Каскадный ветрогенератор
CASCADE WIND GENERATOR

Изобретение относится к области энергетики, а именно альтернативной энергетики, и может быть использовано для выработки электрической энергии предпочтительно в условиях жаркого, солнечного климата и гористой местности, где имеются склоны гор с перепадом температуры и давления воздуха по высоте.
Известен проект ветровой электростанции (US, патент 4187686, опубл. 12.02.1980). Согласно известному проекту вдоль крутого склона горы размещают две параллельные трубы, заполненные газом. Вверху и внизу трубы соединены между собой горизонтальными отрезками труб, образуя замкнутую систему сообщающихся сосудов, изолированную от внешней атмосферы. В нижней горизонтальной части системы размещается ветровая турбина с электрогенератором. В нижнюю часть одной трубы впрыскивается горячая вода, а в верхнюю часть другой трубы впрыскивается холодная вода, возникающая разница температур в трубах вызывает движение газа в системе по правилу сообщающихся сосудов и образующийся поток газа вращает ветровую турбину.
К существенным недостаткам указанного проекта станций можно отнести то, что из-за низкой скорости свободного опускания холодного столба воздуха не может реализовываться достаточно высокое значение кинетической энергии воздушных масс, и поэтому мощность и коэффициент полезного действия таких станций невелики.
Известна (патент RU 2444645, опубл. 30.09.2009) горная воздушно-тяговая электростанция, содержащая сообщенный своим входом с нижней стороны и выходом с верхней стороны с атмосферой вертикальный воздуховод, установленный в нем воздушный двигатель, кинематически соединенный с электрогенератором, канал сообщения входа воздуховода с атмосферой с нагревателем атмосферного воздуха в нем. Воздуховод выполнен в виде горной выработки, изолированной от поступления в нее подземных вод, устье которой на земной поверхности является выходом воздуховода, нагревателем является геотермальный коллектор, представленный сухими теплыми (или горячими) породами, характеризующимися вызванной или природной сообщенной трещиноватостью, сообщенный с входом горной выработки, каналом сообщения входа воздуховода с атмосферой является сам геотермальный коллектор, простирающийся до пересечения с поверхностью рельефа горной местности, либо одна дополнительная горная выработка или несколько дополнительных горных выработок, сооруженных с дневной поверхности до геотермального коллектора и расположенных вокруг горной выработки, причем на устье горной выработки установлен шибер; электростанция снабжена побудителем движения воздуха, например вентилятором, в горной выработке.
Недостатком известной электростанции следует признать слишком узкую область применения, обусловленную использованием горной выработки с наличием геотермального коллектора.
Известна (патент RU 160736, опубл. 27.03.2016) ветрогенераторная турбина, содержащая установленный на вертикальной мачте с возможностью поворота вокруг ее продольной оси корпус, лопастные ветродвигатели с горизонтальной осью вращения, кинематически связанные с электрогенераторами, подключенными к общей электрической нагрузке. Корпус выполнен в виде цилиндрической трубы, внутри которой на подшипниковых опорах расположен турбинный вал с, по крайней мере, двумя лопастными ветродвигателями, установленными на нем вдоль оси вала, причем на обоих концах вала, консольно выступающих за опоры, закреплены неподвижно ведущие солнечные шестерни, выполненные двухвенцовыми с внешним зубом, входящие в зацепление с ведомыми зубчатыми колесами привода электрогенераторов, попарно установленных равномерно по кругу на внешней поверхности трубы, со стороны обоих ее торцов, причем число зубьев на ведущих солнечных шестернях больше числа зубьев ведомых зубчатых колес привода электрогенератора, причем место крепления трубы к мачте смещено к одному из торцов трубы.
