УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ РАЗРУШАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВИХРЕВОГО ВЕТРА И ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ОТ ВЕТРОВОГО ПОТОКА

Полезная модель относится к области защиты жизнедеятельности от воздействия опасного вихревого ветра (торнадо, смерча), вызываемого циклонами, а также к области ветроэнергетики, а именно к получению электрической энергии от ветровых потоков.
Известен способ возвратно-вихревого турбулентного подавления крупномасштабного синоптического вихреобразования (патент RU 2251835 С2, МПК A01G 15/00, G01W 1/00, опубл. 20.05.2005 Бюл. №14), заключающийся в том, что на земной поверхности создают за счет собственной энергии притекающих циркуляционных вихревых потоков воздуха восходящие турбулентные вихревые потоки с принудительно сниженным масштабом турбулентности для ускорения процессов рассеяния энергии крупномасштабного вихря и его вырождения, образуя мелкомасштабные вихри, которые активизируют, обеспечивая гашение энергии основного вихря, и направленно возвращают верхним пограничным потоком в основной восходящий вихревой поток.
Недостатком известного способа возвратно-вихревого турбулентного подавления крупномасштабного синоптического вихреобразования является то, что при реализации данного способа активируются мелкомасштабные вихри, имеющие разрушительную силу, а при возвращении в основной восходящий вихревой поток усиливают его, тем самым увеличиваю его возможную разрушительную силу.
Известно сооружение для активного воздействия на вихревые атмосферные образования (патент RU 2295853 С1, МПК A01G 15/00, опубл. 27.03.2007 Бюл. №9), выполненное в виде несущей центральной опоры со смонтированной на ней горизонтально расположенной дискообразной центрально-симметричной конструкцией с вертикальными каналами. Каналы имеют форму шестигранников с образованием сот для обеспечения возврата приземных потоков воздуха основному вихрю и расположены в гексагональном порядке.
Недостатком данного известного сооружения для активного воздействия на вихревые атмосферные образования является, непрочность конструкции, которая при воздействии мощных вихревых образований может быть выведена из строя (разрушена), более того данное сооружение является сложной конструкцией (дорогостоящей) и имеет строгие расчетные математические параметры, что в свою очередь усложняет конструкцию и не обеспечивает ее устойчивую работу при воздействии крупномасштабных ветровых образований.
Известны способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды, смерчевой преобразователь энергии (варианты), смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии, смерчевой нагнетатель и смерчевая турбина (патент RU 2386857 С1, МПК F03D 9/00, F01D 5/00, F01D 9/00, опубл. 20.04.2010 Бюл. №11). Способ смерчевого преобразования энергии сплошной среды заключается в том, что сплошную среду из окружающего пространства подают по множеству траекторий в осесимметричную область, формируют закрученный смерчеобразный поток и преобразуют его энергию в полезную работу с помощью смерчевой турбины. Замедление потока компенсируют за счет привлечения дополнительной энергии в зоне компрессии со смерчевым нагнетателем. Реализующий этот способ смерчевой преобразователь содержит башню с одним или несколькими конфузорами, преобразователи солнечной энергии и смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии. Смерчевой преобразователь магнитотепловой энергии оснащен магнитной системой, силовым подвижным диском, каналами с рабочим магнитно-мягким веществом и смерчевой системой нагрева и охлаждения. Смерчевая турбина и смерчевой нагнетатель имеют определенную форму и пространственную ориентацию лопастей для преобразования энергии смерчевого потока.
Недостатками указанного известного изобретения являются необходимость поиска зон и условий, пригодных для реализации способа смерчевого преобразования энергии сплошной среды, которые не всегда увенчиваются успехом, а также конструктивная сложность и дороговизна устройства, Более того, реализация указанного способа сопряжена с большими энергетическими затратами, опять же приводящих к большим материальным затратам.
Известно устройство для преобразования воздушного потока, создаваемого компрессором на его входе, в электрическую или механическую энергию (заявка на изобретение RU 2017127939 А, МПК F03D 5/00, опубл. 04.02.2019 Бюл. №4), содержащее корпус с внутренним каналом переменного сечения с расширениями и сужением в определенных частях корпуса, турбину, снабженную конусообразной насадкой, ротором, стартером, компрессором, в основе работы устройства лежит обратный цикл Сади Карно, при этом вал турбины устройства разгоняется стартером, а компрессор создает перед собой разреженную область, куда из атмосферы воздух начинает стекаться самопроизвольно.
