RU2352811C1

RU2352811C1 - Windmill

Info

Publication number: RU2352811C1
Application number: RU2007136389/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Лятхер (RU); Виктор Михайлович Лятхер
Original assignee: Виктор Михайлович Лятхер
Priority date: 2007-10-03
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2009-04-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to power generation and is designed to use wind power for electric power generation. The proposed windmill comprises a vertical cylindrical hollow tower and air turbine with electric generator. The aforesaid tower accommodates vertical pipe to form a circular channel inside therein. The tower top accommodates an upper confuser-diffuser adapter self-oriented along the wind direction, its confuser part being communicated with the tower circular channel via its narrow cross section, while the diffuser part narrow cross section communicates with the vertical pipe. The tower bottom accommodates a lower confuser-diffuser adapter self-oriented along the wind direction, its confuser part narrow cross section communicating with the vertical pipe, while the diffuser part narrow cross section communicates with the tower circular channel. Note that the confuser and diffuser parts of the said confuser-diffuser adapter at the tower bottom are furnished the gate to periodically shut them off. Every narrow section has two bypass channels with the check valves, one of them communicates with the narrow section ahead of the gate and the other one with the said section aft of the gate. Bypass channels communicate with their separate buffer vessels connected by pipeline housing an air turbine.

EFFECT: expanded range of wind speeds used for power generation, lower sizes and weight.

2 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в энергоустановках, преобразующих энергию ветрового потока в электрическую энергию.The invention relates to energy and can be used in power plants that convert the energy of the wind flow into electrical energy.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая вытяжную башню, в которой установлена лопастная турбина, кинематически связанная с генератором (см. авторское свидетельство SU №1000585, кл. F03D 3/04, 28.02.1983).Known wind power installation containing an exhaust tower, in which there is a blade turbine kinematically connected with a generator (see copyright certificate SU No. 1000585, class F03D 3/04, 02.28.1983).

Недостатком такой установки является относительно невысокий кпд, что связано с конструкцией дефлектора, имеющей сравнительно высокое аэродинамическое сопротивление.The disadvantage of this installation is the relatively low efficiency, which is associated with the design of the deflector having a relatively high aerodynamic drag.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является ветроэнергетическая установка, содержащая вертикальную полую башню и воздушную турбину с электрическим генератором, при этом в верхней части вертикальной полой башни установлены сужающиеся кверху конфузорные насадки (см. патент US №4452046, кл. F03G 7/02, 1984).The closest to the invention in technical essence and the achieved result is a wind power installation containing a vertical hollow tower and an air turbine with an electric generator, while in the upper part of the vertical hollow tower there are confined nozzles tapering upwards (see US patent No. 4452046, class F03G 7 / 02, 1984).

Данная установка позволяет более эффективно использовать энергию ветра для преобразования ее в электрическую энергию. Однако дефлектор в виде набора сужающихся кверху насадок имеет сравнительно высокое аэродинамическое сопротивление и не позволяет эффективно преобразовывать статическое давление в кинетическую энергию с формированием высокоскоростного воздушного потока и тем самым увеличить перепад давления в вертикальной полой башни, что сказывается на количестве выработанной электрической энергии.This installation allows more efficient use of wind energy to convert it into electrical energy. However, the deflector in the form of a set of nozzles tapering upwards has a relatively high aerodynamic drag and does not allow to effectively convert static pressure into kinetic energy with the formation of a high-speed air flow and thereby increase the pressure drop in the vertical hollow tower, which affects the amount of generated electric energy.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности использования энергии ветра для выработки электрической энергии.The problem to which the present invention is directed, is to increase the efficiency of using wind energy to generate electrical energy.

