RU2805400C1 - Напорно-вакуумная ветроэнергетическая установка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к возобновляемой электроэнергетике, в частности к ветроэнергетическим установкам. Ветроэнергетическая установка включает воздухозаборник, турбину с генератором и вытяжное устройство. Воздухозаборник, обеспечивающий избыточное давление перед входом в турбину, выполнен в виде башни, имеющей обтекаемую форму в горизонтальном сечении, с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси, расположенной на передней его части. Вытяжное устройство, обеспечивающее пониженное давление на выходе из турбины, выполнено в виде башни, имеющей обтекаемую форму в горизонтальном сечении, с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси, расположенной на задней его части. Воздухозаборник и вытяжное устройство соединены воздуховодом, причем турбина расположена вблизи воздухозаборника по направлению потока воздуха. Техническим результатом является повышение КПД установки, расширение рабочего диапазона скоростей движения воздушных масс, используемых при электрогенерации, повышение стабильности электрогенерации при порывистом ветре. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Предложенное изобретение относится к возобновляемой электроэнергетике, в частности к электрогенерирующим устройствам, направляющим и преобразующим энергию ветра, и может быть использовано как в качестве автономных источников электропитания для бытовых и промышленных нужд, так и в составе ветроэлектростанций большой мощности.

Одним из направлений развития ветроэнергетики является создание устройств для захвата, преобразования и использования движущихся воздушных масс, у которых лопасти генерирующей турбины расположены внутри корпуса установки. К преимуществам таких устройств относятся экологическая безопасность, пониженный уровень шума, улучшение работы электроустановок при слабом и порывистом ветре.

Из уровня техники известны различные конструкции ветроэнергетических установок, принцип работы которых основан на использовании вихревого эффекта (US 8517662 US 9371818, RU 2093702). "Вихревой эффект", или эффект Ранка, проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости или газа и реализуется в устройстве, называемом вихревой трубой. Приосевые слои закрученного потока охлаждаются, а периферийные нагреваются. Набегающий поток воздуха даже при небольшой силе ветра преобразуется с помощью профилированных входных каналов, образованных спиралеобразными направляющими перегородками, закручивается и ускоряется. Таким образом, кинетическая энергия воздушного потока преобразуется сначала в энергию вихря, которая, в свою очередь, преобразуется посредством турбины в электрическую энергию. Так, например, в патенте RU 2093702 описана вихревая ветроустановка, осуществляющая преобразование энергии воздушного потока. Она содержит корпус, вытяжное устройство, направляющие аппараты, каждый из которых выполнен в виде, по крайней мере, двух коаксиально установленных в корпусе полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения с разделяющими вертикальными перегородками, изогнутыми по оси спирали, и ветроколеса, выполненного в форме тела вращения с жесткими профилированными лопастями и установленного над вытяжными цилиндрическими каналами, образованными внутренними торцами вертикальных профилированных перегородок каждого направляющего аппарата. Радиусы вытяжных цилиндрических каналов каждой пары соседних направляющих аппаратов выбираются в

соответствии с установленной зависимостью, при использовании которой снижаются потери энергии воздушного потока внутри ветроустановки. Ветроустановка может содержать автоматическую систему управления, с помощью которой производится регулирование размеров проходных сечений каналов направляющих аппаратов, а соответственно, и числа оборотов ротора электрогенератора. К недостаткам этого и подобных устройств относятся: невысокая эффективность установки, за счет малого сечения захвата набегающих воздушных масс, значительных внутренних потери энергии на трение и разогрев воздуха при формировании вихря. Кроме того, подобные изделия являются достаточно сложными при изготовлении и возможном масштабировании, для использования в ветроэлектростанциях большой мощности, поскольку имеют крупногабаритные детали сложной формы.

