RU2799612C1 - Ветрогенератор турбинного типа - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение относится к ветроэнергетике и направлено на повышение эффективности ветрогенераторов турбинного типа, использующих эффект Бернулли, и увеличения их производительности. Предложен ветрогенератор турбинного типа, содержащий установленную на валу с возможностью вращения воздушную турбину, помещенную между двумя панелями с множеством трубок Бернулли в каждой, имеющими большие диаметры входных отверстий и меньшие диаметры выходных сопел, причем панель, расположенная перед входной стороной турбины, обращена к ней соплами и предназначена для ускорения подаваемого на турбину воздушного потока, а панель, расположенная за выходной стороной турбины, обращена к ней большими диаметрами входных отверстий и предназначена для ускорения отведения от турбины прошедшего через нее ослабленного воздушного потока, при этом синхронная работа обеих панелей обеспечивает непрерывное прохождение воздушного потока через турбину и увеличивает ее производительность. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к ветрогенераторам, и направлено на повышение эффективности ветрогенераторов турбинного типа, использующих эффект Бернулли.

Предшествующий уровень техники

Есть две возможности создания высокоэффективных ветрогенераторов: либо устанавливать их на вершинах огромных башен в зоне постоянно существующих скоростных воздушных потоков, либо, не затрачивая огромных средств на сооружение таких башен и снабжения турбин ветрогенераторов огромными лопастями, найти технические решения для значительного ускорения воздушных потоков, подаваемых на лопасти воздушных турбин. Известен ветрогенератор, позволяющий значительно увеличить скорость ветра, подаваемого на лопасти воздушной турбины, за счет использования эффекта Бернулли (см., например, патент US 8482146 B2). В этом патенте в каждом из множества модулей, представляющих собой трубки Бернулли, расположены воздушные турбины и связанные с ними генераторы электрического тока, причем воздушный поток проходит в каждую из этих трубок через ее широкую часть, а воздушные турбины и генераторы электрического тока расположены в узкой части трубок. Поэтому воздушный поток, переходя из широкой части трубок в узкую, увеличивает скорость своего движения, заставляя лопасти воздушной турбины вращаться с большей скоростью, что приводит к выработке большей электрической энергии. Однако диаметр узких участков трубок недостаточен для размещения в них воздушной турбины и генератора электрического тока промышленных размеров. В результате в этом патенте предлагается создать комплексы из множества модулей с воздушными турбинами и генераторами электрического тока миниатюрных размеров.

В патенте РФ 2789330 раскрыт ветрогенератор турбинного типа, в котором все лопасти воздушной турбины промышленных размеров одновременно раскручивают высокоскоростными воздушными потоками, направленными из множества трубок Бернулли. Эти трубки представляют собой полости, образованные в одной панели, расположенные в ней рядами по радиусам, с углами между смежными рядами, совпадающими с углами между смежными лопастями воздушной турбины. Размеры входных отверстий и выходных сопел этих трубок выбраны такими, чтобы даже слабый ветер, скорость которого не превышает 3 м/сек (2 балла по шкале Бофора), на выходе из сопел трубок разгонялся до 16 м/сек (7 баллов по шкале Бофора), что позволяет обеспечить вращение лопастей турбины с высокой скоростью и вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах.

Однако эффективность воздушной турбины зависит не только от мощности направленного на нее воздушного потока, но и от доли мощности, отбираемой от этого потока и преобразованной в энергию вращения воздушной турбины. Как доказал Бец, теоретически только немногим более половины набегающего воздушного потока (0,59%) можно преобразовать в энергию вращения турбины, тогда как прошедший через турбину ослабленный примерно в три раза воздушный поток должен обладать достаточной кинетической энергией, чтобы покинуть турбину и не создавать помех набегающему воздушному потоку, то есть в рассматриваемом случае этот поток замедлится до 16 м/сек: 3 ≈ 5 м/сек. В реальности, скорость ветра, прошедшего через турбину, может оказаться на 25% - 40% меньше. Поэтому в рассматриваемом случае скорость прошедшего через турбину ветра уменьшится примерно до 3 м/сек. И тут возникает еще одна проблема: скорость прошедшего через турбину воздушного потока может оказаться настолько малой, что будет препятствовать прохождению через нее непрерывного воздушного потока, что может привести к остановке вращения турбины и сделает бессмысленным достигнутое ускорение подаваемого на турбину воздушного потока.