Известное устройство работает следующим образом. Под давлением ветра на боковую поверхность корпуса последний, благодаря смещению места крепления к одному из торцов трубы, как флюгер, поворачивается вокруг оси мачты, устанавливаясь к ветру торцом трубы. После этого ветер вращает лопасти ветродвигателей, установленных на одном турбинном валу, создавая на нем крутящий момент, который суммируется на солнечных шестернях, выполненных двухвенцовыми. Ведомые зубчатые колеса привода электрогенераторов располагаются через одинаковые интервалы вокруг ведущей солнечной шестерни. Число зубьев на каждом из ведомых зубчатых колес меньше, чем количество зубьев на венцах солнечных шестерен, и поэтому вращение ведомого зубчатого колеса передается на электрогенератор с повышенной частотой вращения, что приводит к повышению КПД.
Основным недостатком данного устройства является резкое сужение его области применения, так как подключение большого количества электрогенераторов к одному турбинному валу приводит к тому, что данное устройство устойчиво работает только при больших скоростях ветра. У него будет большой момент трогания, в результате оно неработоспособно при малых скоростях ветра.
Известное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.
Техническая задача, решаемая с использованием разработанной конструкции, состоит в разработке экологически чистой электростанции нового типа.
Техническим результатом изобретения является увеличение мощности ветрогенератора путем дополнительной установки в воздуховод N осевых турбин, каждая из которых подключена к своему электрогенератору, и форсирования воздушного потока.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать каскадный ветрогенератор разработанной конструкции. Разработанный ветрогенератор содержит, по меньшей мере, наклонный воздуховод цилиндрической формы, в нижней части которого установлен нагреватель, к верхней части указанного воздуховода посредством изогнутого переходника присоединен горизонтально расположенный воздуховод, состоящий из отрезков труб цилиндрической формы различного диаметра, соединенных с возможностью форсирования воздушного потока через уменьшение сечения воздуховода, внутри горизонтального воздуховода соосно с ним установлены, по меньшей мере, две осевые турбины, каждая из которых подключена к своему электрогенератору.
На входе в наклонный воздуховод может быть дополнительно установлен накопитель/ радиатор, выход которого для воздушных масс сообщен с внутренним объемом наклонного воздуховода.
На поверхности накопителя/радиатора может быть установлен с возможностью нагрева находящихся внутри накопителя воздушных масс солнечный коллектор.
На поверхности воздуховода может быть установлен блок солнечных фотоэлектрических элементов, подключенных к электронагревателям, установленным внутри накопителя/радиатора.
Внутри накопителя/радиатора могут быть установлены нагревательные элементы, подключенные к выходу теплогенератора.
На выходе горизонтального воздуховода дополнительно может быть установлен элемент, предотвращающий аэродинамические шумы.
Предпочтительно горизонтальный воздуховод дополнительно содержит, по меньшей мере, два участка, форсирующие воздушные массы, каждый из которых установлен перед турбиной.
Обычно изогнутый переходник выполнен радиусом изгиба, не менее чем в пять раз превышающим диаметр наклонного воздуховода.
Основой каскадного ветрогенератора является наличие воздуховода переменного сечения. Причем первый участок воздуховода расположен на склоне горы и служит для предварительного разгона воздушных масс. Для увеличения и поддержания тяги в нижней части наклонного воздуховода возможно дополнительно использовать нагреватель любого типа. Второй участок воздуховода расположен горизонтально и предназначен для выработки электроэнергии. В нем расположены турбины осевого типа числом не менее двух.
Ось вращения турбин совпадает с осью симметрии воздуховода. Турбины через редукторы связаны каждая со своим генератором. Воздушный поток поступает на лопатки первой турбины, дополнительно разгоняясь за счет сужения воздуховода. Причем воздух на выходе каждой предыдущей турбины, еще раз дополнительно разогнавшись за счет уменьшения сечения воздуховода, поступает на вход следующей турбины.
Количество турбин и, соответственно, количество каскадов ветрогенератора ограничено минимально возможным сечением воздуховода.
