ПАРУСНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к конструкциям ветроэнергетических установок с осью вращения турбины перпендикулярной направлению потока ветра и может быть использовано для сооружения ветроэнергетических установок (ВЭУ) большой единичной мощности.
Известны и широко распространены лопастные ВЭУ, состоящие из одно-, двух-, трех- и более лопастных ветродвигателей, редуктора и генератора и устанавливаемых на мачтах достаточно большой высоты (Зубарев В.В., Проблемы использования энергии ветра для электрификации., - М., 1980.).
Недостатком таких установок является их высокая стоимость (порядка 1 млн долларов США при мощности 1 МВт) и связанный с этим большой срок окупаемости даже при строительстве ВЭУ в районах с большими среднегодовыми скоростями ветра (8-10 м/сек). При небольших скоростях ветра (2-4 м/сек) такие установки только начинают работать и поэтому, как правило, экономически нецелесообразны.
Кроме того, максимальная мощность единичной установки ограничена прочностью материалов используемых для изготовления лопастей и составляет порядка 3-4 МВт, поскольку при диаметре лопастей 50-100 метров линейная скорость на концах лопастей приближается к звуковой.
Известно также устройство с использованием энергии ветра типа парусной турбины (FR №2803336 А1, F03D 3/00, 03.01.2000.).
К недостаткам данного устройства следует отнести небольшую мощность единичной установки и поэтому его ограниченное применение, в частности для отдаленных местностей на морском берегу, для крестьянских хозяйств, что отражено в описании полезной модели.
Наиболее близким по технической сущности аналогом является ветроэнергетическая установка, выполненная в виде конического конфузора, постоянно поворачивающегося по круговой конструкции навстречу ветру с установкой турбины в наименьшем поперечном сечении конфузора, причем ось турбины направлена параллельно ветровому потоку. (BY №10084, F03D 3/00, 30.09.2007).
Недостатком данного устройства является большая потеря напора ветра из-за трения воздуха о стенки конфузора, а также ограниченная максимальная мощность единичной установки из-за сложности конструктивного исполнения.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание такой конструкции установки, которая бы обеспечивала возможность сооружения ВЭУ большой единичной мощности, способной работать даже при небольших скоростях ветра и при этом максимально использовать энергию ветрового потока, охватываемого конфузором.
Концептуальное отличие предлагаемоой полезной модели от известных заключается в следующем: большая часть изобретений направлена на повышение коэффициента использования ветрового потока.
Учитывая, что по некоторым данным («Ветроустановки - одна из основ альтернативной энергетики», Электрика, №1, 2002, М.), энергия ветра на Земле в 50-100 раз превышает все запасы углеводородов, включая леса, если их сжигать, то даже использование одного-двух процентов ветровой энергии могло бы иметь большое значение. Однако этому препятствует высокая стоимость известных ВЭУ и неэффективность их работы при небольших скоростях ветра, характерных для Белоруссии, Украины, большей части России и многих других стран. Поэтому целью предлагаемой полезной модели является снижение удельных затрат на выработку единицы электроэнергии и возможность сооружения ВЭУ большой мощности в условиях небольших среднегодовых скоростей ветра (4-5 м/с).
В настоящее время фактически используются десятые или даже сотые доли процента от всей энергии ветра на Земле и поэтому не так уж важно, какая часть этих долей процента (0.2 или 0.5) будет использована в данной конструкции ВЭУ.
Важно увеличить само использование ветровой энергии, а это напрямую связано со снижением удельной стоимости электроэнергии и возможностью работы ВЭУ при небольших скоростях ветра, что и является целью предлагаемого изобретения.
Мощность ветроэнергетической установки может быть определена по известной формуле (Зубарев В.В., Проблемы использования энергии ветра для электрификации., - М., 1980.):
3
Р=0,0049·ρ·V·F·ξ где
ρ - массовая плотность воздуха; при атмосферном давлении 760 мм. рт. ст. и температуре воздуха +15°С ρ=0,125;
V - скорость воздушного потока, м/с;
2
F - площадь сечения м;
ξ - коэффициент использования ветрового потока.
Максимальное значение ξ не может превышать 0,593 (теоретически установлено проф. Жуковским Н.Е.) Реально изменяется от 0,2 до 0,5 в зоне оптимальных скоростей ветра в зависимости от конструкции ветродвигателя.
В предлагаемом устройстве ξ ориентировочно можно принять равным 0,3. Точное значение будет зависеть от материала конфузора, формы параболы, количества и формы лопаток турбины и может быть получено в результате испытания опытных образцов.
