RU2644799C1 - Cascade wind generator - Google Patents

Cascade wind generator Download PDF

Info

Publication number
RU2644799C1
RU2644799C1 RU2016137198A RU2016137198A RU2644799C1 RU 2644799 C1 RU2644799 C1 RU 2644799C1 RU 2016137198 A RU2016137198 A RU 2016137198A RU 2016137198 A RU2016137198 A RU 2016137198A RU 2644799 C1 RU2644799 C1 RU 2644799C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
duct
wind generator
air
section
turbine
Prior art date
Application number
RU2016137198A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Николаевич Зайцев
Original Assignee
Анатолий Николаевич Зайцев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Анатолий Николаевич Зайцев filed Critical Анатолий Николаевич Зайцев
Priority to RU2016137198A priority Critical patent/RU2644799C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2644799C1 publication Critical patent/RU2644799C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D1/00Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/02Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors
    • F03D1/025Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors coaxially arranged
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D9/00Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/30Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/34Wind motors specially adapted for installation in particular locations on stationary objects or on stationary man-made structures
    • F03D9/35Wind motors specially adapted for installation in particular locations on stationary objects or on stationary man-made structures within towers, e.g. using chimney effects
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D9/00Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/30Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/34Wind motors specially adapted for installation in particular locations on stationary objects or on stationary man-made structures
    • F03D9/35Wind motors specially adapted for installation in particular locations on stationary objects or on stationary man-made structures within towers, e.g. using chimney effects
    • F03D9/37Wind motors specially adapted for installation in particular locations on stationary objects or on stationary man-made structures within towers, e.g. using chimney effects with means for enhancing the air flow within the tower, e.g. by heating
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/10PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power including a supplementary source of electric power, e.g. hybrid diesel-PV energy systems
    • H02S10/12Hybrid wind-PV energy systems
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/728Onshore wind turbines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: invention relates to wind power engineering. Cascade wind generator comprises at least an inclined air duct of a cylindrical shape, in the lower part of which a heater is installed, a horizontally located air duct is connected to the upper part of said air duct by means of a curved adapter, consisting of lengths of cylindrical tubes of various diameters, connected with the possibility of forcing the air flow through a reduction in the duct section, Inside the horizontal duct, at least two axial turbines are installed coaxially with it, each of which is connected to its electric generator.
EFFECT: invention is aimed at increasing power of wind generator.
8 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to the field of energy, namely alternative energy, and can be used to generate electrical energy, preferably in hot, sunny climates and mountainous terrain, where there are mountainsides with a drop in temperature and air pressure in height.

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.A known project is a wind farm (US patent 4187686, publ. 12.02.1980). According to a well-known project, two parallel pipes filled with gas are placed along the steep slope of the mountain. At the top and bottom, the pipes are interconnected by horizontal pipe segments, forming a closed system of communicating vessels, isolated from the external atmosphere. A wind turbine with an electric generator is located in the lower horizontal part of the system. Hot water is injected into the lower part of one pipe, and cold water is injected into the upper part of the other pipe, the resulting temperature difference in the pipes causes gas to move in the system according to the rule of communicating vessels and the resulting gas flow rotates the wind turbine.

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.Significant disadvantages of this design of stations include the fact that due to the low speed of free lowering of a cold column of air, a sufficiently high value of the kinetic energy of air masses cannot be realized, and therefore the power and efficiency of such stations are small.

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.Known (patent RU 2444645, published September 30, 2009) is a mountain air-traction power plant, comprising a vertical duct communicated by its entrance from the lower side and exit from the upper side with the atmosphere, an air motor installed in it kinematically connected to an electric generator, and a duct entrance communication channel with the atmosphere with an air heater in it. The duct is made in the form of a mine working isolated from the entry of underground water, the mouth of which on the earth's surface is the outlet of the duct, the heater is a geothermal reservoir, represented by dry warm (or hot) rocks, characterized by induced or naturally reported fracture, communicated with the entrance of the mine , the channel of communication of the duct inlet with the atmosphere is the geothermal collector itself, which extends to the intersection with the relief surface of the mountainous area, or the bottom is an additional mine or several additional mine workings constructed from the surface to the geothermal reservoir and located around the mine, with a slide installed at the mouth of the mine; the power plant is equipped with an inducer of air movement, for example a fan, in a mine.

Недостатком известной электростанции следует признать слишком узкую область применения, обусловленную использованием горной выработки с наличием геотермального коллектора.A disadvantage of the known power plant should be recognized as too narrow a scope due to the use of mining with a geothermal reservoir.

