УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Техническое решение относится к области энергетики, а именно, к области устройств, предназначенных для улавливания и концентрирования природных энергетических потоков, в частности, энергии ветра, и может быть использовано для практического использования энергии ветра для получения электрической энергии в различных областях жизнедеятельности человека.
Одной из основных проблем современной ветроэнергетики в нашей стране в частности является низкая среднегодовая скорость ветра в географических областях, нуждающихся в энергоисточниках. Считается, что для Москвы и Московской области среднегодовая скорость ветра составляет 3,5 м/с. Данная скорость ветра является недопустимо малой для эффективной работы обычных ветроэнергетических установок.
Одним из способов решения проблемы является естественное, не требующее дополнительного вложения энергии ускорение ветрового потока. Экспериментально установлено, что мощность ветрового потока пропорциональна скорости ветра в третьей степени. Увеличение скорости ветра в 2 раза влечет увеличение мощности ветродвигателя в 8 раз.
Однако известные в настоящий момент устройства ветровой энергетики не предназначены для концентрирования ветрового потока и увеличения, таким образом, скорости ветрового потока.
Известна (RU, патент 2081344) конструкция автоматически форсированной ветровой турбины. Известная конструкция содержит неподвижную часть в виде горизонтальных траверс, между которыми в подшипниках установлена вращающаяся часть вертикальный ротор с радиальными плечами в верхней и нижней частях, между которыми размещены попарно вертикальные оси, на одной оси каждой пары закреплена поворотная парусная лопасть, опирающаяся своей хвостовой частью на другую ось, служащую ограничителем ее поворота. При этом турбина дополнительно снабжена неподвижными вертикальными опорами, с которыми жестко связаны горизонтальные траверсы, жестко связанными с валом фланцами, к которым жестко прикреплены радиальные плечи. Кроме того, турбина также снабжена подшипниковыми роликами, установленными на верхнем и нижнем концах осей, служащих ограничителями поворота лопастей, тяговыми канатами, охватывающими канавки подшипниковых роликов, неподвижные концы которых закреплены на неподвижной части конструкции, а другие концы соединены с небольшим предварительным натягом с электромагнитами управления или рукояткой ручного управления, ребрами жесткости, расположенными одним или несколькими рядами между плечами, демпферными ограничителями разворота лопастей, установленными на ребрах жесткости и способствующими возможности эффективного использования и тыльных поверхностей этих лопастей, при этом оси, ограничивающие поворот лопастей, размещены в прорезях плеч с возможностью возвратно-поступательного перемещения и подпружинены, а лопасти выполнены из легкого металла или пластика криволинейными с небольшой крутизной.
Недостатком известной конструкции турбины следует признать неэффективность ее использования при отсутствии значительной, свыше 10 м/сек скорости ветра.
Известна также (RU, патент 2249721) ветряная станция, содержащая ветряные двигатели, каждый из которых состоит из ветряного колеса с изогнутыми лопастями, укрепленными на горизонтальном валу, расположенного в цилиндрическом кожухе с торцевыми стенками, составленном из двух частей - верхней и нижней, с прорезями, при этом на одном конце горизонтального вала укреплена соединительная муфта (гидромуфта), шкив которой соединен с использованием ременной передачи со шкивом электродвигателя, а на другом конце горизонтальный вал соединен с использованием полумуфт с электрогенератором, установленным на несущей конструкции, и снабжена распределительной и пускорегулирующей энергосистемой. Ветряные двигатели, а также вентилятор, укрепленные на основании, объединены между собой, при этом прорезь кожуха первого ветродвигателя с одной стороны соединена с прорезью второго ветродвигателя с помощью воздуховода, а прорезь с другой стороны соединена с отверстием для выхода воздушных масс (диффузором) вентилятора также с помощью воздуховода, причем горизонтальный вал каждого ветродвигателя смещен в цилиндрическом кожухе от центра в сторону выхода воздушных масс.
Недостатком известной ветряной станции также следует признать ее низкую эффективность, обусловленную отсутствием возможности концентрации энергии поступающего воздушного потока.
Известно также (RU, патент 2138684) устройство для преобразования воздушных потоков в электрическую энергию,
содержащее напорную трубу, соосно с центральным стволом шахты которой установлен ветровой электрический генератор с ветровым лопастным колесом, а в основании напорной трубы размещен накопитель энергии. Ветровое лопастное колесо электрического генератора снабжено присоединенной инерционной массой, которая размещена в периферийной части ветрового лопастного колеса.
Также недостатком известного устройства следует признать ее низкую эффективность, обусловленную отсутствием возможности концентрации энергии поступающего воздушного потока.
Техническая задача, решаемая с использованием разработанной конструкции, состоит в расширении возможностей использования средств ветроэнергетики.