Таким образом, при размерах входного сечения конфузора 60×100 метров (по варианту с вертикальным расположением турбины), технически несложно реализуемых, и скорости ветра у поверхности земли 5 м/с, скорость ветра по высоте конфузора будет увеличиваться. В расчете можно принять среднюю скорость (на высоте 50 м). Мощность ВЭУ при этом составит Р=300 кВт. При скорости ветра у земли 12 м/с мощность ВЭУ составит 4500 кВт.
Технически несложно сооружение ВЭУ и больших размеров для получения большей мощности отдельной установки.
Снижение удельной стоимости предлагаемых ветроэнергетических установок достигается за счет возможности их установки на поверхности земли, на крышах зданий, на стойках, расположенных по периметру направляющей конструкции. Очевидно, что строительство рассредоточенных стоек и фундаментов для них, будет проще сооружения одной мачты, особенно при мощностях порядка 1 МВт и выше.
Снижение стоимости может быть достигнуто также за счет отказа от использования редуктора.
Для изготовления предлагаемой ВЭУ не требуются уникальные композитные материалы, как для изготовления лопостей. В качестве стоек могут быть использованы серийные опоры линий электропередачи, устанавливаемые в сверленые котлованы.
Возможность работы ВЭУ при небольших скоростях ветра обеспечивается за счет того, что конфузор является своеобразным усилителем скорости ветра, приблизительно равным отношению площади наибольшего поперечного сечения конфузора к площади его наименьшего сечения, за вычетом потери напора ветра на трение о стенки конфузора.
Ветродвигатель выполнен в виде продольной многолопастной турбины, устанавленной в наименьшем поперечном сечении конфузора, при этом ось турбины расположена перпендикулярно направлению потока ветра.
Корпус конфузора может быть выполнен из жестких или гибких материалов, например, из парашютной или парусной ткани или из специально созданного материала. Гибкие материалы могут быть использованы частично, по периметру конфузора, где механические нагрузки относительно не велики.
Поворотную конструкцию в виде монорельса или рельсового пути, устанавливают на поверхности земли или на стоечных фундаментах на определенной высоте от земли.
Длина конфузора может быть больше диаметра поворотной конструкции.
На одном валу с турбиной устанавливается электрический генератор с редуктором или без него. Генераторы могут устанавливаться также на обоих торцах турбины.
С целью более равномерной загрузки вала турбины и уменьшения вибрации установки генераторы могут устанавливаться также в нескольких местах по длине турбины (разбивка турбины на секции). В этом случае вал генератора соединяется с валом турбины с помощью ременной, цепной или зубчатой передачи.
Для защиты от разрушения ВЭУ при ураганных скоростях ветра на стенках конфузора выполняются поворотные створки, открывающиеся при предельно допустимых скоростях ветра.
С целью использования фактора увеличения скорости ветра в зависимости от высоты над землей, учитывая что мощность ВЭУ зависит от скорости ветра в третьей степени, установка может выполняться из нескольких конфузоров, устанавливаемых на конструкции один над другим.
С этой же целью, а также для снижения потерь напора ветра на трение о стенки конфузора, конфузор и турбина могут устанавливаться вертикально и ортогонально направлению ветра..
По торцам конфузора устанавливаются поперечные перегородки (крышки) прямолинейной или криволинейной, приближенной к параболе, формы
На чертежах изображены:
Фиг.1 - ветроэнергетическая установка с горизонтальным расположением вала турбины, вид сверху.
Фиг.2 - то же, вид сбоку.
Фиг.3 - сечение ВЭУ в месте установки турбины (сечение А-А).
Фиг.4 - ветроэнергетическая установка, состоящая из нескольких секций.
Фиг.5 - ветроэнергетическая установка для варианта с вертикальным расположением вала турбины, вид сверху.
Фиг.6 - то же, вид сбоку.
Ветроэнергетическая установка включает в себя: конический конфузор 1, многолопастную турбину 2, электрический генератор 3, анкер для защиты от опрокидывания 4, круговую поворотную конструкцию 5, направляющие колеса или тележки 6, или же с приводом для передвижения 7, опорные стойки 8, датчик направления ветра 9, система автоматической ориентации конфузора 10, привод направляющего колеса 11 и открывающиеся створки 12.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка работает следующим образом:
Датчик направления ветра 9 через систему автоматики 10 воздействует на привод 11 ведущего направляющего колеса 7 таким образом, что входное (наибольшее) поперечное сечение конфузора всегда направлено навстречу ветровому потоку.
Ветровой поток, охватываемый конфузором, направляется на продольную турбину 2 и приводит во вращение электрический генератор 3 для выработки электроэнергии.