СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АРХИТЕКТУРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
METHOD AND DEVICE FOR ENERGY PRODUCTION USING ARCHITECTURAL STRUCTURES

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для производства электроэнергии в городах, поселках, заводах, хуторах и т.д. Предлагаемое изобретение, используя в качестве "парусного" захвата наружные плоскости и части архитектурных строений, а так же природных возвышенностей, позволяет снизить его стоимость и одновременно повысить мощность вырабатываемой энергии.
В качестве аналога предлагаемого способа принят способ производства электроэнергии с помощью гидроплотины с турбогенератором. Благодаря гидроплотинам полнее используются гидроресурсы рек. Накопленный плотиной большой объем воды создает за счет высоты столба большую скорость течения воды через турбину, тем самым позволяя вырабатывать генератору значительно большее количество электроэнергии.
В качестве прототипа предложен способ производства энергии из потока ветра, отраженного от внешней поверхности строительного сооружения по патенту US 2006140748 [1].
Целью изобретения является повышение эффективности использования и расширение технических возможностей за счет резкого увеличения площади захвата ветрового потока, включая захват ветра, отраженного от плоскостей архитектурного сооружения и природных плоскостей. Так же целью изобретения является снижение стоимости оборудования, снижение затрат при его установке и эксплуатации.
Поставленная задача достигается тем, что способ для производства энергии с использованием архитектурных сооружений заключается во вращении рабочих лопаток турбины за счет потока ветра, отраженного от боковой поверхности препятствия и направляемого в сопло, состоящее из конфузора и диффузора с одинаковыми углами сужения и расширения, размещении сопла с турбиной на крыше сооружения на вращающейся платформе с возможностью поворота конфузора к ветровому потоку, а диффузора - в противоположную сторону, причем конфузор сопла получает поток ветра от нескольких стационарных конфузоров, образованных плоскостями крыши и вертикальных опор. Устройство для производства энергии с использованием архитектурных сооружений содержит служащую стеной архитектурного сооружения боковую плоскость, отражающую поток ветра, установленное на крыше сооружения сопло, состоящее из конфузора и диффузора с одинаковыми углами сужения и расширения, с турбиной, установленной в узкой части сопла, а так же верхнее перекрытие крыши и вертикальные опоры, служащие конструкцией для сооружения верхнего перекрытия и образующие по отношению к турбине стационарные конфузоры или диффузоры с одинаковыми углами раскрытия и служащие для поступления и выхода ветрового потока, соответственно, при этом турбина и сопло установлены на вращающейся платформе. Конфузор и диффузор сопла выполнены криволинейными с возможностью принимать поток от нескольких стационарных конфузоров.
Предложенный способ реализует установка, представленная на Фиг.1, включающая архитектурное сооружение 1 и ветротурбину 2. Для того чтобы наиболее эффективно собрать энергию ветра и превратить ее в электроэнергию, необходимо установить турбину 2 в месте наибольшего ускорения ветрового потока 3. Если рассмотреть любое архитектурное сооружение, к которым относятся жилые здания, "небоскребы", цеха, мосты, башни, ангары, стадионы, обсерватории, стены, заборы и т.п. строения, то все они являются препятствием для ветрового потока. Ветровой поток 3, двигаясь параллельно земле и встречая на пути сооружение 1 (в дальнейшем эту позицию будем рассматривать, как боковую плоскость 1 сооружения, в которую упирается основной поток ветра, двигаясь вдоль поверхности земли), сталкивается с его подветренной плоскостью и начинает огибать его с разных сторон. При обтекании сооружения или препятствия 10 (Фиг.3а) ветровой поток ускоряется в 2 раза в самой верхней точке [3]. На Фиг.1 (а, б) изображены два типичных сооружения с наклонной и плоской крышей, на примере которых можно рассмотреть осуществление предлагаемого способа. Ветровой поток 3, ударяясь в подветренную вертикальную плоскость здания, начинает огибать его со всех сторон, проходя так же и через крышу 4.
