Ветросиловая энергоустановка башенного типа

 

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Технический результат, заключающийся в повышении мощности вырабатываемой электроэнергии, упрощении конструкции, понижении капитальных и эксплуатационных затрат, достигается за счет того, что ветросиловая энергоустановка, имеющая одну ветротурбину в трубе с конфузором на входе и диффузором на выходе, кинематически связанная вращающимся валом с электрогенератором, согласно изобретению выполнена в виде башни, а электрогенератор размещен вне ее, причем улавливание ветра с любой стороны производится с помощью неподвижных секций, размещенных в оголовке установки по периметру окружности вокруг ее вертикальной оси, каждая из которых имеет входной конфузор с вертикальной перегородкой вдоль его оси, вход конфузора имеет прямоугольное сечение, которое плавно переходит в овальное в месте соединения с вертикальным каналом, внутри которого установлен вогнутый отражатель, жестко связанный своей осью с вращающимся по направлению ветра хвостовым оперением и направляющий ветровой поток из входных конфузоров в сборный конфузор, закрывая противолежащие выходные овальные отверстия рабочего канала, на поверхности входных конфузоров предусмотрены автоматические клапаны аварийного сброса лишнего воздуха при сильных порывах ветра, по оси сборного конфузора проходит конический рассекатель ветрового потока, на поверхности которого жестко закреплены направляющие пластины, придающие ветровому потоку вращение вокруг оси под строго определенным углом, используется саморегулирующаяся ветротурбина, автоматически стабилизирующая свою скорость вращения при изменении скорости ветра. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области энергетики, а именно к устройствам для получения электроэнергии нетрадиционным способом. Для получения электроэнергии в данном случае используется сила ветра.

Известен ближайший аналог (прототип) заявленного изобретения как наиболее близкий ему по совокупности существенных признаков - ветровая энергоустановка, которая имеет ряд воздуховодов с полноповоротными воздухозаборными устройствами, на концах сходящихся в общий конфузор и далее в рабочий канал, в котором установлена турбина в блоке с электрогенератором. Выход рабочего канала переходит в ряд воздуховодов, имеющих выходные полноповоротные воздухосбросные устройства. В зависимости от силы и направления ветра с помощью автоматики и микропроцессора обеспечивается синхронное управление поворота воздухозаборных и воздухосбросных устройств (см. RU, 1783144 A1, 23.12.1992, F 03 D 3/04).

Недостатки этой ветровой энергоустановки: - громоздкость и сложность конструкции, высокая стоимость строительства, - в силу разветвленности и большой длины - большие потери энергии ветрового потока на аэродинамическое сопротивление при большой скорости, - конструктивная и эксплуатационная сложность синхронного управления воздухозаборными и воздухосбросными устройствам, - использует электроэнергию для систем управления.

Положительными качествами являются: - принцип использования конфузора для получения высокоскоростного и энергоемкого ветрового потока, - возможность повысить КПД установки за счет использования турбины и выходного диффузора.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка принципа и конструкции ветросиловой энергоустановки, обладающей следующими качествами: - эффективное использование энергии рассеянного малоскоростного ветрового потока, - простота конструкции, - большая мощность вырабатываемой электроэнергии,
- возможность работать на слабом и среднем ветре со скоростью до 10 м/с,
- надежность и долговечность узлов и оборудования,
- невысокие капитальные и эксплуатационные затраты,
- низкая себестоимость вырабатываемой электроэнергии,
- высокая степень автоматизации и защита от аварий,
- отсутствие электрических средств управления и регулирования,
- способ улавливания ветра не должен быть связан с вращением установки.

Техническим результатом данного изобретения является ветросиловая энергоустановка башенного типа, обладающая следующими качествами:
- улавливание ветра происходит без вращения установки,
- высокий КПД использования энергии ветрового потока,
- диапазон мощности вырабатываемой электроэнергии от нескольких тысяч кВт до десятков тысяч кВт при рабочей скорости ветра 5-10 м/с,
- конструкция не имеет сложных, а значит, и ненадежных узлов и устройств,
- имеет низкую себестоимость вырабатываемой электроэнергии,
- работает в автоматическом режиме,
- в зависимости от назначения и места использования может быть выполнена:
а) в стационарном варианте,
б) в мобильном варианте, - на передвижной платформе, транспортируемой любым способом в место назначения;
- в зависимости от единичной мощности установка может быть выполнена:
а) однотурбинной
б) многотурбинной
Указанная задача достигается тем, что в предлагаемой ветросиловой энергоустановке башенного типа используется:
- преобразование рассеянного малоскоростного ветрового потока в компактный высокоскоростной и энергоемкий с помощью входных конфузоров,
- для улавливания ветра с любой стороны в оголовке установки, по периметру окружности вокруг ее вертикальной оси, размещаются неподвижные секции, каждая из которых имеет входной конфузор с вертикальной перегородкой вдоль его оси, причем прямоугольный вход конфузора плавно переходит в овальное сечение на входе в вертикальный рабочий канал. Ветровой поток, улавливаемый стенками и перегородками входных конфузоров поступает в вертикальный рабочий канал и с помощью находящегося там вогнутого отражателя направляется в сборный конфузор. Ось отражателя жестко соединена с хвостовым оперением, вращающимся по ветру, и поэтому, в зависимости от направления ветра, отражатель открывает входные овальные отверстия рабочего канала и закрывает противолежащие выходные овальные отверстия,
- по центральной оси сборного конфузора проходит конический рассекатель ветрового потока, который плавно уменьшает площадь его поперечного сечения и закрывает торец ветротурбины от лобового динамического напора высокоскоростного ветрового потока, снижая его аэродинамическое сопротивление,
- на поверхности рассекателя жестко закреплены направляющие пластины, придающие ветровому потоку вращение вокруг оси под определенным углом, что повышает КПД,
- для стабилизации скорости вращения используется саморегулирующая ветротурбина, имеющая устройство для авторегулирования скорости вращения при изменении скорости ветра,
- применение саморегулирующейся ветротурбины и выходного диффузора повышает КПД использования энергии ветрового потока,
- башенная конструкция установки придает ей устойчивость и прочность при большой динамической ветровой нагрузке, а применение установленных на входных конфузорах автоматических клапанов аварийного сброса воздуха позволяет уменьшить эту нагрузку при сильных порывах ветра и улучшает работу авторегулирования ветротурбины,
- при большой единичной мощности установки целесообразно использование конструкции с несколькими ветротурбинами и электрогенераторами для резерва при аварийных ситуациях и ремонтных работах, а также для выбора оптимального режима работы электрогенераторов при изменении мощности нагрузки.