Известны также устройства, которые используют как вспомогательные системы в качестве дополнительных энергетических установок для бытовых и промышленных целей (US 10443570, US 9294013, US 9169827). Они обычно содержат ветротурбину, заключенную в корпус, с ветроуловителем на входе в форме колокола и выходным отверстием. Воздух, поступающий в корпус через ветроуловитель, разделяется на несколько камер, и поворотные пластины направляют его непосредственно к лопастям турбины, устраняя воздушную турбулентность. Лопасти турбины расположены под выгодными углами атаки. К вертикальному валу прикреплен горизонтальный ротор, который используется для выработки электрической энергии. Форма корпуса и расположение выходного отверстия помогают создать на выходе область разряженного давления, что способствует снижению трения воздуха в системе.

В патенте RU 2276743 предложена ветроустановка, которая содержит неподвижный несущий корпус, являющийся основным направляющим аппаратом, выполненным в виде пространственной лопастной решетки с центральным выходным каналом. В корпусе соосно с центральной осью на вертикальном валу размещено рабочее колесо. Сам корпус установлен с возможностью свободного поворота относительно вертикальной оси, а стабилизаторы позволяют ориентировать его вдоль воздушного потока. Пространственная лопастная решетка сформирована из двух поверхностей вращения и построенными в виде кругового массива пространственных лопастей между ними, которые формируют рабочие каналы. Воздухозаборник полностью охватывает рабочие каналы тыльной зоны направляющего аппарата и соединен воедино с выходным соплом с возможностью свободного вращения относительно центральной оси. Управление воздушным потоком, отдающим энергию турбине, осуществляют путем создания зоны повышенного давления на воздухозаборнике и зоны пониженного давления на выходном канале за счет обтекания поверхности корпуса воздушным потоком. Это устройство можно выбрать в качестве ближайшего аналога. К недостатком такой ветроустановки можно отнести: ограниченную энергоэффективность, что связано как с внутренними потерями на воздушных каналах сложной формы, так и незначительным понижением давления на выходном канале, что может приводить к созданию «воздушных пробок», особенно при порывистом ветре. Выполнение устройств, обеспечивающих повышенное давление и вытяжного устройства в одном корпусе, не позволяет каждое из них оптимально ориентировать в воздушном потоке, что также ограничивает эффективность «отбора» энергии ветра. К тому же такой корпус создает большую парусность и нагрузки на конструкцию, особенно при масштабировании устройства, то есть увеличение его габаритных размеров для использования на ветроэлектростанциях большой мощности.

Техническим результатом от использования заявляемого устройства будет:

- повышение КПД установки, за счет увеличения «отбора» энергии переносимых воздушных масс и уменьшения внутренних потерь в устройстве;

- расширение рабочего диапазона скоростей движения воздушных масс, используемых при электрогенерации, как за счет возможности использовать «слабый» ветер, так и за счет устойчивости конструкции к сильным ветрам;

- повышение стабильности электрогенерации при порывистом ветре за счет сглаживания пульсаций давления в воздуховоде;

- упрощение конструкции и расширение линейки устройств для электрогенерации.

Заявленный технический результат достигается тем, что предложенная
ветроэнергетическая установка включает:

- турбину с генератором;

- воздухозаборник, обеспечивающий избыточное давление перед входом в турбину, который выполнен в виде башни, имеющей обтекаемую форму в горизонтальном сечении, с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси, расположенной на передней его части;

- вытяжное устройство, обеспечивающее пониженное давление на выходе из турбины, которое выполнено в виде башни, имеющей обтекаемую форму в горизонтальном сечении, с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси, расположенной на задней его части;

- при этом воздухозаборник и вытяжное устройство соединены воздуховодом, причем турбина расположена вблизи воздухозаборника по направлению потока воздуха.

