датчика или датчиков давления, или же оцениваться на основании показаний тахометра, измеряющего скорость вращения ротора турбины 1. Управление шторками 4 корпуса заключается в открывании и закрывании шторок 4 корпуса в автоматическом режиме, в зависимости от ветровой нагрузки. Предпочтительно, открывание и закрывание шторок 4 корпуса осуществляется регулируемым образом, так что шторки 4 могут фиксироваться в любом промежуточном положении, между крайними положениями полного закрытия и полного открытия. Таким образом, каждая из турбин 1 ветрогенератора в составе ветростанции согласно изобретению может регулировать ветровую нагрузку на ротор, обеспечивая по существу равномерную скорость входящего воздушного потока для стабильной работы турбины 1, а также автоматическую защиту ротора турбины 1 от чрезмерной ветровой нагрузки. Управление шторками 4 корпуса может быть реализовано с помощью соответствующих исполнительных элементов, любыми известными специалистам в данной области техники способами.
Наличие блока управления в каждой отдельной турбине 1 ветрогенератора обеспечивает возможность независимого функционирования турбин 1 в составе ветростанции. При этом, работой ветростанции, как единого генерирующего комплекса, управляет центральная система управления, предпочтительно расположенная непосредственно в высотном здании (не показана на чертежах), посредством связи с блоками управления каждой из турбин 1 в составе ветростанции. В здании также должен быть предусмотрен накопитель энергии и/или устройство выдачи энергии внешним потребителям.
Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления, каждая турбина 1 ветрогенератора оборудована встроенным накопителем энергии для обеспечения независимого питания компонентов турбины вырабатываемой ей электроэнергией. Накопитель энергии может быть реализован на базе ионистора (суперконденсатора) и располагаться в отдельном отсеке, расположенном над корпусом 3 турбины 1 ветрогенератора (не показан на чертежах), вместе с блоком управления турбиной 1. В других вариантах осуществления накопитель энергии может быть реализован на базе аккумуляторных элементов других типов, расположенных внутри корпуса 3 турбины или вне его.
Во время работы ветростанции шторки 4 корпуса турбины 1 ветрогенератора открываются, а ротор турбины 1 начинает вращаться уже при малой скорости ветрового потока, порядка 1 м/сек. В начальной стадии скорость вращения роторов в турбинах 1 составляет порядка 20-40 оборотов/мин. При увеличении ветровой нагрузки скорости вращения роторов в турбинах 1 в составе ветростанции возрастают. При достижении предельной скорости вращения, порядка 700-800 оборотов/мин, блоки управления турбин 1 или центральная система управления ветростанцией соответствующим образом регулируют степень открытия шторок 4 корпуса в каждой из турбин 1 для ограничения входящего ветрового потока, стабилизации работы ветростанции и защиты турбин 1 от чрезмерных нагрузок.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает возможность преобразования высотное здание в мощную электростанцию, способную не только обеспечить собственные потребности в электроэнергии, но и выдавать электроэнергию внешним потребителям, например, в ночное время, когда потребление электроэнергии внутри здания ограничено. Ветростанция согласно изобретению отличается высокой эффективностью и стабильностью работы, легко масштабируема, проста в монтаже и обслуживании, не вызывает дискомфорта у людей и безопасна для птиц.
Необходимо понимать, что варианты осуществления, описанные выше для  раскрытия и пояснения сущности изобретения, ни в коей мере не ограничивают объем правовой защиты, определяемый исключительно формулой изобретения.