УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

УСТРОЙСТВО для ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА
Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована для преобразования энергии воздушных естественных потоков в другие виды энергии, преимущественно в электрическую энергию.
В настоящее время известны различные ветроэнергетические установки для преобразования энергии ветра в электрическую энергию, к которым относятся стационарные устройства, располагаемые на местности в области нахождения воздушных потоков, и которые позволяют использовать естественную энергию ветра для выработки достаточно большого количества электроэнергии. Такие установки являются экологически безопасными, позволяют, не затрагивая больших сельскохозяйственных площадей или районов городского ландшафта значительно увеличить количество электроэнергии, вырабатываемой с единицы площади задействованной поверхности. Установки целесообразно использовать в сельской местности, в области прибрежных морских ландшафтов с постоянным направлением ветра, а также в городских условиях для индивидуального снабжения электроэнергией отдельных строений и зданий. Однако ограничением большинства известных устройств является недостаточно высокая производительность, большие габариты, большое аэродинамическое сопротивление воздушному потоку, поэтому приходится использовать достаточно большое количество укрепляющих конструкцию элементов, различного вида опор и растяжек. При использовании большого количества простых ветровых преобразователей энергии для суммирования их мощности все равно приходится занимать довольно обширные площади.
Для увеличения эффективности преобразования энергии ветра в электрическую энергию обычно используют известные из уровня техники средства, например, такие как соответствующий выбор угла наклона лопастей турбины преобразователя или увеличение площади забора воздуха с одновременным увеличением скорости воздущного потока непосредственно в области вращения лопастей ротора турбины преобразователя. Однако увеличение площади забора воздуха резко увеличивает аэродинамическое сопротивление, что в условиях непостоянных по скорости воздушных потоков резко снижает надежность конструкции. Для увеличения скорости воздущного потока, воздействующего на лопасти турбины, обычно внутреннюю поверхность корпуса устройств выполняют с последовательным сужением и с расщирением по ходу набегающего воздущного потока, а лопасти ротора турбины
F 03 D 5/00
преобразователя располагают внутри внешнего корпуса, перед его входной частью или в области сужения внутренней поверхности корпуса. Однако увеличение площади забора воздуха перед преобразователем резко увеличивает аэродинамическое сопротивление конструкции. Поэтому, в большинстве принимаемых промышленных установок вообще отказываются от использования внешнего корпуса преобразователя или выполняют его простой цилиндрической формы. Такое техническое решение в отличие от установок, не содержащих наружного корпуса, позволяет увеличить ветровой поток, воздействующий непосредственно на лопасти турбины преобразователя, и тем самым увеличит скорость вращения лопастей турбины, а, следовательно, повысить эффективность преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Однако такой простой технический прием, используемый в известных установках, увеличивает аэродинамическое сопротивление устройств преобразования и снижает их надежность в условиях воздействия переменных по скорости ветровых потоков.
Известно устройство для преобразования энергии ветра, содержащие корпус, выполненный трубообразным, преобразователь, установленный внутри корпуса и выполненный с возможностью преобразования вращения лопастей ротора его турбины в электрическую энергию (US, № 4075500).
В этой конструкции корпус выполнен цилиндрическим, что не обеспечивает увеличение скорости воздушного потока в области расположения лопастей турбины преобразователя.
Кроме того, известны устройства для преобразования энергии ветра, содержащие корпус, вьшолненньш трубообразным, внутренняя поверхность которого выполнена с последовательным сужением и с расширением по ходу набегающего воздушного потока, и, по крайней мере, часть наружной поверхности которого выполнена с расширением по ходу набегающего воздущного потока, преобразователь, установленный внутри корпуса и выполненный с возможностью преобразования вращения лопастей ротора его турбины в электрическую энергию. К таким техническим установкам можно отнести известные из уровня техники устройства преобразования энергии ветра в электрическую энергию, выпускаемые компанией Vortec Energy Limited, CFD, CAD модель, и Diffuser Augmented Wind Turbine (DAWT) и другие. (Foreman, K.M., Gilbert, B.L. -Experiments with a Diffuser-Augmented Model Wind Turbine, J. Energy Resour Technol Trans. ASME, Vol 105, 3, 46-53, 1983); (Foreman, K.M., Maciulaitis, A. and Gilbert, B.L, Performance Predictions and Recent Data for
Advanced DAWT Models, ASME Solar Energy Division, Grumman Aerospace Соф., Bethpage, New York, April 1983); (Gilbert, B.L, Oman, R.A. and Foreman, KM.Fluid Dynamics of Diffuser-Augmented Wind Turbines, J. Energy, Vol 2, 6, 368-374, 1978); (Richards, PJ., Hoxey, R.P.  Appropriate boundary conditions for computational wind engineering models using the k-s turbulence model, J. Wind Engng and Ind. Aerodyn., 46«&47, 145-153, 1993); (Foreman, K.M., Maciulaitis, A. And Gilbert, .L.,Performance Predictions and Recent Data for Advanced DA WT Models , ASME Solar Energy Division, Grumman Aerospace Corp., Bethpage, New York, April 1983.); (Phillips, D.G., Flay, R.G.J., Nash, T.A. Aerodynamic Analysis and Monitoring of the Vortec 7 Diffuser Augmented Wind Turbine, IPENZ Trans., Auckland, New Zealand, November 1999.). Эти устройства позволяют в максимальной степени снизить аэродинамическое сопротивление конструкции и за счет увеличения скорости воздушного потока в области лопастей преобразователя значительно повысить коэффициент полезного действия при преобразовании ветровой энергии в электрическую энергию.