Технический результат заключается в том, что достигается увеличение эффективности и расширение рабочего диапазона скоростей ветра у ветроэнергетической установки.The technical result consists in the fact that an increase in efficiency and expansion of the operating range of wind speeds at a wind power installation is achieved.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ветроэнергетическая установка содержит вертикальную полую башню и воздушную турбину с электрическим генератором, при этом башня выполнена цилиндрической и в ней установлена вертикальная труба с образованием в башне между ее внутренней стенкой и вертикальной трубой кольцевого канала, причем в верхней части башни установлена верхняя конфузорно-диффузорная насадка, самоустанавливающаяся по направлению ветра, конфузорная часть которой сообщена узким ее сечением с кольцевым каналом башни, а диффузорная часть узким сечением - с вертикальной трубой, в нижней части башни установлена нижняя конфузорно-диффузорная насадка, самоустанавливающаяся по направлению ветра, конфузорная часть которой сообщена узким ее сечением с вертикальной трубой, а диффузорная часть узким сечением - с кольцевым каналом башни, при этом конфузорная и диффузорная части указанной конфузорно-диффузоной насадки в нижней части башни на участке с узким проходным сечением снабжены затвором, периодически перекрывающим их с помощью автоматического привода, причем каждый указанный узкий участок выполнен с двумя перепускными каналами с установленными в них обратными клапанами, один из которых сообщен с узким участком перед затвором, а другой - после затвора, при этом эти два перепускных канала сообщены каждый со своей буферной емкостью, а последние сообщены между собой посредством трубопровода, в котором установлена воздушная турбина.This problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the wind power installation contains a vertical hollow tower and an air turbine with an electric generator, while the tower is cylindrical and a vertical pipe is installed in it with the formation of a circular channel between the inner wall and the vertical pipe in the tower moreover, in the upper part of the tower there is an upper confuser-diffuser nozzle, self-aligning in the direction of the wind, the confuser part of which is communicated by its narrow with the annular channel of the tower, and the diffuser part with a narrow section with a vertical pipe, in the lower part of the tower there is a lower confuser-diffuser nozzle, which is self-aligning in the direction of the wind, the confuser part of which is communicated with its narrow section with a vertical pipe, and the diffuser part with a narrow section with the annular channel of the tower, while the confuser and diffuser parts of the specified confuser-diffuser nozzle in the lower part of the tower in the area with a narrow passage section are equipped with a shutter periodically blocking them with with the help of an automatic drive, and each specified narrow section is made with two bypass channels with check valves installed in them, one of which is connected to a narrow section in front of the shutter, and the other after the shutter, while these two bypass channels are each communicated with its own buffer capacity, and the latter are interconnected by means of a pipeline in which an air turbine is installed.

В ходе исследования работы ветроэнергетических установок была выявлена возможность увеличения перепада давления на установленной в вертикальной полой башне воздушной турбине для повышения эффективности ее работы. Для этого в башне установлена вертикальная труба с образованием в башне между ее внутренней стенкой и вертикальной трубой кольцевого канала, причем в верхней части башни установлена верхняя конфузорно-диффузорная насадка, самоустанавливающаяся по направлению ветра, конфузорная часть которой сообщена узким сечением с кольцевым каналом башни, а диффузорная часть узким сечением - с вертикальной трубой, в нижней части башни установлена нижняя конфузорно-диффузорная насадка, самоустанавливающаяся по направлению ветра, конфузорная часть которой сообщена узким сечением с вертикальной трубой, а диффузорная часть узким сечением - с кольцевым каналом башни. В результате в башне формируют два канала и в каждом канале на входе в него с помощью конфузорного насадка увеличивают количество подаваемого в него воздуха, а на выходе за счет эжектирующего эффекта конфузорно-диффузорной насадки снижают давление, откачивая воздух из каналов башни.A study of the operation of wind power plants revealed the possibility of increasing the pressure drop in an air turbine installed in a vertical hollow tower to increase its efficiency. To do this, a vertical pipe is installed in the tower with the formation of an annular channel in the tower between its inner wall and the vertical pipe, with an upper confuser-diffuser nozzle installed in the upper part of the tower, which is self-aligning in the wind direction, the confuser part of which is communicated with a narrow section with the annular channel of the tower the diffuser part is a narrow section - with a vertical pipe, in the lower part of the tower there is a lower confuser-diffuser nozzle, self-aligning in the direction of the wind, the confuser part to the hole is communicated with a narrow section with a vertical pipe, and the diffuser part with a narrow section - with the annular channel of the tower. As a result, two channels are formed in the tower and in each channel at the entrance to it, the amount of air supplied to it is increased with the help of a confuser nozzle, and at the outlet, due to the ejecting effect of the confuser-diffuser nozzle, they reduce the pressure by pumping air out of the channel of the tower.

Дальнейшего увеличения перепада давления в башне удалось добиться за счет того, что конфузорная и диффузорная части указанной конфузорно-диффузоная насадки в нижней части башни на участке с узким проходным сечением снабжены затвором, периодически перекрывающим их с помощью автоматического привода, причем каждый указанный узкий участок выполнен с двумя перепускными каналами с установленными в них обратными клапанами, один из которых сообщен с узким участком перед затвором, а другой - после затвора, при этом эти два перепускных канала сообщены каждый со своей буферной емкостью, а последние сообщены между собой посредством трубопровода, в котором установлена воздушная турбина.A further increase in the pressure drop in the tower was achieved due to the fact that the confuser and diffuser parts of the specified confuser-diffuser nozzle in the lower part of the tower in a section with a narrow passage section are provided with a shutter periodically blocking them with an automatic actuator, and each specified narrow section is made with two bypass channels with check valves installed in them, one of which is connected to a narrow section in front of the shutter, and the other after the shutter, while these two bypass channels with each is communicated with its own buffer capacity, and the latter are interconnected by means of a pipeline in which an air turbine is installed.