Недостатками указанного устройства для преобразования воздушного потока является то, что оно не влияет на снижение разрушающих воздействий ветровых потоков естественной среды, а создает их посредством компрессора, более того устройство имеет многоэнергозатратные элементы, такие как турбина и ротор, что в свою очередь делает устройство менее эффективным для получения и преобразования энергии.
Известна аэродинамическая труба с несколькими вентиляторами для моделирования различных экстремальных полей ветра (CN 110082058 (А), МПК G01M 9/02, G01M 9/08, опубл. 02.08.2019), содержащая воздушную башню, решетку с несколькими вентиляторами, вытяжное устройство, устройство вращения и фланец, в котором верхний одиночный вентилятор расположен в центральном положении верхнего слоя воздушной башни. Один слой первого нижнего отдельного вентилятора расположен в нижней части воздушной башни вдоль окружного направления. Множество слоев вторых нижних одиночных вентиляторов расположены на одной стороне боковой стенки воздушной башни. Выпускное устройство расположено на другой стороне боковой стенки воздушной башни. Верхний единственный вентилятор и первый нижний единственный вентилятор соединены со стенкой воздушной башни посредством устройства вращения. Функции продувки и всасывания воздуха могут выполняться всеми отдельными вентиляторами. Изобретение также обеспечивает способ моделирования аэродромного поля, и может быть достигнуто моделирование торнадо, ливня, нормального ветра и колебательного ветра (в частности, тайфуна с высокой интенсивностью турбулентности). При вращении одного сегмента вентилятора соотношение вихревых потоков торнадо и взрыва может быть отрегулировано, а воздушный столб может быть перекручен и деформирован. Путем управления параметром флуктуации сегмента с одним вентилятором может быть выполнено моделирование поля флуктуирующего ветра с различными характеристиками турбулентности.
Недостатком известной аэродинамической трубы является то, что она не обеспечивает защиту от разрушающего воздействия вихревых потоков, а также использует большое количество энергии для вращения вентиляторов, что делает ее финансово затратной установкой. Кроме того, в данном устройстве не предусмотрено исключение разрушающих воздействий от искусственно созданных (смоделированных) экстремальных полей ветра, что делает данную установку практически малоэффективной.
В качестве прототипа выбрана известная стационарная ветровихревая электроустановка (заявка на изобретение RU 2009100175 А, МПК F03D 5/00, опубл. 20.07.2010), вырабатывающая электроэнергию с помощью турбины и электрогенератора, вращение которой происходит при действии на нее воздушного ветрового потока. Для вращения турбины используется воздушный ветровой поток в радиальном канале, при его выходе из кольцевого канала в основании стационарной ветровихревой электроустановки. В кольцевом канале стационарной ветровихревой электроустановки используется стационарный природный ветровоздушный вихрь типа торнадо.
Недостатком известной стационарной ветровихревой электроустановки является то, что она не исключает разрушающих воздействий торнадо (смерча), а также разрушающих воздействий других ветровых потоков, более того данная установка создает искусственно ветровые потоки посредством создания магнитного поля, электроподогрева воздушного потока и ультрафиолетового облучения воздушного потока, все это приводит к удорожанию конструкции, большим энергетическим затратам и делает ее реализацию неэффективной.
Техническая задача заявленной полезной модели заключается в создании устройства для защиты от разрушающего воздействия вихревого ветра и получения энергии от ветрового потока, обеспечивающего двухуровневую способность снижения разрушающей силы ветровых потоков с преобразованием кинетической энергии, получаемой от ветровых потоков, в электрическую энергию.
Технический результат - повышение защиты от разрушающего воздействия вихревых ветров, упрощение конструкции и уменьшение стоимости устройства.