Наиболее близким конструктивным решением является устройство для преобразования энергии ветра (модель Vortec 7), содержащее корпус, выполненный трубообразным, внутренняя поверхность которого выполнена с последовательным сужением и с расширением по ходу набегающего воздушного потока, и, по крайней мере, часть наружной поверхности которого выполнена с расширением по ходу набегающего воздушного потока, причем внутренняя поверхность корпуса сообщена каналом с его наружной поверхностью, преобразователь, установленный внутри корпуса и выполненный с возможностью преобразования вращения лопастей ротора его турбины в электрическую энергию (Nash, Т. А.. Design & Construction of the Vortec Seven, NZ Wind Energy Association, First Annual Conference, Wellington, June 1997).
Это техническое рещение позволяет увеличить скорость воздущного потока в области расположения лопастей турбины преобразователя и снизить аэродинамическое сопротивление конструкции.
Ограничением конструкции является то, что внутренняя поверхность и внешняя поверхность корпуса имеет достаточно сложную криволинейную форму корпуса, поэтому требует использования достаточно сложных технологических процессов для изготовления сопла.
Решаемая полезной моделью задача - упрощение конструкции и технологичности ее изготовления без значительного снижения скорости воздушного потока в области лопастей турбины преобразователя и без ухудшения
аэродинамического сопротивления устройства, т.е. при сохранении основных техникоэксплуатационных характеристик устройства, а также удобство транспортировки устройства к месту установки.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении полезной модели, - упрощение конструкции.
Для рещения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве для преобразования энергии ветра, содержащем корпус, выполненный трубообразным, внутренняя поверхность которого выполнена с последовательным сужением и с расщирением по ходу набегающего воздушного потока, и, по крайней мере, часть наружной поверхности которого выполнена с расщирением по ходу набегающего воздущного потока, причем внутренняя поверхность корпуса сообщена каналом с его наружной поверхностью, преобразователь, установленный внутри корпуса и выполненный с возможностью преобразования вращения лопастей ротора его турбины в электрическую энергию, согласно заявленной конструкции внутренняя поверхность корпуса выполнена из пластин, сопряженных своими сторонами в продольном и в поперечном направлении трубообразного корпуса.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
-пластины были выполнены плоскими;
-пластины были выполнены в виде трапеций;
-пластины были выполнены изогнутыми;
-лопасти ротора турбины преобразователя были установлены в области между сужением и расширением внутренней поверхности корпуса;
-пластины были сопряжены своими сторонами с обеспечением аппроксимации поверхностью пластин внутренней поверхности сопла Лаваля;
Кроме того, целесообразно, чтобы и наружная поверхность корпуса была выполнена из пластин, сопряженных своими сторонами в продольном и в поперечном направлении трубообразного корпуса.
Для этого варианта также целесообразно, чтобы:
-пластины наружной поверхности корпуса были выполнены плоскими;
-пластины наружной поверхности корпуса были выполнены в виде трапеций;
Наружная поверхность корпуса 1 также может быть вынолнена из нластин 5, сопряженных своими сторонами в продольном и поперечном направлении корпуса 1 (фиг. 2).
Пластины 5 наружной поверхности корпуса 1 могут быть выполнены плоскими и иметь вид трапеций.
Пластины 5 наружной поверхности корпуса 1 могут быть выполнены изогнутыми.
Наружная поверхность корпуса 1 может быть выполнена с расширением по ходу набегающего воздушного потока S от места области установки лопастей 4 ротора турбины преобразователя 3 внутри корпуса 1 (фиг. 1).
Для уменьшения аэродинамического сопротивления наружной части корпуса 1 угол расширения наружной поверхности корпуса 1 может находиться в интервале  °.
Работает устройство для преобразования энергии ветра (фиг. 1, 2) следующим образом.