Такая тандемная ветроэнергетическая установка (ТВЭУ) имеет самый широкий спектр применения, и может быть использована: в качестве самостоятельных электрогенерирующих станций для обеспечения электроэнергией населенных пунктов; энергообеспечения отдельных промышленных предприятий; для энергообеспечения жилых зданий; освещения автотрасс и снабжения электроэнергией придорожной инфраструктуры; энергообеспечения вышек сотовой связи; в качестве миниэлектрогенерирующих установок для монтажа на крышах многоэтажных зданий в целях освещения подъездов, придворовых территорий, отопления пешеходных тротуаров; обогрева дорожных покрытий в северных районах и т.д. ТВЭУ могут устанавливаться в прибрежных зонах морей, на холмах, горных возвышенностях, в долинах рек, ущельях и т.д., преимущественно там, где есть постоянные воздушные потоки.

Преимуществом заявляемого устройства является тандемное (совместное) использование башни воздухозаборника и башни вытяжного устройства, соединенные воздуховодом и создающими оптимальный перепад давления на турбине, обеспечивающей электрогенерацию. Сама турбина обычно располагается в утолщении корпуса воздуховода (в турбинном блоке), вблизи башни воздухозаборника.

Для повышения эффективности работы установки предпочтительно, чтобы размеры воздушных каналов удовлетворяли следующим соотношениям:

- максимальная площадь поперечного сечения башни воздухозаборника должна не превышать площадь поперечного сечения воздуховода, подходящего к турбине;

- максимальная площадь поперечного сечения башни вытяжного устройства должна быть не меньше поперечного сечения воздуховода, отходящего от турбины;

- площадь поперечного сечения кольцевого канала турбинного блока, в котором располагаются лопатки турбины, должны быть равны площади поперечного сечения воздуховода, подходящего к электротурбине.

Для устранения «ветровых затенений» на башне пониженного давления предпочтительно, чтобы расстояние между двумя башнями воздухозаборника и вытяжного устройства удовлетворяло следующему соотношению:

С = 2*(А+В), где С - расстояние между осями вращения башни воздухозаборника и башни вытяжного устройства, А – максимальные поперечные размеры башни воздухозаборника, В – максимальные поперечные размеры башни вытяжного устройства.

Обычно внутреннее пространство воздухозаборника и вытяжного устройства

разделены направляющими перегородками (пластинами) на секции, высота каждой из которых относится к ширине в пределах от 1 : 2,3 до 1 : 3,3. При этом длина перегородок внутри воздухозаборника уменьшается сверху вниз по высоте башни, а их кривизна при этом возрастает. Такое расположение позволяет уменьшить вероятность обратного перетока воздуха наружу в случае неравномерности скоростей набегающего воздушного потока по высоте башни, и уменьшить трение воздуха внутри башни за счет устранения турбулентности. Длина перегородок внутри башни вытяжного устройства увеличивается сверху вниз для достижения аналогичных целей.

Сущность изобретения поясняется следующими рисунками:

на Фиг. 1 изображен общий вид заявляемой тандемной ветроэлектростанции;

на Фиг. 2 представлена схема и принцип действия заявляемого устройства;

на Фиг. 3 (а) представлен вид сверху на башню воздухозаборника в набегающем воздушном потоке;

на Фиг. 3 (б) представлен вид сверху на башню вытяжного устройства в набегающем воздушном потоке;

на Фиг. 4 (а, б) изображена отдельная секция воздухозаборника с аварийными створками в разных проекциях.