Для решения технической задачи и достижения технического результата в устройстве для защиты от разрушающего воздействия вихревого ветра и получения энергии от ветрового потока, установленном в подземном варианте и включающем ветрогенераторы, согласно полезной модели, устройство содержит объемную воздушную камеру трубообразного вида с вмонтированными в нее местами установки вентиляционных шахт, в которых вертикально от внутренней части объемной воздушной камеры к поверхности земли расположены вентиляционные шахты, приемные шлюзы ветровых потоков, установленные в верхней части объемной воздушной камеры и расположенные с возможностью обеспечения приема ветровых потоков с поверхности земли внутрь объемной воздушной камеры, компрессоры, установленные с возможностью направленного втягивания вихревого ветра в объемную воздушную камеру при его прохождении в зоне расположения шлюзов ветровых потоков, контроллер, соединенный при помощи кабельных каналов передачи энергии с ветрогенераторами, аккумуляторные батареи, соединенные при помощи кабельных каналов передачи энергии с инвертором, при этом ветрогенераторы установлены внутри объемной воздушной камеры, а приемные шлюзы ветровых потоков содержат люки, имеющие два положения: прием ветровых потоков и заблокирование ветровых потоков.
Устройство установлено в подземном варианте таким образом, чтобы расположение шлюзов ветровых потоков было на одном уровне с поверхностью земли.
Объемная воздушная камера собрана из двух полуколец, образующих в поперечном сечении соосное кольцо.
Объемная воздушная камера, места установки вентиляционных шахт, вентиляционные шахты и приемные шлюзы ветровых потоков изготовлены из железобетона или высокопрочного композита.
Вентиляционные шахты имеют цельную конструкцию с местами установки вентиляционных шахт и с объемной воздушной камерой.
Приемные шлюзы ветровых потоков имеют цельную конструкцию с объемной воздушной камерой.
Люки приемных шлюзов ветровых потоков выполнены из высокопрочного металла.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен вид сверху устройства для защиты от разрушающего воздействия вихревого ветра и получения энергии от ветрового потока; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид сверху устройства в уровне с земной поверхностью (видимая часть устройства) с потоком торнадо при прохождении зоны расположения устройства. Устройство для защиты от разрушающего воздействия вихревого ветра и получения энергии от ветрового потока содержит: объемную воздушную камеру 2 трубообразного вида (фиг. 1), не имеющую угловых и других архитектурных барьеров для ветрового потока, находящегося внутри воздушной камеры, места установки вентиляционных шахт 1, вмонтированные в воздушную камеру 2 и имеющие с последней цельную конструкцию, вентиляционные шахты 4, расположенные непосредственно в местах установки вентиляционных шахт вертикально от внутренней части объемной воздушной камеры 2 к поверхности земли, предназначенные для сброса избыточного давления в атмосферу воздуха окружающей среды из объемной воздушной камеры 2 и имеющие цельную конструкцию с местами установки вентиляционных шахт 1 и с объемной воздушной камерой 2 (фиг. 1-3), приемные шлюзы ветровых потоков 3, установленные в верхней части объемной воздушной камеры 2, имеющие цельную конструкцию с объемной воздушной камерой 2 и расположенные с возможностью обеспечения приема ветровых потоков с поверхности земли внутрь объемной воздушной камеры 2, компрессоры 9 (фиг. 2), создающие ветровые потоки с направленной (втягивающей) силой внутрь объемной воздушной камеры 2 и обеспечивающие направленное движение вихревого ветра при его прохождении в зоне расположения шлюзов ветровых потоков 3 в объемную воздушную камеру 2, ветрогенераторы 10, установленные внутри объемной воздушной камеры 2 и предназначенные для создания вращательного движения лопастей ветрогенераторов при прохождении ветрового потока внутри объемной воздушной камеры 2 и преобразования кинетической энергии ветрового потока в электрическую энергию, контроллер 5 (фиг. 1), соединенный при помощи кабельных каналов передачи энергии 6 с ветрогенераторами 10 (фиг. 2), аккумуляторные батареи 7 (фиг. 1), соединенные при помощи кабельных каналов передачи энергии 6 с инвертором 8, предназначенным для преобразования электроэнергии из постоянного тока в переменный ток с изменением величины напряжения, а также для передачи электроэнергии посредством кабельных каналов 6 потребителям в промышленную зону.
Приемные шлюзы ветровых потоков 3 (фиг. 1-3) содержат выполненные из высокопрочного металла люки (на фигурах не показаны), которые имеют два положения: «прием ветровых потоков» и «заблокирование ветровых потоков». В положении «прием ветровых потоков» люки находятся в открытом состоянии, означающем готовность устройства к приему ветровых потоков. В положении «заблокирование ветровых потоков» люки находятся в закрытом состоянии. Приведение устройства люков в одно из положений осуществляется оператором с пульта управления устройством (не фигурах не показан).