Повышение давления на напорной стороне воздушной турбины и понижение его на низовой стороне турбины осуществляется за счет нестационарных, ударных явлений. Принцип использования таких явлений состоит в следующем. На начальном этапе работы воздух свободно движется по образованным в вертикальной полой башне каналам со скоростью U. В некоторый момент в каждом канале, образованном конфузорной и диффузорной частями нижнего конфузорно-диффузорного насадка, закрывается затвор, вызывая ударную волну повышенного давления, бегущую навстречу течению воздушного потока. Вторая ударная волна понижения бежит от затвора с противоположной его стороны, вызывая понижение давления за затвором. После достижения ударной волной входа в канал волна отразится от входа в канал и направится в обратном направлении. При описанных выше процессах за счет созданных в каждом канале перед и за затвором перепадах давления открываются установленные в перепускных каналах обратные клапаны и в одну из буферных емкостей, сообщенную с каналом перед затвором по ходу потока, поступает воздушный поток с высоким давлением, а из второй буферной емкости, сообщенной с каналом после затвора, откачивается воздух с соответствующим понижением давления в этой буферной емкости. В результате на воздушной турбине, установленной в соединяющем буферные емкости трубопроводе, создается перепад давления превышающий перепад давления, который создается при простой установке воздушной турбины в вертикальной полой башне. Этот перепад давлений пропорционален первой степени скорости потока, а не ее квадрату, как в обычных ветроагрегатах. В связи с этим рабочее давление на турбине при изменении скорости ветра меняется меньше, чем на обычных машинах, что упрощает регулирование и расширяет рабочий диапазон скоростей ветра.The increase in pressure on the pressure side of the air turbine and its decrease on the lower side of the turbine is due to non-stationary, shock phenomena. The principle of using such phenomena is as follows. At the initial stage of operation, air freely moves along the channels formed in the vertical hollow tower at a speed of U. At some point, in each channel formed by the confuser and diffuser parts of the lower confuser-diffuser nozzle, the shutter closes, causing an increased pressure shock wave running towards the air flow . The second shock wave of lowering runs from the shutter on its opposite side, causing a decrease in pressure behind the shutter. After the shock wave reaches the entrance to the channel, the wave will be reflected from the entrance to the channel and will go in the opposite direction. In the processes described above, due to the pressure drops created in each channel in front of and behind the shutter, the check valves installed in the bypass channels open and high pressure air flows from one of the buffer tanks in communication with the channel before the shutter in the upstream direction, and from the second buffer capacity, in communication with the channel after the shutter, the air is pumped out with a corresponding decrease in pressure in this buffer tank. As a result, on an air turbine installed in the pipeline connecting the buffer tanks, a pressure drop is created that exceeds the pressure drop that is created by simply installing the air turbine in a vertical hollow tower. This pressure drop is proportional to the first degree of the flow velocity, and not to its square, as in conventional wind turbines. In this regard, the operating pressure on the turbine with a change in wind speed changes less than on conventional machines, which simplifies regulation and extends the operating range of wind speeds.

На фиг.1 схематически представлена описываемая ветроэнергетическая установка.Figure 1 schematically presents the described wind power installation.

На фиг.2 представлен вид I на фиг.1.Figure 2 presents a view of I in figure 1.