На Фиг. 1 представлен общий вид заявляемой ветроэнергетической установки. Башня 1 воздухозаборника, обеспечивает избыточное давление перед входом в систему. Она выполнена с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси 2, расположенной на передней ее части. Такое положение оси 2 позволяет башни 1 автоматически ориентироваться оптимальным образом в набегающем потоке. В горизонтальном сечении башня 1 ветроуловителя имеет обтекаемую форму, чтобы минимизировать область «ветровой тени» и убрать излишние нагрузки на конструкцию от набегающего воздушного потока. Башня 3 вытяжного устройства выполнена с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси 4, расположенной на задней его части. Ориентация ее в воздушном потоке также происходит автоматически. Сама башня 3 вытяжного устройства имеет обтекаемый профиль, сформированный таким образом, чтобы минимизировать нагрузки на конструкцию от набегающего воздушного потока и создать оптимальное разряжение на выходе системы. Турбинный блок 5 располагается вблизи башни повышенного давления. Обе башни 1 и 3 соединены воздуховодом 6. На Фиг. 2 представлена схема и принцип действия заявляемого устройства. Часть набегающего воздушного потока 7 захватывается воздухозаборником 8 (открытая часть башни 1 воздухозаборника) и направляется на вход турбины 9. Внутреннее пространство воздухозаборника разделено направляющими перегородками 10 на секции 11, размеры которых обычно удовлетворяют следующим соотношениям: высота каждой из них относится к ширине в пределах от 1 : 2,3 до 1 : 3,3. Такие размеры секций позволяют оптимальным образом управлять воздушными потоками в воздухозаборнике, избегая обратного оттока воздуха и вихревых явлений, создающих «воздушные пробки».

Размеры перегородок 10 внутри воздухозаборника уменьшается сверху вниз по высоте башни, а их кривизна при этом возрастает. Такое расположение позволяет уменьшить вероятность обратного перетока воздуха наружу в случае неравномерности скоростей набегающего воздушного потока по высоте башни, и уменьшить трение воздуха внутри башни за счет устранения турбулентности.

Дополнительно башня 1 воздухозаборника обычно содержит балансировочное устройство 12, обеспечивающее ее стабилизацию и устойчивость в набегающем воздушном потоке (Фиг. 3 (а)).

Башня 3 вытяжного устройства конструктивно имеет устройство аналогичное башни воздухозаборника. Только в набегающем воздушном потоке она ориентируется обтекаемой стороной навстречу потоку Фиг. 3 (б). Такая ориентация происходит автоматически за счет поворота башни 3 относительно вертикальной оси 4. При огибание воздушными массами башни 3 через ее открытую часть 13 происходит динамическая откачка воздуха (закон Бернулли), что создает разряжение внутри башни. Для оптимального управления воздушными потоками пространство внутри башни 3 вытяжного устройства (Фиг.2) также разделено на секции 14 посредством перегородок 15. Размер перегородок 15 увеличивается, их кривизна уменьшается в направлении сверху вниз по высоте башни. Дополнительно башня 3 вытяжного устройства может содержать балансировочное устройство 16, обеспечивающее ее вертикальную стабилизацию и устойчивость в проходящем воздушном потоке.

Через воздуховод 6 область пониженного давления формируется на выходе турбины 9. Таким образом, перепад давлений на турбине будет определяться как областью повышенного давления на входе турбины за счет нагнетания воздуха, так и областью пониженного давления на выходе турбины, за счет динамической откачки воздуха. В заявляемом устройстве может быть использована турбина любой конструкции, имеющая подходящие масс-габаритные характеристики и параметры, отвечающие поставленной при проектировании задаче (например, одно или многоступенчатые

газовые турбины с направляющими устройствами каждой ступени, обеспечивающими максимальный крутящий момент вала и, соответственно, генератора). Для стабилизации и разгона потока воздуха, направляемого на лопатки турбины, в турбинном блоке 5 обычно перед турбиной устанавливается входной конус 17, а за ней выходной конус 18. Их размеры и форма выбираются таким образом, чтобы уменьшить сопротивление воздуха, возникающее за счет турбулентности. При этом предпочтительно, чтобы площадь поперечного сечения кольцевого канала, образованного упомянутыми конусами 17, 18 и внутренней поверхностью стенки турбинного блока была равна площади поперечного сечения воздуховода, подходящего к турбине 9.