Технический результата, получаемый при реализации разработанной конструкции, состоит в обеспечении возможности эффективного использования энергии ветра в регионах с низкими среднегодовыми скоростями ветра.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать устройство преобразования энергии воздушного потока в электрическую энергию, содержащее, по меньшей мере, одну полую тороидальную катушку, установленную на расстоянии от поверхности земли, и, по меньшей мере, два ветровых колеса, жестко связанные между собой и установленные в полой части тороидальной катушки с возможностью перемещения по окружности относительно центра тороидальной катушки, выполненные при этом с возможностью подключения к генератору электрического тока, причем наружная поверхность тороидальной катушки содержит щель, ширина которой позволяет проходить через нее ветровому потоку к ветровому колесу. Преимущественно щель выполняют в части поверхности тороидальной катушки, максимально
удаленной от ее геометрического центра. Это позволяет сконцентрированному ветровому потоку более равномерно поступать в зону размещения ветровых колес. Обычно ширина щели не превышает диаметр полой части катушки, но не меньше половины диаметра ветрового колеса. Устройство может содержать более одной тороидальной катушки, причем указанные катушки имеют общую ось. При этом в каждой из катушек и система их расположения в полости тороидальной катушки может быть различно. В частности, при реализации устройства ветряные колеса могут располагаться по окружности тороидальной катушки симметрично, однако это не является необходимым условием работоспособности устройства, как и условием использования двух ветровых колес. В зависимости от условий работы устройства, а также применения уловленной ветровой энергии количество ветряных колес и их взаимное расположение в полости тороидальной катушки может быть различно. Тороидальная катушка может быть изготовлена из любого механически прочного материала (металла, пластика, текстиля). В зависимости от использованного материала конструкция тороидальной катушки может быть самонесущей или каркасной. Поскольку скорость ветра при приближении к поверхности Земли уменьшается из-за неровностей рельефа и продукции жизнедеятельности человека, желательно тороидальные катушки закреплять на мачте, или на крыше здания, или вокруг здания. Желательно при конструировании устройства соблюсти условие, чтобы соотношение половины площади сечения полой части тороидальной катушки к площади ветряного колеса составляет не менее трех. Это обеспечит эффективную работу устройства.
Работа устройства основана на следующих теоретических предпосылках.
1
1
2
2
Набегающий поток воздуха обтекает тороидальную катушку слева и справа, попадая через щель на лопасти ветряных колес. Согласно закону Бернулли, который справедлив и для ламинарных потоков газа, увеличение скорости потока будет прямо пропорционально увеличению площади, с которой собирают набегающий поток (V·S=V·S). Отклонение потока для обтекания катушки будет при этом незначительным.
Поэтому относительное увеличение скорости потока можно оценить как отношение половины площади сечения катушки к площади ветроколеса.
В дальнейшем сущность решения будет проиллюстрирована с использованием чертежа, представляющего собой вид спереди разработанного устройства, при этом использованы следующие обозначения: тороидальная катушка 1, ее полость 2, ветряное колесо 3.
В предпочтительном варианте реализации разработанное устройство содержит тороидальную катушку 1, в полости 2 которой установлено, по меньшей мере, два ветровых колеса 3, закрепленных на общем ободе, установленном внутри полости 2 тороидальной катушки 1. Катушка установлена на вершине мачты.
Устройство работает следующим образом. Набегающий на тороидальную катушку 1 поток воздуха концентрируется в ее сечении (открытой части) и ускоряется. В открытой части катушки навстречу набегающему потоку расположены, по меньшей мере, два ветровых колеса 2, подключенные к генератору электрического тока, которые и преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую энергию.
Оба ветряных колеса устанавливаются таким образом, чтобы снятие кинетической энергии потока было максимальным. В
частности они могут располагаться симметрично. Ориентирование по ветру происходит предпочтительно за счет самоориентации. Также оно может происходить с использованием двигателей, расположенных в корпусе.
Для увеличения выходной мощности разработанного устройства можно или увеличивать его размеры или размещать несколько аналогичных тороидальных катушек как на некотором расстоянии друг за другом, так и одна над другой.
Иллюстрируя возможности, предоставляемые разработанным устройством, следует отметить, что если внешнего диаметр катушки принять равной D=6 метров, ширину внутреннего радиуса катушки -3 метра, высоту катушки h=1,6 метра и при диаметре ветряного колеса равном d=1,5 метра увеличение скорости потока может достигать:
1
2
S/S=4,8/1,77=2,7 раза,
1
2
2
2
При этом S=Dh/2=4,8 м - площадь сечения с которого собирается набегающий поток, S=3,14·d·d/4=1,77 м - площадь ветроколеса.
Таким образом, скорость набегающего потока может увеличиваться в более чем в 2,5 раза. При этом потери набегающего потока, попадающие в катушку, но не проходящие через ветроколесо буду незначительными.
При скорости набегающего потока в 3,5 м/с скорость потока в сечении ветроколеса может достигать 9 м/с, что является достаточным для эффективной работы установки.