Набегающий воздушный поток S поступает в заборную часть корпуса 1 с сужающейся внутренней поверхностью. В области сужения образуется зона пониженного давления, в которой давление минимально, а скорость - максимальна.
Далее воздушный поток S (фиг. 1, 2) поступает в расширяющуюся область и, если внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена с обеспечением аппроксимации поверхностью пластин 6 внутренней поверхности сопла Лаваля, то аэродинамическое сопротивление конструкции - минимально. Часть набегающего воздущного потока S взаимодействует с наружной поверхностью корпуса 1, выполненной с расширением по ходу набегающего воздушного потока S. Расширяющаяся часть корпуса 1 выполняет функцию отсекателя набегающего воздушного потока S. Поэтому за соплом корпуса 1 создается область пониженного давления (разряжения), а это увеличивает поступление воздуха во внутреннюю поверхность корпуса 1 со стороны набегающего воздущного потока S. Чтобы обеспечить ламинарность потока внутри корпуса 1 при больших скоростях набегающего воздушного потока S выполнен канал 2 между наружной и внутренней поверхностями корпуса 1.. Для уменьшения аэродинамического сопротивления наружной части корпуса 1 угол расширения наружной поверхности корпуса 1 может находиться в интервале . Конкретные параметры угла расширения зависят от средней скорости воздушного потока S, характерного для данной местности, и от габаритных размеров конструкции. 6
-наружная поверхность корпуса была выполнена с расширением по ходу набегающего воздушного потока от места области установки лопастей ротора турбины преобразователя вн5три корпуса;
-угол расширения наружной поверхности корпуса находился в интервале .
Указанные преимущества, а также особенности настоящей полезной модели поясняются лучшим вариантом ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 изображает продольное сечение конструкпии;
Фиг. 2 - вид на конструкпию со стороны набегающего воздушного потока.
Устройство для преобразования энергии ветра (фиг. 1, 2) содержит корпус 1, выполненный трубообразным. Внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена с последовательным сужением и с расширением по ходу набегающего воздушного потока S (фиг. 1). По крайней мере, часть наружной поверхности корпуса 1 выполнена с расширением по ходу набегающего воздушного потока S. Внутренняя поверхность корпуса 1 сообщена каналом 2 с его наружной поверхностью. Преобразователь 3 установлен внутри корпуса 1 и выполнен с возможностью преобразования вращения лопастей 4 ротора его турбины в электрическую энергию. Согласно з 1явленной конструкции внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена из пластин 5, сопряженных своими сторонами в продольном и в поперечном направлении с образованием сплощной внутренней поверхности корпуса 1 (без образования зазоров между пластинами 5 за исключением канала 2).
Пластины 5 могут быть выполнены плоскими и иметь вид трапеций (фиг. 2).
Для улучшения аппроксимации внутренней поверхности сопла корпуса- 1 пластины 5 могут быть выполнены изогнутыми (на фиг. 1 показана тонкой линией внутренняя поверхность «идеального сопла, вдоль которой пластины 5 могут быть изогнуты).
Лопасти 4 ротора турбины преобразователя 3 могут быть установлены в области между сужением и расширением внутренней поверхности корпуса 1, т.е. там, где скорость воздушного потока S максимальна.
Пластины 5 могут быть сопряжены своими сторонами с обеспечением аппроксимации поверхностью пластин 5 внутренней поверхности сопла Лаваля, которое обеспечивает минимальное аэродинамическое сопротивление.
Изготовление корпуса 1 из отдельных пластин 5 позволяет упростить конструкцию и изготовить устройство при формировании его поверхности близкой к криволинейной, упростить транспортировку устройства (в разобранном виде) к месту его установки, а также обеспечить сборку устройства непосредственно в месте установки. Пластины 5 могут быть соединены между собой различными обычными видами разъемных и неразъемных соединений, например, винтами, заклепками или сваркой. Максимальный габаритный размер корпуса 1 может при этом составлять до 15 м. Понятно, что потребителю при изготовлении конструкции в собранном виде, когда корпус 1 выполнен сплошным и единым подобно Vortec 7 или техническому решению по указанному патенту США транспортировать и устанавливать такую конструкцию на местности крайне неудобно. Заявленная конструкция при незначительном снижении ее технических характеристик (1-2%) по вырабатываемой электроэнергии, что практически незаметно в сравнении с реальным изменением скорости ветра на местности, позволяет полностью использовать все преимущества уже известных производительных, с улучшенными техническими характеристиками устройств.
Наиболее успешно заявленное устройство для преобразования энергии ветра промышленно применимо в области альтернативной энергетики, использующей экологически чистые технологии получения электроэнергии, не требующие затрат различных видов топлива и не приводящие к нарушению природных процессов в окружающей среде.