Заявляемое изобретение предусматривает также дополнительную конструкцию секций 10 воздухозаборника башни 1 воздухозаборника для стравливания избыточного давления, что особенно актуально для больших скоростей ветра 20 м/с и более (Фиг. 4 (а) и (б)). В этом случае в корпусе башни воздухозаборника выполнены прорези (окна) 19, закрываемые поворотными створками 20 с тарированными торсионными шарнирами. При увеличении давления внутри башни выше критической величины створки приоткрываются и стравливают избыточный воздух. Такими створками могут быть оборудованы все секции воздухозаборника или периодически повторяющаяся часть по всей высоте башни 1.

Параметры работы заявляемой ветроэнергетической установки были отработаны с помощью 3D моделирования конструкции, проверены расчеты прохождения воздушных потоков посредством математического моделирования на программном обеспечении «Solid Works». Расчеты воздуховодов производились с помощью приложения «Vent-Cals», по общеизвестным методикам (например, Да Роза, Альдо Возобновляемые источники энергии /А. да Роза; [пер. с англ. под ред. С.П.Малышенко и О.С.Попеля]. – М.: Интеллект, 2010. – 703 с.; Безруких, П.П. Ветроэнергетика: справ. пособие / П.П. Безруких. – М.: ИД Энергия, 2010. – 320 с.) расчета воздуховодов, в том числе и больших ТВЭУ для ветроэлектростанций большой мощности.

Эксперименты показали следующие параметры установки:

- КПД составит 64 ÷ 67 %; расчеты показывают, что КПД может быть увеличен до 74 ÷ 78 % при оптимальной скорости ветра, обеспечивающим условие, при котором отрицательное давление после турбины по абсолютной величине будет превышать избыточное давление по абсолютной величине на входе в турбину.

- минимальная скорость воздушного потока на входе в воздухозаборник и вытяжное устройство, обеспечивающая вращение турбины, составляет 2,5 м/с. При этом скорость в кольцевом канале турбинного блока составит не менее 5 м/с;

- при критических скоростях воздушных потоков на входе в воздухозаборник, свыше 25 м/сек, створки секций воздухозаборника приоткрываются и излишний поток воздуха пропускается через сквозные вырезы (окна). Причем каждая секция, в зависимости от скорости ветрового потока у нее на входе, пропускает оптимальное количество воздуха, обеспечивая максимальный перепад давлений на входе и выходе турбины. Заявляемая установка может работать при скорости ветра до 70 м/сек, при этом ветровая нагрузка на ее конструкцию не будет критической. В случае необходимости, установка может быть оснащена устройством синхронизации углов поворота башен.

Claims (6)

1. Ветроэнергетическая установка, включающая воздухозаборник, турбину с генератором, вытяжное устройство, отличающаяся тем, что воздухозаборник, обеспечивающий избыточное давление перед входом в турбину, выполнен в виде башни, имеющей обтекаемую форму в горизонтальном сечении, с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси, расположенной на передней его части, вытяжное устройство, обеспечивающее пониженное давление на выходе из турбины, выполнено в виде башни, имеющей обтекаемую форму в горизонтальном сечении, с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси, расположенной на задней его части, при этом воздухозаборник и вытяжное устройство соединены воздуховодом, причем турбина расположена вблизи воздухозаборника по направлению потока воздуха.

2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что максимальная площадь поперечного сечения башни воздухозаборника не превышает площадь поперечного сечения воздуховода, подходящего к турбине.

3. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что максимальная площадь поперечного сечения башни вытяжного устройства не меньше поперечного сечения воздуховода, отходящего от турбины.

4. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что лопатки турбины расположены в кольцевом канале, площадь поперечного сечения которого равна площади поперечного сечения воздуховода, подходящего к турбине.

5. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что ее размеры удовлетворяют соотношению: С=2*(А+В), где С – расстояние между осями вращения башни воздухозаборника и башни вытяжного устройства, А – максимальные поперечные размеры башни воздухозаборника, В – максимальные поперечные размеры башни вытяжного устройства.

6. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что воздухозаборник и вытяжное устройство внутри разделены направляющими перегородками на секции, высота каждой из которых относится к ширине в пределах от 1:2,3 до 1:3,3.