Как известно, наибольшей скорости ветровые потоки достигают в наивысшей точке огибания препятствия, поэтому целесообразно отраженный ветровой поток 3 захватывать турбиной 2 в верхней центральной части здания. Под плоскостью основной крыши 4 располагается плоскость 5, закрывающая непосредственно здание, на ней установлены вертикальные опоры 6, представляющие из себя сплошные разделительные плоскости, удерживающие крышу 4. Для осуществления способа необходимо турбину 2 разместить, таким образом, на здании, чтобы верхняя плоскость крыши 4, нижняя плоскость крыши 5 и боковые опоры 6, представляли для этой турбины с одной стороны конфузор, а с другой стороны диффузор. При этом входное и выходное пространство 7, между этими плоскостями делается открытым, для беспрепятственного поступления и выхода ветра. Ветровой поток отразившись от вертикальной плоскости здания, устремляется под верхнюю плоскость крыши 4. С нижней части ветровой поток ограничивает плоскость крыши 5. От бокового рассеяния ветровой поток удерживают вертикальные опоры 6 (переборки), которые одновременно скрепляют крышу 4 и 5. В итоге образуется конструкция концентратора ветровой энергии (конфузора), сформированная плоскостями 4; 5; 6.
Поперечное сечение концентратора (конфузора) может быть квадратным, прямоугольным, круглым или иметь произвольную форму. В конфузоре происходит непрерывное увеличение скорости ветра до наибольшей скорости на входе в ветротурбину. При использовании архитектурного сооружения захваченный ветровой поток, отражаясь от вертикальной стены, перед тем как попасть в конфузор, ускоряется примерно в два раза. В конфузоре, за счет его сужения, ветер дополнительно ускоряется, при подходе к ветротурбине. После прохождения через турбину 2 ветровой поток выходит через те же плоскости 4, 5, 6, но уже представляющие собой диффузор, так как пространство между этими плоскостями начинает расширяться в своем сечении.
Как известно, сила сопротивления ветровому потоку зависит от формы тела, давление на обтекаемые тела не велико. Напротив, тело в виде пластинки создает достаточно высокое сопротивление ветровому потоку, так как за ним образуется целая область беспорядочного вихревого движения воздуха, где давление сильно падает. В основе своей архитектурные сооружения представляют из себя форму пластин (прямоугольный параллелепипед), поэтому со стороны, противоположной ветровому потоку, они имеют пониженное давление. Вследствие чего, поток воздуха, протекающий по конфузору и диффузору через турбину, дополнительно получает ускорение за счет перепада этих давлений.
Основной ветровой поток, который попадает на боковую вертикальную стену здания, обтекает его не только сверху, но и с боковых сторон. Для высотных зданий боковые потери ветра увеличиваются с ростом здания.
На Фиг.1 (в, г) изображены здания, которые снабжены специальными элеронами 8, не позволяющими ветру совершать боковое огибание сооружения, которые дополнительно могут поворачиваются параллельно потоку ветра 3. При этом со стороны ветрового потока элероны направлены в его сторону, с противоположной стороны в обратную сторону. На Фиг.2в показана конструкция неповоротных фигурных элеронов 8, которые имеют специальную округлую форму на их вершинах, позволяющую пропускать ветер между своих плоскостей, не давая огибать ему здание и направляя его к входному сечению 7 конфузора. Ветер, захваченный элеронами 8, в большей своей части направляется в сторону крыши, тем самым количество электроэнергии, вырабатываемое турбиной, увеличивается. Дополнительно жесткие стационарные элероны могут нести функцию усилителей конструкций, а так же архитектурных украшений здания.
1
1
Достаточно значительные потери ветра на трение будут происходить при переходе его от вертикальной стены здания 1 к плоскости 5, если на этом переходе будет расположен острый угол, потери будут максимальные. Для снижения ветровых потерь этот угол делается скругленным радиусом R определенной величины. Согласно данных [2], при величине радиуса R, достигающем 0,2 от максимальной величины расстояния H между крышами 4 и 5 на входе и выходе, позволяет более чем в 5 раз снизить трение. При дальнейшем увеличении радиуса R, трение снижается незначительно, поэтому архитекторам следует рекомендовать делать величину радиуса R равной или большей 0,2 от H.
1
R≥0,2 Н.
Нижняя кромка плоскости крыши 4, если она находится под углом к ветровому потоку, по возможности должна быть так же скруглена радиусом R этой же величины, при этом, чтобы входящая кромка располагалась параллельно ветровому потоку и не создавала сопротивления на входе ветра под плоскость 4. Подобный профиль конструкции крыши в архитектуре встречается в буддийских храмах - пагодах. (Фиг.1а, 2б).
Определить точно скорость ветрового потока через конфузор достаточно проблематично, так как очень сложно вычислить потери на трение, сжатие (расширение), теплообмен и другие неучтенные факторы. Однако, по экспериментальным и теоретическим данным, известно, что расход воздуха µ, проходящий через сечение конфузора, при равных давлениях на входе и выходе равен нулю, а при повышении давления Δр на входе идет повышение расхода воздуха µ, но до определенного предела, что можно наблюдать на графике (Фиг.5а).