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.Known (patent RU 160736, publ. 03/27/2016) a wind turbine comprising a housing mounted on a vertical mast with the possibility of rotation around its longitudinal axis, blade-type wind turbines with a horizontal axis of rotation, kinematically connected with electric generators connected to a common electrical load. The housing is made in the form of a cylindrical pipe, inside of which a turbine shaft with at least two bladed wind turbines mounted on it along the shaft axis is located on the bearing bearings, and motionless driving sun gears are fixed at both ends of the shaft cantilever protruding from the bearings, made double-crowned with an external tooth, engaged with driven gears of the drive of electric generators, installed in pairs evenly in a circle on the outer surface of the pipe, from the side of both of its ends, m number of teeth of the sun gear on the leading greater than the number of teeth of the driven gear wheel drive the power generator, wherein the pipe fastening place to the mast is shifted to one of the pipe ends.

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.The known device operates as follows. Under pressure from the wind on the side surface of the body, the latter, due to the displacement of the attachment point to one of the pipe ends, like a weather vane, rotates around the mast axis, being installed to the wind by the pipe end. After that, the wind rotates the blades of the wind turbines mounted on one turbine shaft, creating a torque on it, which is summed up on the sun gears made by two-crowned ones. The driven gears of the electric generator drive are arranged at regular intervals around the leading sun gear. The number of teeth on each of the driven gears is less than the number of teeth on the rims of the sun gears, and therefore the rotation of the driven gear is transmitted to the generator with an increased speed, which leads to an increase in efficiency.

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.The main disadvantage of this device is a sharp narrowing of its scope, since connecting a large number of power generators to one turbine shaft leads to the fact that this device works stably only at high wind speeds. He will have a large moment of starting, as a result, it is inoperative at low wind speeds.

Известное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.The known technical solution is made as the closest analogue.

Техническая задача, решаемая с использованием разработанной конструкции, состоит в разработке экологически чистой электростанции нового типа.The technical problem to be solved using the developed design is to develop a new type of environmentally friendly power plant.

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.The technical result of the invention is to increase the power of the wind generator by additionally installing N axial turbines in the duct, each of which is connected to its own electric generator, and forcing the air flow.

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.To achieve the specified technical result, it is proposed to use a cascade wind generator of a developed design. The developed wind generator comprises at least a cylindrical inclined duct, a heater is installed in the lower part, and a horizontally arranged duct is connected to the upper part of the specified duct through a curved adapter, consisting of pipe sections of various cylindrical shapes, connected with the possibility of forcing the air flow by reducing duct section, at least two axial turbines are installed coaxially with the inside of the horizontal duct Each of which is connected to its own power generator.

На входе в наклонный воздуховод может быть дополнительно установлен накопитель/ радиатор, выход которого для воздушных масс сообщен с внутренним объемом наклонного воздуховода.At the entrance to the inclined duct, an accumulator / radiator can be additionally installed, the output of which for the air masses is in communication with the internal volume of the inclined duct.

На поверхности накопителя/радиатора может быть установлен с возможностью нагрева находящихся внутри накопителя воздушных масс солнечный коллектор.A solar collector can be installed on the surface of the storage / radiator with the possibility of heating the air masses inside the storage.

На поверхности воздуховода может быть установлен блок солнечных фотоэлектрических элементов, подключенных к электронагревателям, установленным внутри накопителя/радиатора.A block of solar photovoltaic cells connected to electric heaters installed inside the drive / radiator can be installed on the surface of the duct.

Внутри накопителя/радиатора могут быть установлены нагревательные элементы, подключенные к выходу теплогенератора.Inside the drive / radiator, heating elements can be installed connected to the output of the heat generator.

На выходе горизонтального воздуховода дополнительно может быть установлен элемент, предотвращающий аэродинамические шумы.At the outlet of the horizontal duct, an element can additionally be installed to prevent aerodynamic noise.

Предпочтительно горизонтальный воздуховод дополнительно содержит, по меньшей мере, два участка, форсирующие воздушные массы, каждый из которых установлен перед турбиной.Preferably, the horizontal duct further comprises at least two sections forcing the air masses, each of which is installed in front of the turbine.

Обычно изогнутый переходник выполнен радиусом изгиба, не менее чем в пять раз превышающим диаметр наклонного воздуховода.Typically, a bent adapter is made with a bend radius not less than five times the diameter of the inclined duct.