На рисунке приведена конструкция разработанного каскадного ветрогенератора в предпочтительной форме реализации. Ветрогенератор содержит наклонный воздуховод 1, накопитель/радиатор 2, тепловой солнечный коллектор 3, блок солнечных фотоэлектрических батарей 4, нагревательные элементы 5, теплогенератор, работающий на любом типе газообразного, жидкого или твердого топлива (не показан), посредством переходника 6 дополнительно присоединенный горизонтальный участок воздуховода 7, содержащий первый 8 суживающий сечение трубопровода участок, первую турбину 9, редуктор первой турбины 10, первый генератор 11, второй 12 суживающий сечение трубопровода участок, вторую турбину 13, редуктор второй турбины 14, второй генератор 15, n-й диффузор 16, n-ю турбину 17, редуктор n-й турбины 18, n-й генератор 19, элемент 20, предотвращающий аэродинамические шумы.
Работа каскадного ветрогенератора основана на использовании кинетической энергии движения воздуха в изолированном воздуховоде. Движение воздуха возникает за счет разности давлений и температур на противоположных концах воздуховода 1, расположенного на склоне гористой местности. Чем больше разность плотности воздуха, тем больше скорость движения воздушных масс в воздуховоде, соответственно, больше мощность установки. Для усиления эффекта часть атмосферно воздуха поступает в накопитель/радиатор 2 нагрева воздушных масс, где осуществляется их нагрев с использованием теплового солнечного коллектора 3 на основе панелей с высокой поглощающей способностью солнечного тепла, установленных на внешней стороне накопителя. Накопитель/реактор 2 представляет собой короб. Кроме того, воздух в накопителе/ радиаторе дополнительно нагревается с использованием нагревательных элементов 5, запитываемых от блока солнечных фотоэлектрических батарей 4, расположенных на внешней стороне воздуховода 1. Накопитель/радиатор имеет возможность нагревать воздух не только на основе прямых солнечных лучей, но и от теплогенераторов, работающих на любом виде твердого, жидкого или газообразного топлива. Такое решение позволяет получить электроэнергию в темное время суток и не зависеть от погодных условий.
Если весь воздуховод сделать наклонным, то часть кинетической энергии воздушных масс будет расходоваться не на выработку электроэнергии, а на совершение работы по поднятию массы воздуха на определенную высоту, зависящую от перепада высот начала и конца воздуховода. Для повышения эффективности ветрогенератора второй участок воздуховода, где расположены турбины, делается горизонтальным. Причем наклонный и горизонтальный участки воздуховода соединяются с использованием переходника 6, радиус которого для уменьшения коэффициента местного сопротивления должен не менее чем в пять раз превышать диаметр наклонного воздуховода.
Мощность ветрового потока, т.е. количество энергии, которое можно выработать, используя кинетическую энергию движения воздуха, определяется выражением:
где
3
q - плотность воздуха в кг/м;
2
S - площадь сечения воздуховода в м;
V - скорость движения воздуха в м/с.
Из формулы (1) следует, что мощность зависит от куба скорости движения воздушных масс.
1
Поэтому, прежде чем войти в контакт с лопатками первой турбины 9, воздушные массы форсируют, т.е. разгоняют до скорости V, за счет сужения горизонтальной части воздуховода 7.
Сужение делается плавно с использованием конусообразного первого суживающий сечение трубопровода участка 8.
Согласно уравнению Бернулли для горизонтального участка трубы:
где
0
0
2
V - скорость движения воздуха на участке воздуховода с сечением Sвм/с;
3
q - плотность воздуха в кг/м;
o
0
2
P - статическое давление воздуха на участке с сечением Sвн/м;
1
V - скорость движения воздуха на участке с сечением S1в м/с;
1
2
P - статическое давление воздуха на участке с сечением S1вн/м;
2
- динамическое давление или скоростной напор вн/м.
Закон Бернулли гласит, что увеличение скорости воздуха (динамического давления) на участке воздуховода с меньшим сечением происходит за счет уменьшения статического давления на участке воздуховода с большим сечением, но в сумме статическое и динамическое давления составляют неизменную величину.
Согласно уравнению неразрывности:
где
0
2
S - площадь сечения воздуховода на участке с большим диаметром вм;
0
V - скорость воздуха на участке воздуховода с большим диаметром в м/с;
1
2
S - площадь сечения воздуховода на участке с меньшим диаметром вм;
1
V - скорость воздуха на участке воздуховода с меньшим диаметром в м/с.