Ветроэнергетическая установка содержит вертикальную полую башню 1 и воздушную турбину 2 с электрическим генератором (не показан). Башня 1 выполнена цилиндрической и в ней установлена вертикальная труба 3 с образованием в башне 1 между ее внутренней стенкой и вертикальной трубой 3 кольцевого канала 4. В верхней части башни 1 установлена верхняя конфузорно-диффузорная насадка 5, самоустанавливающаяся по направлению ветра, конфузорная часть 6 которой сообщена узким сечением с кольцевым каналом 4 башни 1, а диффузорная часть 7 узким сечением - с вертикальной трубой 3. В нижней части башни 1 установлена нижняя конфузорно-диффузорная насадка 8, самоустанавливающаяся по направлению ветра, конфузорная часть 9 которой сообщена узким сечением с вертикальной трубой 3, а диффузорная часть 10 узким сечением - с кольцевым каналом 4 башни 1. Конфузорная и диффузорная части 9 и 10 указанной конфузорно-диффузоной насадки 8 в нижней части башни 1 на участке с узким проходным сечением снабжены затвором 11, периодически перекрывающим их с помощью автоматического привода (не показан), причем каждый указанный узкий участок выполнен с двумя перепускными каналами 12 и 13 с установленными в них обратными клапанами 14 и 15, один из которых 12 сообщен с узким участком перед затвором 11, а другой 13 - после затвора 11, при этом эти два перепускных канала 12 и 13 сообщены каждый со своей буферной емкостью 16 и 17, а последние сообщены между собой посредством трубопровода 18, в котором установлена воздушная турбина 2.The wind power installation comprises a vertical hollow tower 1 and an air turbine 2 with an electric generator (not shown). The tower 1 is made cylindrical and a vertical pipe 3 is installed in it with the formation in the tower 1 between its inner wall and the vertical pipe 3 of the annular channel 4. In the upper part of the tower 1 there is an upper confuser-diffuser nozzle 5, which is self-mounted in the direction of the wind, the confuser part 6 of which communicated in a narrow section with an annular channel 4 of the tower 1, and the diffuser part 7 in a narrow section with a vertical pipe 3. In the lower part of the tower 1 there is a lower confuser-diffuser nozzle 8, which is mounted in the direction wind, the confuser part 9 of which is connected by a narrow section with a vertical pipe 3, and the diffuser part 10 by a narrow section - with the annular channel 4 of tower 1. The confuser and diffuser parts 9 and 10 of the indicated confuser-diffuser nozzle 8 in the lower part of tower 1 in the section with the narrow passage section is equipped with a shutter 11, periodically blocking them with an automatic drive (not shown), each specified narrow section is made with two bypass channels 12 and 13 with check valves 14 and 15 installed in them, one of which is 12 it is connected with a narrow section in front of the shutter 11, and the other 13 after the shutter 11, while these two bypass channels 12 and 13 are each communicated with their own buffer capacity 16 and 17, and the latter are interconnected via a pipe 18 in which an air turbine 2 is installed .

Набегающий поток воздуха поступает (см. фиг.1) в подвижную, самостоятельно устанавливающуюся по направлению ветра верхнюю конфузорно-диффузорную насадку 5, что позволяет создать восходящий воздушный поток во внутренней трубе 3 за счет эжекции, создаваемой конфузорно-диффузорной насадкой 5, и нисходящий поток в кольцевом канале 4 между внутренней трубой 3 и башней 1. При этом конфузорная часть 6, улавливая встречный ветер, создает напор в верхнем сечении кольцевого канала 4 при создании нисходящего потока, а диффузорная часть 7 обеспечивает плавное расширение восходящего потока и сопряжение его с созданной в узком сечении верхней конфузорно-диффузорной насадки 5 зоной разрежения. Одновременно набегающий поток воздуха поступает в подвижную, самостоятельно устанавливающуюся по направлению ветра нижнюю конфузорно-диффузорную насадку 5, что позволяет создать подпор в нижнем сечении внутренней трубы 3 с формированием в ней восходящего потока. Диффузорная часть 10 нижней конфузорно-диффузорной насадки 8 обеспечивает плавное расширение нисходящего по кольцевому каналу 4 потока воздуха и сопряжение его с созданной в узком сечении нижней конфузорно-диффузорной насадки 8 зоной разрежения. Одновременная установка конфузорно-диффузорных насадок 5 и 8 в направлении ветра осуществляется силовым воздействием на их поверхности ветрового потока благодаря использованию конструктивного решения, заключающегося в несовпадении центров вращения и центров кривизны поверхностей, формирующих их проточную часть.The incoming air stream enters (see Fig. 1) into the mobile, self-installed in the direction of the wind upper confuser-diffuser nozzle 5, which allows you to create an upward air flow in the inner tube 3 due to the ejection created by the confuser-diffuser nozzle 5, and a downward flow in the annular channel 4 between the inner pipe 3 and the tower 1. In this case, the confuser part 6, capturing the headwind, creates a pressure in the upper section of the annular channel 4 when creating a downward flow, and the diffuser part 7 provides vnoe extension upstream and pairing it with the narrow section formed in the upper convergent nozzle-diffuser 5 dilution zone. At the same time, an incoming air flow enters the lower confuser-diffuser nozzle 5, which is independently installed in the direction of the wind, which makes it possible to create a backwater in the lower section of the inner pipe 3 with the formation of an upward flow in it. The diffuser part 10 of the lower confuser-diffuser nozzle 8 provides a smooth expansion of the air flow descending along the annular channel 4 and its conjugation with the rarefaction zone created in a narrow section of the lower confuser-diffuser nozzle 8. The simultaneous installation of the confuser-diffuser nozzles 5 and 8 in the direction of the wind is carried out by the force of the wind flow on their surface due to the use of a constructive solution consisting in the mismatch of the centers of rotation and the centers of curvature of the surfaces forming their flow part.