Контроллер 5 (фиг. 1) предназначен для контроля состояния аккумуляторной батареи 7, то есть по мере накопления заряда он отключает аккумуляторную батарею 7 от приема электроэнергии, а по мере израсходования электроэнергии в аккумуляторной батареи 7 наоборот подключает ее к приему электроэнергии от ветрогенераторов 10 (фиг. 2).
Устройство для защиты от разрушающего воздействия вихревого ветра и получения энергии от ветрового потока работает следующим образом.
Устройство выполняют в виде целостной объемной воздушной камеры 2 трубообразного вида (фиг. 1-2) и устанавливают его подземным способом, а именно таким образом, чтобы расположение шлюзов ветровых потоков 3 было на одном уровне с поверхностью земли 11 (фиг. 3). Изготовление объемной воздушной камеры 2 (фиг. 1), мест установки вентиляционных шахт 1, приемных шлюзов ветровых потоков 3, вентиляционных шахт 4 возможно из железобетона или высокопрочного композита. Объемную воздушную камеру 2 трубообразного вида собирают из двух полуколец (в плане), образующих в поперечном сечении соосное кольцо, создающих тем самым внутреннюю полость, заполняемую при рабочем состоянии устройства ветровым потоком (фиг. 2). При состыковке полуколец применяют металлические бандажи (на фигурах не показаны). При прохождении вихревого ветра типа торнадо (смерча) в зоне установки устройства (фиг. 3) оператор управления устройством при помощи пульта управления (на фигурах не показан) приводит его в положение «прием ветровых потоков», тем самым открывая люки приемных шлюзов ветровых потоков 3. Далее оператор управления устройством при помощи пульта управления приводит в рабочее положение компрессоры 9 (фиг. 2), которые с направленной силой втягивают ветровые потоки внутрь объемной воздушной камеры 2. При этом обеспечивается направленное движение вихревого ветра 12 при их прохождении в зоне расположения шлюзов ветровых потоков 3 в объемную воздушную камеру 2 (фиг. 2-3). После выполнения процесса втягивания основных разрушающих ветровых потоков в объемную воздушную камеру 2 оператор управления устройством при помощи пульта управления приводит люки приемных шлюзов ветровых потоков 3 в положение «заблокирование ветровых потоков», тем самым переключая компрессоры 9 (фиг. 2) в реверсивное положение, при котором компрессоры 9 вырабатывают ветровые потоки направленного действия внутрь объемной воздушной камеры 2 и противоположно направлению потоков вихревых ветров, тем самым создавая сопротивление разрушающим силам потоков вихревых ветров и обеспечивая снижение их силы до полного исключения. Избыточное давление, создаваемое в объемной воздушной камере 2, при данном процессе сбрасывается в атмосферу воздуха окружающей среды непосредственно через вентиляционные шахты 4 (фиг. 2-3), тем самым исключая повреждения элементов устройства и обеспечивая дополнительное сопротивление остаточным ветровым потокам на поверхности земли и приводя к снижению их разрушительной силы. Ветровые потоки, проходящие через объемную воздушную камеру 2 (фиг. 2), приводят лопасти ветрогенераторов 10 в движение, при котором происходит преобразование кинетической энергии ветровых потоков в электрическую энергию, которая при помощи кабельных каналов передачи энергии 6 (фиг. 1) поступает от ветрогенераторов 10 (фиг. 2) через контроллер 5 (фиг. 1) в аккумуляторные батареи 7. В аккумуляторных батареях 7 происходит накопление электроэнергии, при котором в случае избытка электроэнергии в аккумуляторных батареях 7, контроллер 5 отключает их от приема электроэнергии от ветрогенераторов 10, а в случае израсходования электроэнергии в аккумуляторных батареях 7 контроллер 5 подключает их к получению электроэнергии от ветрогенераторов 10 (фиг. 2). Из аккумуляторных батарей 7 (фиг. 1) с помощью кабельных каналов передачи энергии 6 электроэнергия поступает в инвертор 8, в котором происходит преобразование электроэнергии из постоянного тока в переменный ток с изменением величины напряжения, а далее происходит передача электроэнергии посредством кабельных каналов передачи энергии 6 в промышленную зону ее потребителям.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает надежную защиту от разрушающего воздействия вихревых ветров, выработку электроэнергии из энергии ветра и снабжение ею потребителей. Кроме того, заявленное устройство имеет простую конструкцию и невысокую стоимость.