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.The basis of the cascade wind generator is the presence of an air duct of variable cross section. Moreover, the first section of the duct is located on the side of a mountain and serves for preliminary dispersal of air masses. To increase and maintain traction in the lower part of the inclined duct, it is possible to additionally use a heater of any type. The second section of the duct is located horizontally and is designed to generate electricity. It contains axial-type turbines with a number of at least two.

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.The axis of rotation of the turbines coincides with the axis of symmetry of the duct. Turbines through gearboxes are each connected to its own generator. The air flow enters the blades of the first turbine, additionally accelerating due to the narrowing of the duct. Moreover, the air at the outlet of each previous turbine, once again further dispersed by reducing the cross section of the duct, enters the inlet of the next turbine.

Количество турбин и, соответственно, количество каскадов ветрогенератора ограничено минимально возможным сечением воздуховода.The number of turbines and, accordingly, the number of stages of the wind generator is limited by the minimum possible cross-section of the duct.

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.The figure shows the design of the developed cascade wind generator in the preferred form of implementation. The wind generator comprises an inclined duct 1, a storage / radiator 2, a solar thermal collector 3, a solar photovoltaic battery block 4, heating elements 5, a heat generator operating on any type of gaseous, liquid or solid fuel (not shown), via an adapter 6 an additionally connected horizontal section duct 7, comprising a first 8 section narrowing the pipeline section, a first turbine 9, a reducer of the first turbine 10, a first generator 11, a second 12 pipe section narrowing the section, W Rui turbine 13, second turbine gear 14, the second oscillator 15, n-th diffuser 16, n-th turbine 17, reducer n-th turbine 18, n-th generator 19, element 20, prevents aerodynamic noise.

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.The operation of a cascade wind generator is based on the use of kinetic energy of air movement in an insulated duct. The movement of air occurs due to the difference in pressure and temperature at the opposite ends of the duct 1, located on a slope of mountainous terrain. The greater the difference in air density, the greater the speed of movement of air masses in the duct, respectively, the greater the power of the installation. To enhance the effect, part of the atmospheric air enters the accumulator / radiator 2 for heating the air masses, where they are heated using a thermal solar collector 3 based on panels with a high absorption capacity of solar heat mounted on the outside of the accumulator. The drive / reactor 2 is a box. In addition, the air in the storage / radiator is additionally heated using heating elements 5, powered by a solar photovoltaic battery 4 located on the outside of the duct 1. The storage / radiator has the ability to heat the air not only on the basis of direct sunlight, but also from heat generators working on any kind of solid, liquid or gaseous fuel. This solution allows you to get electricity in the dark and not depend on weather conditions.

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.If the entire duct is made oblique, then part of the kinetic energy of the air masses will not be spent on generating electricity, but on the task of raising the mass of air to a certain height, depending on the difference in height of the beginning and end of the duct. To increase the efficiency of the wind generator, the second section of the duct where the turbines are located is made horizontal. Moreover, the inclined and horizontal sections of the duct are connected using an adapter 6, the radius of which to reduce the coefficient of local resistance must be at least five times the diameter of the inclined duct.

Мощность ветрового потока, т.е. количество энергии, которое можно выработать, используя кинетическую энергию движения воздуха, определяется выражением:Wind power, i.e. the amount of energy that can be generated using the kinetic energy of air movement is determined by the expression:

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

q - плотность воздуха в кг/м3;q is the density of air in kg / m 3 ;

S - площадь сечения воздуховода в м2;S is the cross-sectional area of the duct in m 2 ;

V - скорость движения воздуха в м/с.V is the air velocity in m / s.

Из формулы (1) следует, что мощность зависит от куба скорости движения воздушных масс.From formula (1) it follows that the power depends on the cube of the speed of movement of air masses.

Поэтому, прежде чем войти в контакт с лопатками первой турбины 9, воздушные массы форсируют, т.е. разгоняют до скорости V1, за счет сужения горизонтальной части воздуховода 7.Therefore, before coming into contact with the blades of the first turbine 9, the air masses force, i.e. accelerate to a speed of V 1 , due to the narrowing of the horizontal part of the duct 7.

Сужение делается плавно с использованием конусообразного первого суживающий сечение трубопровода участка 8.The narrowing is done smoothly using a conical first narrowing section of the pipeline section 8.