Влияние степени сужения m конфузора на расход воздуха µ, проходящего через него, при постоянной разности давления ΔР, (Δр - const) изображено на графике (Фиг.5б):
2
1
m=F/F
1
F - площадь на входе;
2
F - площадь на выходе.
Как видно из графика, при увеличении степени сужения конфузора начинает уменьшаться µ расход воздуха, проходящий через конфузор. То есть становится не эффективно для конфузора делать слишком большую степень сужения.
При строительстве "Парусной" ветроэлектростанции (ВЭС) следует учесть, что требуется стремиться к увеличению площади захвата ветрового потока, а так же к тому, чтобы этот ветровой поток сконцентрировать как можно на более малую площадь, но при этом так же следует учесть, что значительное уменьшение выходного отверстия конфузора повлечет за собой значительное уменьшение расхода воздуха, протекающего через него, хотя при этом будет расти перепад давления, который в свою очередь увеличивает этот расход. При подборе степени сужения конфузора необходимо руководствоваться знанием о скорости ветровых потоков той или иной местности, которые в конечном итоге и будут создавать перепад давлений, а так же пользоваться опытными данными [2], по которым определена оптимальная степень сужения того или иного конфузора. В любом случае, при изменении степени сужения m конфузора и изменении давления ΔР, общий расход воздуха µ будет изменяться, согласно условному графику (Фиг.5в), при этом согласно среднегодовому ветру, можно выбрать его оптимальную величину, которая на графике (Фиг.5в) будет находиться в месте пересечения графиков по вертикали. При этом мы получим максимальное ускорение, максимальный расход воздуха, проходящий через конфузор оптимального сечения в его критической части, следовательно, и максимальную мощность, вырабатываемую ветрогенератором.
Так как ветровой поток всегда принимает различное направление, то здание постоянно обдувается ветром с различных сторон. Конфузоры и диффузоры, устроенные на здании, несут функции части конструкций этого строения, поэтому они выполняют двойную функцию, за счет чего стоимость ветроэлектростанции значительно уменьшается. То есть плоскости конфузора и диффузора на здании выполнены таким образом, что это позволяет его защитить от негативных погодных условий - дождя и снега, при этом так же позволяет с минимальным сопротивлением и максимальным ускорением пропустить через турбину ветровой поток. Расчет конструкции сделан таким образом, что позволяет применять минимальное количество материала, при этом обеспечивая гарантированную прочность от разрушения при любых ветровых потоках.
Ускоренный поток воздуха 3, проходя через конфузор и турбину 2, выходит в диффузор, образованный переборками 6, плоскостями крыши 4 и 5. Диффузор представляет из себя расширяющийся патрубок. При преобразовании кинетической энергии наличие диффузора приводит к большему снижению давления за турбиной, чем в свободном потоке. Вследствие этого по мере падения давления за турбиной увеличивается масса протекающего через него воздуха. Так как развиваемая мощность пропорциональна расходу воздуха и перепаду давлений, то на турбине с диффузором может быть получена большая мощность, чем без него. Особенностью диффузора, применяемого в данном способе, является то, что он имеет те же размеры, что и конфузор, так как при смене ветра на противоположный, диффузор начинает работать как конфузор и наоборот, конфузор как диффузор. Совместно работающая конструкция диффузора и конфузора представляет из себя конструкцию классического сопла Лаваля. Согласно экспериментальных данных [2] прямолинейный угол сужения, оптимальный для конфузора, образованный между опорами 6 и между плоскостями 4 и 5, находится в пределах от 5 до 40°, тогда как для диффузора в пределах от 4 до 14°. С учетом того, что в данном случае, при смене направления ветра, диффузор меняется на конфузор и наоборот, целесообразно выбирать общий прямолинейный угол сужения-расширения, исходя из диапазона, который перекрывается оптимальными углами конфузора и диффузора, а именно в пределах от 5 до 14°.