Следовательно, существует необходимость в ускорении отведения от турбины прошедшего через нее ослабленного воздушного потока и необходимость обеспечения непрерывного синхронного движения подаваемого на турбину и отводимого от нее воздушных потоков.

Сущность изобретения

В основу изобретения поставлена задача создания простого и высокоэффективного ветрогенератора турбинного типа, способного вырабатывать электроэнергию в промышленном масштабе, который за счет средств для одновременного ускорения подаваемого на турбину воздушного потока и ускорения отведения от турбины прошедшего через нее ослабленного воздушного потока, позволит осуществить высокоэффективное использование ветрогенератора в широком диапазоне воздушных потоков, включая слабые потоки, в том числе и при установке ветрогенератора в закрытом объеме, например, под капотом электромобиля для подзарядки его аккумуляторов во время движения.

Поставленная задача согласно одному аспекту изобретения решается за счет ветрогенератора турбинного типа, содержащего установленную на валу с возможностью вращения воздушную турбину, расположенную выше по потоку перед входной стороной турбины панель для ускорения подаваемого на турбину входного потока и расположенную ниже по потоку за выходной стороной турбины панель для ускорения отведения прошедшего через турбину ослабленного выходного потока, причем панели включают в себя множество трубок Бернулли, имеющие большие диаметры входных отверстий и меньшие диаметры выходных сопел, панель для ускорения входного потока расположена с размещением выходных сопел трубок на стороне панели, выходящей к входной стороне турбины и с размещением входных отверстий трубок на противоположной стороне панели, а панель для ускорения отведения выходного потока расположена с размещением входных отверстий трубок на стороне панели, обращенной к выходной стороне турбины и с размещением выходных сопел трубок на противоположной стороне панели.

За счет этого подача на турбину ускоренных воздушных потоков предпочтительно осуществляется одновременно с ускоренным отведением от нее ослабленных воздушных потоков для обеспечения непрерывного прохождения через турбину воздушных потоков и исключения возможности торможения или остановки турбины.

Предпочтительно, чтобы входные отверстия трубок Бернулли в панели для ускорения отведения выходного потока были расположены напротив выходных сопел трубок Бернулли в панели для ускорения входного потока.

В одном из желательных вариантов осуществления изобретения ветрогенератор может быть установлен на электромобиле с размещением панели для ускорения входного потока за радиаторной решеткой и с размещением панели для ускорения отведения выходного потока с возможностью охлаждения двигателя.

В еще одном из желательных вариантов осуществления изобретения ветрогенератор может быть установлен на электромобиле с размещением панели для ускорения входного потока за радиаторной решеткой и с размещением панели для ускорения отведения выходного потока с возможностью охлаждения аккумуляторной батареи.

Поставленная задача согласно другому аспекту изобретения достигается за счет панели для ветрогенератора, включающей в себя множество трубок Бернулли, имеющих большие диаметры входных отверстий и меньшие диаметры выходных сопел, и выполненной с возможностью ее расположения ниже по потоку за выходной стороной турбины с размещением входных отверстий трубок на стороне панели, обращенной к выходной стороне турбины, и с размещением выходных сопел трубок на противоположной стороне панели для ускорения отведения прошедшего через турбину ослабленного выходного потока.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего настоящее изобретение вариантом осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг. 1 - изображает вид спереди панели, расположенной перед входной стороной турбины, с множеством входных отверстий для прохода воздуха в трубки Бернулли;