Согласно уравнению Бернулли для горизонтального участка трубы:According to the Bernoulli equation for a horizontal pipe section:

Figure 00000002
Figure 00000002

гдеWhere

V0 - скорость движения воздуха на участке воздуховода с сечением S0вм/с2;V 0 - air velocity in the duct section with a cross section S 0 vm / s 2 ;

q - плотность воздуха в кг/м3;q is the density of air in kg / m 3 ;

Po - статическое давление воздуха на участке с сечением S0вн/м2;P o - static air pressure in the section with a section S 0 vn / m 2 ;

V1 - скорость движения воздуха на участке с сечением S1в м/с;V 1 - air velocity in the section with the cross-section S1в m / s;

P1 - статическое давление воздуха на участке с сечением S1вн/м2;P 1 - static air pressure in the section with a section S1vn / m 2 ;

Figure 00000003
- динамическое давление или скоростной напор вн/м2.
Figure 00000003
- dynamic pressure or velocity head vn / m 2 .

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.Bernoulli's law states that an increase in air velocity (dynamic pressure) in a section of a duct with a smaller cross section occurs due to a decrease in static pressure in a section of a duct with a larger cross section, but in total the static and dynamic pressures are constant.

Согласно уравнению неразрывности:According to the continuity equation:

Figure 00000004
Figure 00000004

гдеWhere

S0 - площадь сечения воздуховода на участке с большим диаметром вм2;S 0 - the cross-sectional area of the duct in the area with a large diameter vm 2 ;

V0 - скорость воздуха на участке воздуховода с большим диаметром в м/с;V 0 - air velocity in the duct section with a large diameter in m / s;

S1 - площадь сечения воздуховода на участке с меньшим диаметром вм2;S 1 - the cross-sectional area of the duct in the area with a smaller diameter vm 2 ;

V1 - скорость воздуха на участке воздуховода с меньшим диаметром в м/с.V 1 - air velocity in the duct section with a smaller diameter in m / s.

Тогда:Then:

Figure 00000005
Figure 00000005

т.е. скорость воздуха увеличивается прямо пропорционально уменьшению площади сечения воздуховода.those. air velocity increases in direct proportion to the decrease in the cross-sectional area of the duct.

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.Having previously dispersed in section 8 narrowing the pipeline section, the air enters the blades of the first turbine 9. The turbine is a multi-blade wind wheel made according to the scheme of an axial aviation turbine. Moreover, the turbine blades are located on the periphery of the wind wheel, where they work most efficiently. The central part of the turbine remains free for the movement of air masses and creates minimal resistance to their movement.

Турбина служит для преобразования кинетической энергии воздушных масс в крутящий момент, который с использованием редуктора 10 передается на генератор электрической энергии 11.The turbine is used to convert the kinetic energy of the air masses into torque, which is transmitted to the electric energy generator 11 using a gearbox 10.

Проходя через лопатки турбины, воздух тормозится не полностью, так как максимальный коэффициент использования ветра составляет величину 0,593 (критерий Бетца), а до скорости V11.Passing through the turbine blades, the air is not completely braked, since the maximum wind utilization factor is 0.593 (Betz criterion), but to a speed of V 11 .

Смешиваясь с воздухом, пришедшим через центральную часть турбины, воздух на выходе первой турбины будет иметь суммарную скорость V2 [4]:Mixing with the air coming through the central part of the turbine, the air at the outlet of the first turbine will have a total speed V 2 [4]:

Figure 00000006
Figure 00000006

где m2 - масса воздуха, прошедшего через лопатки турбины, в кг;where m 2 is the mass of air passing through the turbine blades, in kg;

V11 - скорость воздуха, прошедшего через лопатки турбины, в м/с;V 11 - the speed of the air passing through the turbine blades, in m / s;

m1 - масса воздуха, прошедшего через центр турбины, вкг;m 1 is the mass of air passing through the center of the turbine, VCG;

V1 - скорость воздуха, прошедшего через центр турбины, в м/с;V 1 is the speed of air passing through the center of the turbine, in m / s;

V2 - суммарная скорость всего воздуха после смешивания в м/с.V 2 is the total velocity of all air after mixing in m / s.