С учетом оптимизации конструкции с экономической точки зрения, а именно уменьшения расхода материалов, необходимо стремиться к максимально возможно большому углу, т.е. к 14±2°. При этом вокруг центральной оси разделительных перегородок, в среднем, будет 360°: 14°=25,7, т.е. 26 штук, при этом угол будет равен 13,85°. Для симметричной постройки возможен вариант из 24 перегородок (плоскость 6), где угол сужения-расширения составит 15°. Система из диффузоров-конфузоров не нарушает основных функций здания, более того, вертикальные опоры 6 усиливают конструкцию крыши. В случае, если усиливать конструкцию не требуется, то эти плоскости могут быть сделаны из легких материалов, в виде пленки или полотна.
1
2
Как видно из рисунка (Фиг.1), ветротурбина не занимает много места, находясь в центре схождения перегородок на вращающейся вокруг оси α платформе, диаметром D. Турбина 2, диаметром D может быть установлена в самой верхней части крыши по ее центру, что позволяет очень хорошо изолировать различного вида вибрации, создаваемые турбиной от основного здания, даже если это жилое строение. Данный способ позволяет собирать ветровую энергию с тех плоскостей зданий, с которыми сталкивается ветер, что значительно снижает стоимость ветроэлектростанции, по сравнению с отдельно стоящими классическими полевыми конструкциями.
1
На Фиг.1 (а, б, в) изображена компоновка турбины, в которой ось вращения расположена по вертикальной оси здания. Турбина размещается на вращающейся круглой платформе, которая поворачивается конфузором, закрепленным на этой платформе к ветровому потоку, а диффузором в противоположную сторону. При этом конфузор, размещенный на вращающейся платформе, диаметром D может быть криволинейным, созданным из сопрягаемых радиусов, а следовательно, может быть с большим оптимальным углом сужения, находящимся в пределах от 60° до 120°. Следовательно, этот конфузор будет одновременно получать поток ветра от нескольких стационарных прямолинейных конфузоров, образованных плоскостями 4, 5, 6. Диффузор, установленный на вращающейся платформе, так же может быть криволинейным и может иметь оптимальный угол расширения в пределах от 28° до 90°, через этот диффузор поток воздуха может сбрасываться сразу в несколько стационарных диффузоров, образованных плоскостями 4, 5, 6. Для повышения эффективности работы турбины, вращающаяся платформа с турбиной устанавливается по ходу ветрового потока таким образом, чтобы крайние стороны диффузора и конфузора совпадали со стационарными перегородками 6 прямолинейных конфузоров-диффузоров. То есть поворот платформы осуществляется дискретно, на угол, равный углу, разделяющему стационарные конфузор-диффузорные перегородки. Если этот угол равен 15°, соответственно дискретный угол поворота платформы так же равен 15°. При этом по компьютерной программе и системе слежения за направлением ветра, определяется основное направление ветра, по которому вращающаяся платформа поворачивается центральной осью конфузора к этому направлению, но с учетом дискретности в 15°. В соответствии с этим, угол расширения конфузора и диффузора, размещенных на вращающейся платформе, должен быть так же кратным 15°. То есть конфузор может быть равным 60°; 75°; 90°; 105°; 120°, а диффузор может быть равным 30°; 45°; 60°; 75°; 90°.
Если угол стационарного, прямолинейного конфузор-диффузора, образованного плоскостями 6, будет другим, то и дискретность поворота турбины будет другой, в соответствии с этим углом. Схема использования одной турбины с собственным криволинейным конфузором и диффузором оптимального угла расширения, на собственной поворотной платформе, очень экономична, так как основная стоимость ветростанций складывается в основном из стоимости турбины с электрогенератором. Поэтому, используя только одну турбину, не требуется больших затрат на строительство ветроэлектростанции (ВЭС) в каком-либо здании.