Тогда:
т.е. скорость воздуха увеличивается прямо пропорционально уменьшению площади сечения воздуховода.
Предварительно разогнавшись в суживающем сечение трубопровода участке 8, воздух поступает на лопатки первой турбины 9. Турбина представляет собой многолопастное ветроколесо, выполненное по схеме осевой авиационной турбины. Причем лопатки турбины расположены по периферии ветроколеса, где они работают наиболее эффективно. Центральная часть турбины остается свободной для движения воздушных масс и создает минимальное сопротивление их движению.
Турбина служит для преобразования кинетической энергии воздушных масс в крутящий момент, который с использованием редуктора 10 передается на генератор электрической энергии 11.
11
Проходя через лопатки турбины, воздух тормозится не полностью, так как максимальный коэффициент использования ветра составляет величину 0,593 (критерий Бетца), а до скорости V.
2
Смешиваясь с воздухом, пришедшим через центральную часть турбины, воздух на выходе первой турбины будет иметь суммарную скорость V [4]:
2
где m - масса воздуха, прошедшего через лопатки турбины, в кг;
11
V - скорость воздуха, прошедшего через лопатки турбины, в м/с;
1
m - масса воздуха, прошедшего через центр турбины, вкг;
1
V - скорость воздуха, прошедшего через центр турбины, в м/с;
2
V - суммарная скорость всего воздуха после смешивания в м/с.
1
2
1
2
Далее воздушный поток опять разгоняется до начальной скорости V. Для этого сечение воздуховода с использованием второго суживающего сечение трубопровода участка 12 уменьшают до сечения S. Так как после прохождения лопаток первой турбины 9 скорость воздушного потока на участке воздуховода с сечением S уменьшилась до V, то имеем соотношение:
Отсюда следует:
2
1
1
2
Следовательно, сечение воздуховода надо уменьшить перед второй турбиной 13 в V/V раз. После разгона воздуха на участке 12 он поступает на лопатки второй осевой турбины 13, мощность на выходе которой будет в S/S раз меньше, чем на первой. Турбина 13 с использованием редуктора 14 приводит в движение генератор 15.
2
3
3
Так как кинетическая энергия воздушных масс на второй турбине также не полностью преобразовалась в крутящий момент генератора, то воздух на выходе второй турбины можно подать на вход третьей турбины, предварительно произведя форсирование через уменьшение сечения воздуховода. На третьей турбине мощность вырабатываемой электроэнергии будет естественно меньше, чем на второй в S/S раз, где S - сечение воздуховода на участке, где расположена третья турбина. Всю описанную выше процедуру можно повторить n раз до уменьшения сечения воздуховода в разумных пределах.
На последнем участке горизонтального воздуховода будет расположен n-й суживающий сечение трубопровода участок 16, n-я турбина 17, n-й редуктор 18 и n-й генератор 19.
Для предотвращения аэродинамических шумов воздуховод оканчивается участком 20.
Естественно результатом описанной выше схемы является увеличение суммарной мощности всей установки.
Устройство легко реализуемо на современном этапе развития науки и техники. В качестве генератора можно взять генератор любого типа: на постоянных магнитах, асинхронный, вентильный. Так, выходная мощность генераторов будет лежать в диапазоне от десятков до сотен киловатт, то подобрать генераторы нужной мощности также не составит большого труда.
Воздуховод устанавливают на горном склоне на фундаментных опорах, которые представляют собой вбитые в грунт металлические штыри с приваренными к ним при монтаже ложементами, обхватывающими воздуховод по внешнему диаметру. Воздуховод собран из отрезков облегченных труб, сделанных из пластика (например, из поликарбоната) с минимальной шероховатостью по внутренней стороне для уменьшения трения при движении воздуха. Воздуховод крепят в ложементах при монтаже винтами. Отрезки труб соединяют встык и фиксируют стягивающими хомутами. Участки воздуховода, где расположены сужения, турбины и редукторы, делают из любого подходящего металла, например алюминия.