Далее воздушный поток опять разгоняется до начальной скорости V1. Для этого сечение воздуховода с использованием второго суживающего сечение трубопровода участка 12 уменьшают до сечения S2. Так как после прохождения лопаток первой турбины 9 скорость воздушного потока на участке воздуховода с сечением S1 уменьшилась до V2, то имеем соотношение:Further, the air flow again accelerates to the initial speed V 1 . To this end, the cross-section of the duct using the second narrowing section of the pipeline section 12 is reduced to section S 2 . Since after the passage of the blades of the first turbine 9, the air flow rate in the duct section with section S 1 decreased to V 2 , we have the ratio:

Figure 00000007
Figure 00000007

Отсюда следует:This implies:

Figure 00000008
Figure 00000008

Следовательно, сечение воздуховода надо уменьшить перед второй турбиной 13 в V2/V1 раз. После разгона воздуха на участке 12 он поступает на лопатки второй осевой турбины 13, мощность на выходе которой будет в S1/S2 раз меньше, чем на первой. Турбина 13 с использованием редуктора 14 приводит в движение генератор 15.Therefore, the cross section of the duct must be reduced before the second turbine 13 in V 2 / V 1 times. After the acceleration of air in section 12, it enters the blades of the second axial turbine 13, the output power of which will be S 1 / S 2 times less than in the first. The turbine 13 using a gearbox 14 drives the generator 15.

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 S2/S3 раз, где S3 - сечение воздуховода на участке, где расположена третья турбина. Всю описанную выше процедуру можно повторить n раз до уменьшения сечения воздуховода в разумных пределах.Since the kinetic energy of the air masses on the second turbine was also not completely converted to the generator torque, the air at the output of the second turbine can be fed to the inlet of the third turbine, after having forced it by reducing the cross section of the duct. On the third turbine, the power of the generated electricity will naturally be less than the second by S 2 / S 3 times, where S 3 is the section of the duct in the area where the third turbine is located. The entire procedure described above can be repeated n times until the duct section is reduced to a reasonable extent.

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.In the last section of the horizontal duct, the nth narrowing section of the pipeline section 16, the nth turbine 17, the nth gearbox 18 and the nth generator 19 will be located.

Для предотвращения аэродинамических шумов воздуховод оканчивается участком 20.To prevent aerodynamic noise, the duct terminates in section 20.

Естественно результатом описанной выше схемы является увеличение суммарной мощности всей установки.Naturally, the result of the scheme described above is an increase in the total power of the entire installation.

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.The device is easily implemented at the present stage of development of science and technology. As a generator, you can take any type of generator: permanent magnets, asynchronous, valve. So, the output power of the generators will lie in the range from tens to hundreds of kilowatts, then it will not be difficult to select the generators of the required power.

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.The air duct is installed on a hillside on foundation supports, which are metal pins driven into the ground with weld-in lodges, which surround the duct along the outer diameter. The duct is assembled from pieces of lightweight pipes made of plastic (for example, polycarbonate) with minimal roughness on the inside to reduce friction during air movement. The air duct is fixed in the cradles during installation with screws. Pipe segments are joined end-to-end and fixed with tightening clamps. The duct sections where the constrictions, turbines and gears are located are made of any suitable metal, such as aluminum.

Claims (8)

1. Каскадный ветрогенератор, отличающийся тем, что он 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.1. A cascade wind generator, characterized in that it contains at least an inclined cylindrical duct, a heater is installed in its lower part, a horizontally located duct consisting of pipe sections of cylindrical shapes of various diameters is connected to the upper part of the specified duct using a curved adapter, connected with the possibility of forcing the air flow by reducing the cross-section of the duct, at least m are installed coaxially with the inside of the horizontal duct Here, two axial turbines, each of which is connected to its own electric generator. 2. Ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что на входе в наклонный воздуховод дополнительно установлен накопитель/радиатор, выход которого для воздушных масс сообщен с внутренним объемом наклонного воздуховода.2. The wind generator according to claim 1, characterized in that an accumulator / radiator is additionally installed at the entrance to the inclined duct, the output of which for the air masses is in communication with the internal volume of the inclined duct. 3. Ветрогенератор по п. 2, отличающийся тем, что на поверхности накопителя/ радиатора установлен с возможностью нагрева находящихся внутри накопителя воздушных масс солнечный коллектор.3. The wind generator according to claim 2, characterized in that a solar collector is installed on the surface of the storage / radiator with the possibility of heating the inside of the storage of air masses. 4. Ветрогенератор по п. 2, отличающийся тем, что на поверхности воздуховода установлен блок солнечных фотоэлектрических элементов, подключенных к электронагревателям, установленным внутри накопителя/ радиатора.4. The wind generator according to claim 2, characterized in that a block of solar photovoltaic elements connected to electric heaters installed inside the drive / radiator is installed on the surface of the duct. 5. Ветрогенератор по п. 2, отличающийся тем, что внутри накопителя/радиатора установлены нагревательные элементы, подключенные к выходу теплогенератора.5. The wind generator according to claim 2, characterized in that heating elements connected to the output of the heat generator are installed inside the drive / radiator. 6. Ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что на выходе горизонтального воздуховода дополнительно установлен элемент, предотвращающий аэродинамические шумы.6. The wind generator according to claim 1, characterized in that at the output of the horizontal duct an additional element is installed that prevents aerodynamic noise. 7. Ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что горизонтальный воздуховод дополнительно содержит, по меньшей мере, два участка, форсирующие воздушные массы, каждый из которых установлен перед турбиной.7. The wind generator according to claim 1, characterized in that the horizontal duct further comprises at least two sections forcing the air masses, each of which is installed in front of the turbine. 8. Ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что изогнутый переходник выполнен радиусом изгиба, не менее чем в пять раз превышающим диаметр наклонного воздуховода.8. The wind generator according to claim 1, characterized in that the curved adapter is made with a bend radius not less than five times the diameter of the inclined duct.
RU2016137198A 2016-09-19 2016-09-19 Cascade wind generator RU2644799C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016137198A RU2644799C1 (en) 2016-09-19 2016-09-19 Cascade wind generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016137198A RU2644799C1 (en) 2016-09-19 2016-09-19 Cascade wind generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2644799C1 true RU2644799C1 (en) 2018-02-14