2
На Фиг.1 (г) так же показана схема ВЭС, где в каждом из прямолинейных конфузоров установлена турбина, диаметром D. Эта схема удобнее тем, что она не требует поворотной платформы. Хотя необходимо стремиться к большей концентрации ветровых потоков, так как ветер достаточно высокой мощности 5÷10 м/сек бывает не всегда. ВЭС, установленная внутри здания, выгодна тем, что позволяет за счет особенностей протекания ветровых потоков через конфузор-диффузор регулировать мощность этих потоков. Так, например, если поток ветра не достаточно высок и примерно составляет 0,1÷1,5 м/сек, этот поток, встречая препятствие в виде стены здания, гасится по своей скорости не значительно, так как его интенсивность не высока. С другой стороны площадь стены здания, по сравнению с входящим сечением конфузора, может различаться значительно, превышая ее в десятки раз. За счет чего поток ветра, даже с небольшой скоростью, огибая стену здания и направляясь в конфузор, может значительно ускоряться. Для увеличения потока ветра, стена здания может быть снабжена управляемыми элеронами (Фиг.1 (в, г)) или стационарными элеронами (Фиг.2 (в)). При небольшой скорости ветра, поток воздуха практически весь будет направляться с помощью элеронов в конфузор. Далее конфузор, уменьшаясь в сечении, еще больше ускоряет поток ветра на подходе его к турбине. Приемлемая степень сужения конфузора может находиться в пределах от ½ до 1/20, оптимальная степень сужения от ¼ до 1/10. Для малых скоростей ветра, наиболее выгодно применять наибольшую степень сужения, например, в пределах от 1/10 до 1/20, которая позволяет довести скорость ветра до той, которая производит максимальную мощность. Для сильных ветров так же выгодно применять наибольшую степень сужения, так как за счет этого происходит регулировка потока. Слишком сильно сужающийся конфузор, при сильных ветрах не позволяют через себя пропускать большой расход воздуха, тем самым предохраняя турбину и крышу здания от разрушений. То есть происходит выравнивание вращения турбины, не смотря на значительные колебания скоростей ветровых потоков.
В общем особенностью ВЭС "Парусного" захвата с использованием архитектурных сооружений является следующее:
1. Основной ветровой поток для ВЭС собирается боковыми плоскостями строения, а так же основания строения, которое может быть природного происхождения. Площадь боковых плоскостей, от которых отражается ветровой поток и направляется в конфузор, может превышать максимальное сечение последнего в десятки, сотни и тысячи раз;
1
2. Повышение КПД захвата ветрового потока, направленного в конфузор, происходит за счет применения вертикальных элеронов, ширина которых должна быть примерно сравнима с высотой конфузора H. За счет применения элеронов, КПД может увеличиться на 10÷1000%, в зависимости от скорости ветра и высоты здания. Чем ниже ветер и выше здание, тем эффективность применения элеронов выше;
3. Экономическая эффективность применения "Парусной" ВЭС с использованием архитектурных строений, достигается за счет двойного применения строительных конструкций. Так, например, боковая поверхность здания одновременно служит для самого здания и одновременно улавливает своей поверхностью поток ветра, который упирается в эту поверхность. С обратной стороны подветренная плоскость удерживает за собой пониженное давление, тем самым облегчая течение потока воздуха из диффузора. Плоскости крыши 4 и 5, а так же разделительные плоскости 6 служат конструктивно верхним защитным перекрытием здания и одновременно работают конфузорно-диффузорной конструкцией для ветротурбины.
4. Расположение турбины непосредственно на здании снижает потери тока на транспортировке, а так же снижает расход электропроводки до места потребления и т.п. устройств, необходимых при транспортировке энергии от обычных электростанций. Предлагаемая ВЭС, по данной схеме расположения, аналогична солнечной электростанции, у которой солнечные батареи располагаются на крыше здания;
1
5. Применение радиуса R≥0,2H, на переходе от боковой плоскости здания к нижней плоскости крыши, а так же его применение на верхней крыше, позволяет снизить сопротивление ветровому потоку в несколько раз, тем самым позволяет увеличить мощность энергии, вырабатываемой турбиной.
6. "Парусная" ВЭС с архитектурным сооружением - это система, собирающая ветровой поток с боковых плоскостей строений и природных препятствий, который в дальнейшем направляется в сопло Лаваля, где в критической части установлена турбина, вырабатывающая энергию. В отдельных модификациях сопло Лаваля может состоять из составных прямолинейных и криволинейных конфузоров-диффузоров.
На Фиг.2(а) показана модификация здания, где ветровой поток может захватываться раздвижными плоскостями 4 крыши. Что позволяет захватывать очень большую площадь ветрового потока и позволяет работать ветротурбине даже при очень небольшой скорости ветра. Кроме того, увеличить скорость вращения турбины поможет специальная конструкция крыши, способная секциям по горизонтали открываться навстречу ветровому потоку (Фиг.2б).