Фиг. 2 - изображает вид сбоку ветрогенератора с панелью для ускорения подаваемого на турбину воздушного потока, установленной перед ее входной стороной, и панелью для ускорения отведения от турбины прошедшего через нее ославленного воздушного потока, установленной за выходной стороной турбины;

Фиг. 3 - изображает схему проходящих через турбину воздушных потоков;

Фиг. 4 - изображает геометрическую модель с расчетной сеткой для расчета воздушных потоков в ветрогенераторе с трубками Бернулли диаметром 10 мм;

Фиг. 5 - изображает результаты расчета скорости воздушного потока в трубках Бернулли диаметром 10 мм;

Фиг. 6 - изображает результаты расчета скорости воздушного потока на выходе из трубок Бернулли диаметром 10 мм на различных расстояниях от ее края;

Фиг. 7 - изображает результаты расчета скорости воздушного потока в поперечном сечении на выходе из трубок Бернулли диаметром 10 мм на различных расстояниях от ее края.

Детальное описание изобретения

На фиг. 1 и 2 показан высокоэффективный ветрогенератор турбинного типа 1 согласно изобретению.

Ветрогенератор 1 содержит воздушную турбину 2, установленную на валу 3 с возможностью вращения, которая связана цепной передачей 4 с генератором электрического тока 5. Перед входной стороной турбины расположена панель 6 для ускорения подаваемого на нее воздушного потока с множеством выполненных в ее теле трубок Бернулли 7, причем для упрощения не все трубки Бернулли показаны. Каждая из трубок Бернулли 7 имеет больший диаметр входного отверстия 8 на одной стороне панели 6 и меньший диаметр выходного отверстия (сопла) 9 на противоположной стороне панели 6. Выходные сопла 9 трубок 7, расположены на входной стороне турбины 2, а входные отверстия 8 трубок 7 расположены на противоположной стороне панели 6.

Концы выходных сопел 9 трубок 7 желательно располагать по существу в одной плоскости. Аналогично входные отверстия 8 трубок 7 также предпочтительно должны быть расположены по существу в одной плоскости. Сопла 9 трубок Бернулли 7 в панели 6 предпочтительно располагать рядами 10 по радиусам, отходящим от расположенной напротив вала ветрогенератора точки панели 6 к периферии панели 6. Углы между смежными рядами сопел в панели 6 желательно должны быть равны углам между смежными рядами лопастей 11 воздушной турбины 2. При этом количество радиально расположенных рядов 10 в панели 6 предпочтительно выбирают равными числу лопастей 11 воздушной турбины 2 с тем, чтобы обеспечить одновременное воздействие всех выходящих из сопел 9 воздушных потоков на все лопасти 11 воздушной турбины 2. Это позволяет создавать наиболее равномерные высокоскоростные потоки для лопастей 11 турбины 2.

Технологически значительно проще изготовить панель 6 с трубками Бернулли 7, выполненными заодно целое с панелью 6, т.е. когда трубки 7 представляют собой полости со стенками из материала панели.

В одном из вариантов осуществления изобретения панель 6 может, например, иметь 46 трубок Бернулли. Это значит, что в данном конкретном случае лопасти 11 воздушной турбины 2 будут одновременно раскручивать 46 высокоскоростных воздушных потоков, которые обеспечат их вращение с высокой скоростью. В результате резко увеличится выработанная генератором электрическая энергия.

В реальности число таких трубок Бернулли 7, выполненных в панели 6, может быть значительно большим, что позволит еще больше увеличить скорость вращения воздушной турбины и еще больше увеличить выработку электрической энергии.

Однако согласно изобретению, высокая эффективность ветрогенератора турбинного типа обеспечивается не только за счет установки перед входной стороной турбины 2 панели 6, ускоряющей подаваемый на турбину 2 воздушный поток, но и за счет совместной синхронной работы панели 6 с панелью 12, установленной за выходной стороной турбины 2 и ускоряющей отведение от турбины 2 прошедшего через нее ослабленного воздушного потока.