Family

ID=61226902

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016137198A RU2644799C1 (en) 2016-09-19 2016-09-19 Cascade wind generator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2644799C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2118700C1 (en) * 1996-05-29 1998-09-10 Владимир Васильевич Огнев Windmill electric generating plant
US20120153628A1 (en) * 2009-06-12 2012-06-21 Paul Klinkman Diagonal Solar Chimney
CN104100452A (en) * 2013-04-08 2014-10-15 彭辰祺 Solar energy-wind energy combination system and application thereof
US20150001851A1 (en) * 2012-01-25 2015-01-01 Maria Hoernig Wind power installation
RU160736U1 (en) * 2015-10-15 2016-03-27 Анна Сергеевна Штейнберг WIND TURBINE

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2118700C1 (en) * 1996-05-29 1998-09-10 Владимир Васильевич Огнев Windmill electric generating plant
US20120153628A1 (en) * 2009-06-12 2012-06-21 Paul Klinkman Diagonal Solar Chimney
US20150001851A1 (en) * 2012-01-25 2015-01-01 Maria Hoernig Wind power installation
CN104100452A (en) * 2013-04-08 2014-10-15 彭辰祺 Solar energy-wind energy combination system and application thereof
RU160736U1 (en) * 2015-10-15 2016-03-27 Анна Сергеевна Штейнберг WIND TURBINE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Al-Kayiem et al. Historic and recent progress in solar chimney power plant enhancing technologies
US8875511B2 (en) Geothermal wind system
US3936652A (en) Power system
CN207018144U (en) Round-the-clock wind/light energy and air force energy multiple integration wind-tunnel electricity generation system
KR101277645B1 (en) Hybrid Electric Power Generation System Using Photovoltaics and Wind Power
MX2013006447A (en) Wind power generator for an urban area.
RU106309U1 (en) HYBRID ALTERNATIVE POWER INSTALLATION
WO2012026840A1 (en) Method and solar-powered wind plant for producing electric power
RU2644799C1 (en) Cascade wind generator
Kekezoğlu et al. A new wind turbine concept: design and implementation
CN204553099U (en) A kind of pipeline wind power generation plant
Kale et al. A review of multi-rotor wind turbine systems
US9938963B2 (en) Power generation from atmospheric air pressure
CN102322410B (en) Method of forming hot air by using solar energy to generate power
CN202381259U (en) Power tower turbine turbofan operating structure
US10859066B2 (en) Sub-terranean updraft tower (STUT) power generator
CN108374762A (en) A kind of novel wind power heating system
CN202181984U (en) Wheel-shaped impeller, wind power generation device and artificial air flow generating system
Suarda et al. Semi twisted curve blade vortex turbine performance at runner rotation speed variation using CFD simulation
Dumitrescu et al. TORNADO concept and realisation of a rotor for small VAWTs
CN102297076A (en) Wheel-shaped impeller, wind power generating set and artificial air flow generating system
KR100938538B1 (en) Solar Vortex Chimney Power Plant boosted by Solar Chimney
RU2656515C1 (en) Vortex wind thermal generator
RU2560238C1 (en) Wind-driven power plant
RU2805564C1 (en) Solar-wind power plant