На Фиг.1 (г) и Фиг.2 (в) изображены турбины 2, которые жестко установлены в конфузорах-диффузорах, они могут работать в обе стороны. Ветер, проходя через конфузор и проходя через одну турбину, выходит через другую турбину, которая находится в диффузоре. Турбины данного типа, расположенные в сплошную цепочку и работающие в обе стороны, можно устанавливать в местах по самой верхней линии периметра на любых вертикальных плоскостях как архитектурных строений, так и природных препятствий, а так же на мостах, сплошных и длинных заборах (Фиг.3б) и т.п. строениях. За счет этого данные ветротурбины могут собирать наиболее ускоренный поток ветра, который, огибая препятствие, ускоряется в два раза. Снижение трения так же обеспечивается за счет скругления плоскостей радиусом R при переходе от вертикальной плоскости к плоскости конфузора-диффузора (Фиг.3б). Классические строения, такие как стены и заборы, целесообразно по верхней части периметра снабжать турбинами, расположенными в линию, вдоль этого периметра, где ветровой поток, огибая препятствие и ускоряясь, дополнительно добивается ускорения за счет короткого конфузора-диффузора, установленного на входе и выходе турбины. Данного типа ветротурбины имеют относительно небольшой диаметр, так они предназначены для улавливания очень узкой по высоте полоски ветра, которая огибает препятствие.
Высота всей ветротурбины, установленной в сопло Лаваля, не должна превышать 10% от высоты строения (стены, забора и т.п.). Данного типа турбины должны работать в обе стороны, при этом максимальной мощности будут добиваться те турбины, которые установлены соосно ветровому потоку. Усилить выработку мощности помогут вертикальные элероны, расположенные вдоль препятствия. Одним из подобных сооружений, в качестве примера, может служить Великая китайская стена, которая, располагаясь на естественных возвышенностях, усиливает сбор ветра рукотворной постройкой. При этом КПД сбора ветрового потока усиливается вертикальными усилительными опорами и башнями, выступающими за периметр стены, т.е. элеронами в данном способе производства энергии. При установке цепочки ветротурбин в сопле Лаваля, вдоль всей китайской стены, можно было бы значительно окупить ее содержание, давая значительный прирост электроэнергии для КНР.
2
Рассмотрим вариант применения изобретения с участием сплошного забора, ограничивающего площадь в 10 соток, при этом длина его периметра составит, примерно 130 м. Для забора высотой 1,5÷2,5 м потребуются ветротурбины с соплом Лаваля, установленные в квадратный корпус, с примерными габаритами 200×200×100, где диаметр турбины будет примерно равен 120 мм. По своей стоимости и при массовом производстве, данные ветротурбины будут иметь ту же стоимость, что и компьютерные ветродвигатели, примерно 5$ за штуку, где площадь ветроколеса перекрывает пространство, равное 1 дм.
2
2
2
При освоении промышленностью данного типа ветротурбин, они могут выпускаться отдельными модулями определенной длины. Так, например, имея высоту 20 см, они могут занимать в длину 1-2 м, т.е. в сплошную длинную цепочку можно устанавливать 10÷20 ветротурбин. При этом их себестоимость будет снижена не менее чем в 2 раза, до 2,5$/шт. за счет применения общего корпуса, где будут общими разделительные стенки, электроразводки, системы крепления турбин и т.п. Допустим, ветер при скорости 4,5 м/сек, ударяясь в этот забор и огибая его сверху, ускоряется примерно в 2 раза. Ветротурбины не имеют поворотной оси и работают в обе стороны, при смене направления ветра. Соответственно в полную силу будет работать только половина ветротурбин, на которые ветер попадает фронтально, т.е. турбины, которые расположены на длине 65 м. В этой длине находится 325 турбин. Ветротурбины, установленные с конфузорно-диффузорной системой, создают дополнительное ускорение в 1,5 раза, так как коэффициент расширения-сужения равен 1:3, при этом согласно данных [2], минимально возможное КПД сопла будет не менее 50%. При площади одного ветроколеса, равного 1 дм, вдоль всего периметра, общая площадь работающих ветротурбин будет достигать 325 дм или 3,25 м. При ветре 4,5 м/сек, который ускоряется забором до 9 м/сек, а так же за счет конфузорно-диффузорной системы, ускоряющей его дополнительно до 13,5 м/сек, с одного метра квадратного будет вырабатываться 516 Вт. Соответственно со всего периметра забора будет вырабатываться электроэнергия мощностью 1,7 кВт. Общая стоимость ветроэлектростанции, расположенной на заборе, исходя из стоимости ветротурбин, составит 1625$, с учетом других систем разводки, электрораспределения и накопления, общая стоимость будет примерно 3200$.
Среднемировая цена на ветростанции достигает 2500$ за 1 кВт, но расчет стоимости классических ветростанций ведется на мощность при скорости ветра, в пределах от 12,5 до 14,5 м/сек.