В известных ветрогенераторах не предусмотрена возможность принудительного ускоренного отведения от турбины прошедшего через нее ослабленного воздушного потока, а достижение турбиной максимальной эффективности связывается с согласованием скорости вращения турбины со скоростью подаваемого на нее воздушного потока. Фактически в известных ветрогенераторах нет какой-либо связи между скоростями подаваемых на турбину и отводимых от нее воздушных потоков, что не только сказывается на производительности турбины, но и на устойчивости ее работы.

Только совместная синхронная работа панелей 6 и 12 исключает замедление скорости вращения турбины из-за застаивания за ней прошедшего через турбину ослабленного воздушного потока, что особенно важно при установке ветрогенератора в закрытом объеме, например, под капотом электромобиля для зарядки аккумуляторов во время движения.

По конструкции панель 12 для отведения от турбины 2 прошедшего через нее ослабленного воздушного потока ничем не отличается от панели 6, ускоряющей подаваемый на турбину 2 воздушный поток. Однако разница между панелями 6 и 12 заключается в разной их установки относительно турбины 2 - панель 6 обращена к входной стороне турбины 2 соплами 9, а панель 12 обращена к выходной стороне турбины 2 входными отверстиями 8 трубок Бернулли. Такая ориентация панелей 6 и 12 относительно турбины 2 обеспечивает непрерывное движение воздушного потока через турбину 2.

На фиг.3 показано взаимодействие трубок Бернулли 7 панелей 6 и 12. Из расчета, приведенного ниже, видно, что поскольку скорости воздушных потоков V1 и V3 на входе в трубки Бернулли 7 панелей 6 и 12 меньше скоростей V2 и V4 на выходе трубок Бернулли 7 этих панелей, трубки обеих панелей синхронно выполняют одинаковые задачи - разгоняют входящие в них слабые воздушные потоки до высоких скоростей.

В результате в предполагаемом ветрогенераторе осуществлена синхронизация подаваемых на турбину и отводимых от нее воздушных потоков, позволяющая обеспечить непрерывное прохождение через турбину воздушного потока и высокую эффективность ее работы в широком диапазоне воздушных потоков, включая слабые потоки.

В патенте РФ 2789330, являющимся прототипом данного изобретения, представлен расчет ускорения слабого воздушного потока (3 м/сек) до скорости 16 м/сек, с которой он подается на лопасти воздушной турбины. Так как панель для ускорения подаваемого на турбину 2 воздушного потока совершенно одинакова с панелью 12 для ускорения отведения от турбины 2 прошедшего через нее ослабленного воздушного потока, и так как скорости воздушных потоков, входящих в трубки Бернулли в панелях 6 и 12 одинаковы, то приведенный в прототипе расчет ускорения воздушных потоков трубками Бернулли в панели 6 полностью относится к ускорению воздушных потоков трубками Бернулли в панели 12.

Однако в патенте РФ 2789330 были представлены альтернативные расчеты скоростей воздушных потоков, подаваемых на лопасти воздушной турбины из трубок Бернулли диаметрами 10 мм и 15 мм.

Так как в результате расчета предпочтение было отдано трубкам Бернулли с диаметром 10 мм, целесообразно в данном изобретении представить расчет скорости отведения от турбины воздушных потоков трубками Бернулли диаметром 10 мм.

В этом расчете с помощью метода конечных элементов в программе Comsol Multiphysics решалось стационарное уравнение Навье-Стокса для ламинарного потока:

где

- коэффициент кинематической вязкости

- плотность

р - давление

- векторное поле скорости

- векторное поле массовых сил

Уравнение неразрывности:

На входе в трубу диаметром 50 мм задавалась скорость потока

(по шкале Бофора эта скорость соответствует 2 баллам и на суше характеризуется движением ветра, ощущаемого лицом, а также вызывает шелест листьев и приводит в движение флюгер).