Получение технического результата возможно только за счет:
- использования в качестве источника энергии - высокоскоростного и энергоемкого ветрового потока, имеющего вращение вокруг оси под строго определенным углом,
- кругового размещения входных конфузоров в головке установки,
- малых потерь на аэродинамическое сопротивление,
- использование саморегулирующейся ветротурбины.

На фиг. 1, 2, 3 представлено устройство ветросиловой энергоустановки башенного типа. Оно содержит:
1. Входной конфузор.

2. Перегородка входного конфузора.

3. Клапан аварийного сброса воздуха.

4. Рабочий канал.

5. Отражатель.

6. Ось отражателя.

7. Хвостовое оперение.

8. Сборный конфузор.

9. Рассекатель с направляющими пластинами.

10. Ветротурбина.

11. Выходной вал ветротурбины.

12. Диффузор.

13. Электрогенератор.

14. Коническая зубчатая пара.

15. Подшипник качения.

16. Опоры.

17. Машинный зал.

Установка работает следующим образом.

Наружный ветер входит в конфузор 1. Если ветер сильный, то открывается клапан аварийного сброса воздуха 3 и часть воздуха уходит, оставшаяся часть стенками конфузора 1 и перегородкой 2 направляется в рабочий канал 4, где с помощью отражателя 5 поступает в сборный конфузор 8, проходит рассекатель 9, уплотняется и за счет уменьшения поперечного сечения и направляющих пластин преобразуется в высокоскоростной вращающийся ветровой поток, который попадает на рабочие лопатки саморегулирующейся ветротурбины 10. Отражатель 5 с помощью своей оси 6 соединен жестко с хвостовым оперением и вращается по направлению ветра. Поэтому ветровой поток, входящий от входного конфузора 1, не попадает в противолежащие выходные отверстия рабочего канала, которые закрыты отражателем 5, и проходит полностью в сборный конфузор 8. На выходе ветротурбины динамический напор ветрового потока падает за счет диффузора 12, который рассеивает поток воздуха, а также закрывает авторегулирующее устройство ветротурбины. Оголовок установки крепится на опорах 16 на требуемой в данной местности высоте. Выходной вал ветротурбины 11 с помощью конической зубчатой пары меняет направление с вертикального на горизонтальное и входит в электрогенератор 13, который установлен в машинном зале 17. Неподвижные опоры 16 могут устанавливаться как на земле - на фундаменте - в стационарном варианте, так и на передвижной платформе в мобильном варианте. Размеры конфузоров ветротурбины и тип электрогенератора подбираются с помощью расчета под требуемую выходную мощность. В зависимости от единичной мощности установка может быть однотурбинной или многотурбинной.

Формула изобретения

1. Ветросиловая энергоустановка, имеющая одну ветротурбину в трубе с конфузором на входе и диффузором на выходе, кинематически связанная вращающимся валом с электрогенератором, отличающаяся тем, что установка выполнена в виде башни, а электрогенератор размещен вне ее, причем улавливание ветра с любой стороны производится с помощью неподвижных секций, размещенных в оголовке установки по периметру окружности вокруг ее вертикальной оси, каждая из которых имеет входной конфузор с вертикальной перегородкой вдоль его оси, вход конфузора имеет прямоугольное сечение, которое плавно переходит в овальное в месте соединения с вертикальным каналом, внутри которого установлен вогнутый отражатель, жестко связанный своей осью с вращающимся по направлению ветра хвостовым оперением и направляющий ветровой поток из входных конфузоров в сборный конфузор, закрывая противолежащие выходные овальные отверстия рабочего канала, на поверхности входных конфузоров предусмотрены автоматические клапаны аварийного сброса лишнего воздуха при сильных порывах ветра, по оси сборного конфузора проходит конический рассекатель ветрового потока, на поверхности которого жестко закреплены направляющие пластины, придающие ветровому потоку вращение вокруг оси под строго определенным углом, используется саморегулирующаяся ветротурбина, автоматически стабилизирующая свою скорость вращения при изменении скорости ветра.

2. Ветросиловая энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что от вертикального рабочего канала отходят несколько сборных конфузоров с саморегулирующимися ветротурбинами, каждая из которых кинематически связана вращающимся валом с отдельно стоящим электрогенератором.

3. Ветросиловая энергоустановка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что выполнена в мобильном варианте, на передвижной платформе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3