При сравнении с классическими ВЭС, необходимо делать расчет на скорость ветра 13,5 м/сек, так как это оптимальная скорость ветра, на которую они рассчитываются. Мощность генератора, вырабатывающего энергию с одного метра квадратного, производится по формуле:
3
Р=0,22×ν,
где ν - скорость ветра, м/сек,
Р - мощность, ватт.
Мы производили расчет, при скорости основного ветра 4,5 м/сек, что меньше в 3 раза скорости 13,5 м/сек. В связи с тем, что рост мощности на генераторе имеет кубическую зависимость, данная ветростанция будет вырабатывать энергии, при скорости ветра 13,5 м/сек, в 27 раз больше. То есть при этом ветре вырабатываемая мощность составит 45 кВт. Данная мощность может при ветре 13,5 м/сек, вырабатываться классической ВЭС с диаметром винта около 10 м, при этом стоимость такой станции превышает 112 тыс.$. Данный расчет показывает, что новая станция будет дешевле классической станции в 35 раз.
На Фиг.4 (а, б) показано здание 1 и гора 10, на которых расположена Парусная ВЭС, в виде классического сопла Лаваля, которая вращается вокруг оси 9, по принципу купола обсерватории. В этом случае конфузор станции захватывает ветровой поток не только отраженный стеной здания или горным склоном, но и тот, что двигается непосредственно в его поперечное сечение 7. Тем самым мощность на турбине станции может значительно увеличиваться. Как видно из рисунка (Фиг.4а), площадь станции, закрывающей здание, не меньше площади крыши. Тем самым станция не нарушает основных назначений перекрытия, т.е. не мешает защищать здание от дождя и снега, более того, защитные свойства конструкции для здания только усиливаются. Для защиты подобного сооружения, при усилении ветра выше критического значения, к ветру может поворачиваться диффузор, который в свою очередь может быть закрывающимся, станция может складываться и т.п. Тем самым предотвращается разрушение всей конструкции.
Как видно из рисунка (Фиг.4б), Парусная ВЭС в виде сопла Лаваля установлена на горной возвышенности, которая по своим геометрическим параметрам копирует контуры архитектурного сооружения. Тем самым становится целесообразным размещать данные станции на природных возвышенностях, расположенных вблизи потребителей электроэнергии. Это особенно выгодно при строительстве новых объектов, вдали от линий электропередач, которые нужно обеспечить энергией. Поэтому в данном случае возвышенность (гора) в виде архитектурного сооружения выступает вместо этого сооружения. Все основные затраты вкладываются только на станцию, установленную на вершине возвышенности. При этом сбор ветра осуществляется не только станцией, но и подветренной поверхностью возвышенности, тем самым многократно увенчивая вырабатываемую мощность электроэнергии.
2
2
2
2
2
2
2
Для расчета экономической эффективности предлагаемого способа в народном хозяйстве произведен дополнительный расчет. Допустим, садовый домик снабжен ветротурбиной, которая имеет площадь 60 дм, диаметром 875 мм, установленной на вращающейся платформе под верхней крышей. Коэффициент сужения криволинейного конфузора принят 1:4, соответственно криволинейный конфузор будет иметь площадь в максимальном сечении 240 дм. Угол расширения конфузора-диффузора между турбинами составит 360:24=15°. Данный угол является оптимальным для системы конфузор-диффузор. Угол между плоскостями крыши 4 и 5 можно принять тем же. При диаметре поворотной платформы 2580 мм и высоте криволинейного диффузора 900 мм, его ширина составит 2700 мм, что позволит ему захватить сразу поток воздуха из восьми прямолинейных конфузоров, так как его угол расширения составит 120°. Криволинейный диффузор будет расширяться на 60°, тем самым воздух, прошедший через турбину, будет сбрасываться в четыре прямолинейных диффузора с противоположной стороны. Следовательно, ветровой поток, отразившийся от стены, проходит сначала через несколько прямолинейных конфузоров, затем через криволинейный конфузор и турбину, затем выходит в криволинейный диффузор и через несколько прямолинейных диффузоров выходит на противоположную сторону здания. Основание домика 6×6 м, высота вертикальной стены 3 м, высота здания 6 м, основание верхней крыши 7×7 м. Отражаемый поток воздуха от плоскости здания при заходе в прямолинейный конфузор ускоряется примерно в 2 раза. Но если посчитать максимальную площадь прямолинейного конфузора, то она будет следующая: длина периметра крыши составляет 24 м, на каждый конфузор при заходе в него ветра приходится 24:24=1 м. В сечении конфузор и диффузор квадратные, следовательно, их максимальная площадь равна 1×1=1 м или 100 дм. Учитывая, что максимальная площадь криволинейного конфузора 240 дм, площадь максимальная прямолинейных конфузоров из восьми штук составит 800 дм. При этом коэффициент сужения конфузора составляет 1:3,3. Следовательно, в конфузор будет направлен ускоренный ветровой поток. По приближенным расчетам, при средней скорости ветра 5м/сек, ударяющегося в стену, в конфузоры будет заходить ветер со скоростью 10 м/сек. При прохождении ветра по конфузору и диффузору, где сужение равно 1:3,3, скорость потока в турбине с учетом [2] КПД диффузора 80% и КПД конфузора 70%, для α=120° достигает 10,5м/сек, так как общие потери составят 50%. Мощность электроэнергии, вырабатываемая на турбине, площадью 0,6 м, при данном ветре составит 0,6 кВт.