У стенки

Параметры среды:

Плотность воздуха 1.22 кг/м³

Динамическая вязкость воздуха 1.85*10^-5 Па*с

Для выполнения расчета была создана геометрическая модель и задана расчетная сетка для диаметра трубки Бернулли 10 мм, приведенная на фиг.4. Результаты расчета приведены на фиг. 5a и 5b для диаметра трубки Бернулли 10мм. На графике фиг. 5a диаметр трубки Бернулли приведен по оси абсцисс, а продольный размер трубки Бернулли по оси ординат. Различными тонами показано значение скорости воздушного потока по длине трубки Бернулли, соответствие тона и значения скорости приведены на шкале справа от фиг. 5a. На фиг. 5b приведен график значений скорости воздушного потока по длине трубки Бернулли.

Результаты расчета, приведенные на фиг. 5a и 5b, показывают, что при переходе воздушного потока из трубы с диаметром 50 мм в трубу с диаметром 10 мм скорость воздушного потока достигнет 16,7 м/сек (что по шкале Бофора составляет 7 баллов и на суше характеризуется качанием стволов деревьев и вызывает затруднение при ходьбе против ветра).

Результаты расчета скорости воздушного потока после его выхода из трубки Бернулли диаметром 10 мм приведены на фиг. 6a и 6b. На графиках фиг. 6a диаметр трубки Бернулли приведен по оси абсцисс, а продольный размер трубки Бернулли по оси ординат. Различными тонами показано значение скорости воздушного потока по длине трубки Бернулли и за ее пределами на выходе из трубки Бернулли, соответствие тона и значения скорости приведены на шкале справа от фиг. 6a. На фиг. 6b приведен график значений скорости воздушного потока по длине трубки Бернулли и за ее пределами на выходе из трубки Бернулли.

Длины этих трубок составляют 50 мм. Их конец отмечен вертикальными пунктирными линиями.

Из графика видно, что для трубки Бернулли диаметром 10 мм, на расстоянии до 20 мм за пределами трубки скорость воздушного потока в продольном сечении не падает ниже 16 м/сек, т.е. также характеризуется 7 баллами по шкале Бофора.

Фиг. 7 демонстрирует скорость воздушного потока в поперечном сечении на выходе из трубки на различных расстояниях от ее края (0мм, 5мм, 10мм и 15мм). Горизонтальная ось трубки соответствует значению 40 мм. Результаты вычислений демонстрируют достаточную равномерность скоростей на сравнительно небольшом удалении от края трубки.

В соответствии с приведенным расчетом на фиг. 3 показаны скорости воздушных потоков V1 и V3, равные 3 м/сек, на входе в трубки Бернулли панелей 6 и 12 и скорости воздушных потоков V2 и V4, равные 16 м/сек, на выходе трубок Бернулли этих панелей.

Чтобы судить, насколько эффективен предложенный ветрогенератор, рассмотрим один из множества возможных вариантов его применения, например, для зарядки аккумуляторов электромобиля во время движения. Решение такой задачи под силу лишь предлагаемому ветрогенератору, так как никакой другой ветрогенератор не способен работать в замкнутом пространстве - его турбина тут же захлебнется из-за невозможности прохождения через нее ослабленного воздушного потока.

В предложенном ветрогенераторе, благодаря совместной синхронной работе панелей для подачи на турбину высокоскоростного воздушного потока и отведения с высокой скоростью прошедшего через нее ослабленного воздушного потока, обеспечивается непрерывное движение воздушного потока через турбину.

Также никакой другой ветрогенератор не способен при смешанной езде (город - не быстрая дорога) выработать электроэнергию, достаточную для зарядки аккумуляторов электромобиля, т.к. лишь предлагаемый ветрогенератор способен слабый ветер (3 м/сек) ускорить более чем в 5 раз (выше 16 м/сек) и подать его на лопасти воздушной турбины. При этом даже скромные размеры турбины, позволяющие разместить ее под капотом электромобиля, не препятствуют выработке необходимого количества электроэнергии.