Преобразование энергии описанных выше восходящего и нисходящего потоков воздуха в электрическую энергию происходит следующим образом (см. фиг.2). Периодически в узком проходном сечении, образованном конфузорной частью 9 нижней конфузорно-диффузорной насадки 8, и в узком проходном сечении, образованном диффузорной частью 10 нижней конфузорно-диффузорной насадки 8, закрывается затвор 11 (поскольку конструкции, установленные в обеих узких частях, идентичны и идентична их работа, представленная на фиг.2 конструкция имеет общие позиции для обеих узких частей), вызывая ударную волну навстречу течению воздушного потока и вторую ударную волну понижения с противоположной стороны затвора 11. После достижения ударной волной входа в канал, образованный узким проходным сечением конфузорной части 9 и диффузорной части 10, волна отразится от входа в канал и направится в обратном направлении. При описанных выше процессах за счет созданных в каждом канале перед и за затвором 11 перепадах давления открываются установленные в перепускных каналах 12 и 13 обратные клапаны 14 и 15, при этом в буферную емкость 16, сообщенную с каналом перед затвором 11 по ходу потока, поступает воздушный поток с высоким давлением, а из второй буферной емкости 17, сообщенной с каналом после затвора 11, откачивается воздух с соответствующим понижением давления в этой буферной емкости 17. В результате на воздушной турбине 2, установленной в соединяющем буферные емкости 16 и 17 трубопроводе 18, создается перепад давления и переток воздуха по трубопроводу 18 через воздушную турбину 2 из буферной емкости 16 в буферную емкость 17. От воздушной турбины приводится в работу электрический генератор, который вырабатывает подаваемый потребителю электрический ток.The energy conversion of the above ascending and descending air flows into electrical energy occurs as follows (see figure 2). Periodically, in the narrow passage section formed by the confuser part 9 of the lower diffuser nozzle 8, and in the narrow passage section formed by the diffuser part 10 of the lower diffuser nozzle 8, the shutter 11 closes (since the structures installed in both narrow parts are identical and identical their work, presented in figure 2, the design has common positions for both narrow parts), causing a shock wave towards the flow of air flow and a second shock wave of decrease from the opposite side of the shutter 11. P follows achieve shock wave in the input channel formed by the narrow passage section confusor part 9 and the diffuser portion 10, the wave reflected from entering the channel and travel to the opposite direction. In the processes described above, due to the pressure drops created in each channel in front of and behind the shutter 11, the check valves 14 and 15 installed in the bypass channels 12 and 13 open, and air enters the buffer tank 16 in communication with the channel in front of the shutter 11 high-pressure flow, and air is pumped out from the second buffer tank 17 connected to the channel after the shutter 11 with a corresponding decrease in pressure in the buffer tank 17. As a result, on an air turbine 2 installed in the connecting buffer tank STI 16 and 17 of the conduit 18, creates a pressure drop and air flow through conduit 18 through an air turbine 2 from the buffer tank 16 to the buffer tank 17. From the air turbine driven electric generator operation, which generates an electric current supplied to the consumer.

Настоящее изобретение может быть использовано для создания ветровых электростанций в энергетической промышленности с получением экологически чистой энергии.The present invention can be used to create wind farms in the energy industry with the production of clean energy.

Claims

A wind power installation comprising a vertical hollow tower and an air turbine with an electric generator, characterized in that the tower is cylindrical and a vertical pipe is installed in it with the formation of a circular channel in the tower between its inner wall and the vertical pipe, with an upper confuser diffuser nozzle, self-aligning in the direction of the wind, the confuser part of which is connected by a narrow section with the annular channel of the tower, and the diffuser part by a narrow section - with a vertical pipe, in the lower part of the tower there is a lower confuser-diffuser nozzle, self-aligning in the direction of the wind, the confuser part of which is connected by a narrow section with a vertical pipe, and the diffuser part by a narrow section - with the annular channel of the tower, while the confuser and diffuser parts of the specified confuser -diffuser nozzles in the lower part of the tower in a section with a narrow passage section are equipped with a shutter periodically blocking them with an automatic drive, each narrow section indicated k is made with two bypass channels with non-return valves installed in them, one of which is connected with a narrow section in front of the shutter, and the other after the shutter, while these two bypass channels are each connected with its own buffer capacity, and the latter are interconnected via a pipeline, in which an air turbine is installed.