2
2
2
Как уже было выше сказано, ветер для турбины собирается со стены поперечной площадью 3×6=18 м. Если представить классическую ветростанцию с такой площадью ветроколеса, то она будет иметь диаметр винта 4,8 м. При ветре 5 м/сек, данная станция будет вырабатывать 0,5 кВт. При продаже данных станций их мощность рассчитывают, при ветре 13,5 м/сек, т.е. при данном ветре классическая ветростанция будет развивать мощность до 9,7 кВт, а предлагаемая Парусная ВЭС будет вырабатывать 11,7 кВт, но разница в диаметрах винта турбины при этом значительная. С учетом площади, перекрываемой винтами, можно примерно рассчитать относительную стоимость станций 18 м:0,6 м=30. То есть предлагаемая станция будет, примерно в 30 раз дешевле классической ВЭС.
Кроме того, необходимо отметить, что данная станция в отличие от классической не требует высотной башни, фундамента, большого винта, редуктора и т.п. Поэтому это достаточно значительное преимущество в экономическом плане.
Количества энергии, вырабатываемого Парусной ВЭС, вполне достаточно, чтобы обеспечить энергией садовый домик данной величины. При расположении ветротурбины малого диаметра внутри перекрытий здания, шумовые и механические вибрации практически будут гаситься. В случае, если хозяину дома потребуется увеличить вырабатываемую мощность энергии, то он может дополнительно установить ветротурбины на верхней части забора, который ограждает дом.
2
2
С экономической точки зрения, так же необходимо учесть, что ветротурбины с увеличением своего диаметра начинают расти в цене не по линейной зависимости. Например, с увеличением площади ветроколеса в 10 раз, его цена растет в 12,5 раза, так как ветростанции с большим размахом винта применяют редуктор для увеличения частоты вращения генератора, а нарастающий вес механизмов требует более прочной башни и фундамента. В обратном же порядке, если ветротурбина с площадью ветроколеса 1 м стоит 600$, следовательно ветротурбина с площадью ветроколеса 1 дм будет стоить не более 4,8$.
Данное сравнение наглядно показывает, что предлагаемое изобретение за счет внедрения малых высокооборотистых ветротурбин позволит значительно снизить цену всей ветроэлектростанции, установленной непосредственно внутри сооружения или на сооружении, по сравнению с ветроэлектростанцией, которая могла бы разместиться рядом с этим домом, в виде обычного ветроколеса, под которое необходимо было бы выделять дополнительное пространство. При этом выработка электроэнергии, за счет ветротурбин, расположенных внутри здания или по поверхности забора, превосходит во много раз выработку энергии одним ветроколесом классического исполнения в пересчете на себестоимость этих станций.
Данное сравнение наглядно показывает эффективность применения ветростанций с использованием архитектурных сооружений и позволяет считать данный способ и устройство полезным для применения в ветроэнергетике.
ЛИТЕРАТУРА
[1]. Волков А.Е. - Патент РФ № 2338089, C2 F03D 1/00 - "Способ и устройство системы Волкова для производства энергии методом "Парусного" захвата", 05.01.2004 г.
[2]. И.Е.Идельчик - Справочник по гидро- и пневмосопротивлению, (стр.48, стр.195, стр.209, таб.5-1; стр.251, диагр.5-23, график 2).
[3]. Новая турбина мощностью 400 ватт. Паспорт на турбину AIR-X. (США).
[4]. Гл.ред. А.М.Прохоров. - Физический энциклопедический словарь. - 1995 г. (стр.700).