Оценим мощность электроэнергии, которую может выработать турбина ветрогенератора, размещенного под капотом электромобиля:

где: k - коэффициент эффективности воздушной турбины, выражающий величину части воздействующего на турбину воздушного потока, который может быть преобразован в электрическую энергию.

k - выбирается из диапазона 0,2-0,5. Для данного расчета примем

k=0,25;

r=плотность воздуха, равная 1,225 кг/м³;

v - скорость воздушного потока, воздействующего на турбину;

В рассматриваемом случае v=16³ м /сек=4096 м /сек;

s - площадь воздушного потока, воздействующего на турбину.

В рассматриваемом случае она при диаметре турбины 0,5 м

равна

=3,14 ⋅ 0,25²=0,196 м².

В результате ветрогенератор турбинного типа с очень скромной площадью 0,196 м² воздействующего на турбину слабого воздушного потока (3 м/сек), но ускоренного до 16 м/сек, в состоянии вырабатывать 122,9 Вт электрической энергии.

Электромобилю в среднем достаточно 200 Вт энергии для проезда 1 км пути. Поэтому мощность энергии, вырабатываемой высокоэффективным ветрогенератором, составит примерно 61% от указанной величины. А это значит, что электромобиль среднего класса, оснащенный предлагаемым ветрогенератором, по важнейшему показателю - длине пробега без подзарядки аккумуляторов от внешнего источника энергии - будет соответствовать электромобилям более высокого класса, не прибегая для этого к увеличению емкости своих аккумуляторов.

Промышленная применимость

Предложенный высокоэффективный ветрогенератор турбинного типа позволяет обеспечить высокопроизводительную работу турбины без замедления скорости ее вращения или остановки во всем диапазоне воздушных потоков, включая слабые воздушные потоки, что позволит обеспечить его широкое применение в промышленности и быту.

Claims (5)

1. Ветрогенератор турбинного типа, содержащий установленную на валу с возможностью вращения воздушную турбину, расположенную выше по потоку перед входной стороной турбины панель для ускорения подаваемого на турбину входного потока и расположенную ниже по потоку за выходной стороной турбины панель для ускорения отведения прошедшего через турбину ослабленного выходного потока, причем панели включают в себя множество трубок Бернулли, имеющих большие диаметры входных отверстий и меньшие диаметры выходных сопел, панель для ускорения входного потока расположена с размещением выходных сопел трубок на стороне панели, выходящей к входной стороне турбины и с размещением входных отверстий трубок на противоположной стороне панели, а панель для ускорения отведения выходного потока расположена с размещением входных отверстий трубок на стороне панели, обращенной к выходной стороне турбины и с размещением выходных сопел трубок на противоположной стороне панели.

2. Ветрогенератор по п.1, в котором входные отверстия трубок Бернулли в панели для ускорения отведения выходного потока расположены напротив выходных сопел трубок Бернулли в панели для ускорения входного потока.

3. Ветрогенератор по любому из пп.1, 2, выполненный с возможностью установки на электромобиле с размещением панели для ускорения входного потока за радиаторной решеткой и с размещением панели для ускорения отведения выходного потока с возможностью охлаждения двигателя.

4. Ветрогенератор по любому из пп.1, 2, выполненный с возможностью установки на электромобиле с размещением панели для ускорения входного потока за радиаторной решеткой и с размещением панели для ускорения отведения выходного потока с возможностью охлаждения аккумуляторной батареи.

5. Панель для ветрогенератора по любому из пп.1-4, включающая в себя множество трубок Бернулли, имеющих большие диаметры входных отверстий и меньшие диаметры выходных сопел, и выполненная с возможностью ее расположения ниже по потоку за выходной стороной турбины с размещением входных отверстий трубок на стороне панели, обращенной к выходной стороне турбины, и с размещением выходных сопел трубок на противоположной стороне панели для ускорения отведения прошедшего через турбину ослабленного выходного потока.

Images