Ветроэнергетическая установка

 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам, преобразующим энергию ветра в электрическую и прочие виды энергии. Технический результат, заключающийся в повышении эффективности, мощности и кпд установки, обеспечивается за счет того, что в ветроэнергетической установке, выполненной в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего, по крайней мере, одну, имеющую входной и выходной каналы, турбину с сопловым аппаратом, механически связанный с турбиной генератор, кольцевую наружную оболочку с выходным диффузором, дополнительную кольцевую оболочку, образующую с внутренней поверхностью наружной оболочки первый ускорительный канал, сообщенный с диффузором, согласно изобретению энергоузел снабжен центральным телом, образующим с внутренней поверхностью дополнительной оболочки второй ускорительный канал, сообщенный с промежуточной частью первого ускорительного канала, в центральном теле выполнен непосредственно сообщенный с диффузором прямоточный канал, включающий входной канал турбины и проточную часть соплового аппарата, а во входном канале турбины и/или первом и/или втором ускорительных каналах установлены направляющие ребра, образующие аппарат для закрутки потока. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергетике и представляет собой ветроэнергетическую установку, т.е. установку для преобразования энергии ветра в электрическую или иную энергию для использования в промышленности, сельском хозяйстве и т.п.

Издавна известны ветроэнергетические установки, использующие кинетическую энергию воздушных потоков путем прямого силового воздействия ветра и лопастей ветроколеса или турбины (Ветроэнергетика. /Под редакцией Д. де Рензо. М.: Энергоатомиздат, 1982, стр.81-96).

Известна также более эффективная ветроэнергетическая установка, наиболее близкая данному изобретению по совокупности существенных признаков и технической сущности (патент России 2124142, 1998), которая принята в качестве прототипа. Эта ветроэнергетическая установка выполнена в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего, по крайней мере, одну турбину с сопловым аппаратом, механически связанную с генератором, центральную оболочку, кольцевую переднюю оболочку с, по крайней мере, одним входным каналом турбины, образующую с центральной оболочкой выходной канал турбины, а также кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой диффузорный выходной канал, причем энергоагрегат снабжен дополнительной кольцевой оболочкой, образующей с внешними поверхностями передней и центральной оболочек сужающе-расширяющийся первый промежуточный канал, сообщенный в промежуточной части с выходным каналом турбины, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом с диффузорным выходным каналом.

Вышеописанная ветроэнергетическая установка имеет существенные преимущества перед известными аналогами, так как в ней значительно эффективнее преобразуется энергия ветрового потока в полезную электрическую энергию. Однако, как будет показано ниже, энергия ветра более полно может быть использована благодаря данному изобретению, в соответствии с которым ветроэнергетическая установка выполнена в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего, по крайней мере, одну, имеющую входной и выходной каналы, турбину с сопловым аппаратом, механически связанный с турбиной генератор, кольцевую наружную оболочку с выходным диффузором, дополнительную кольцевую оболочку, образующую с внутренней поверхностью наружной оболочки первый ускорительный канал, сообщеный с диффузором, причем энергоузел снабжен центральным телом, образующим с внутренней поверхностью дополнительной оболочки второй ускорительный канал, сообщенный с промежуточной частью первого ускорительного канала, в центральном теле выполнен непосредственно сообщенный с диффузором прямоточный канал, включающий входной канал турбины и проточную часть соплового аппарата, а во входном канале турбины и/или первом и/или втором ускорительных каналах установлены направляющие ребра, образующие аппарат для закрутки потока; в стенках центрального тела выполнены тангенциальные проходы, связывающие прямоточный и второй ускорительный каналы; проходы выполнены регулируемыми, установка снабжена пневматической системой запуска энергоагрегата; оболочки и центральное тело соединены между собой пилонами, образующими направляющие аппараты в проточной части межоболочных каналов, в полостях пилонов размещены коммуникации генератора и системы запуска; генератор снабжен циркуляционной системой охлаждения, радиаторы которой установлены в пустотах, по крайней мере, одной из оболочек; по крайней мере, в одной из оболочек выполнены дополнительные воздухозаборные каналы; на валу турбогенератора установлен маховик; в прямоточном канале установлена капсула, в которой размещены агрегаты системы запуска, генератор и маховик; турбина может быть расположена в прямоточном канале или на его выходе, установка может иметь устройство для впрыска воды на вход турбины.

На фиг.1 показан продольный разрез энергоузла установки, на фиг.2 показан продольный разрез другого варианта энергоузла.

Ветроэнергетическая установка выполнена в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего, по крайней мере, одну, имеющую входной 1 и выходной 2 каналы, турбину 3 с сопловым аппаратом 4, механически связанный с турбиной 4 генератор 5, кольцевую наружную оболочку 6 с выходным диффузором 7, дополнительную кольцевую оболочку 8, образующую с внутренней поверхностью наружной оболочки первый ускорительный канал 9, сообщеный с диффузором 7, причем энергоузел снабжен центральным телом 10, образующим с внутренней поверхностью дополнительной оболочки 8 второй ускорительный канал 11, сообщенный с промежуточной частью первого ускорительного канала 9, в центральном теле 10 выполнен непосредственно сообщенный с диффузором 7 прямоточный канал 12, включающий входной канал 1 турбины 3 и проточную часть соплового аппарата 4, а во входном канале 1 турбины 3 и/или первом 9 и/или втором 11 ускорительных каналах установлены направляющие ребра 13, образующие аппарат для закрутки потока. В стенках центрального тела 10 выполнены тангенциальные проходы 14, связывающие прямоточный 12 и второй 11 ускорительный каналы, причем проходы выполнены регулируемыми. Установка снабжена пневматической системой запуска энергоагрегата. Оболочки 6, 8 и центральное тело 10 соединены между собой пилонами 15, образующими направляющие аппараты, причем в полостях пилонов размещены коммуникации генератора и системы запуска. Генератор 5 снабжен циркуляционной системой охлаждения, радиаторы которой установлены в пустотах, по крайней мере, одной из оболочек 6, 8. По крайней мере, в одной из оболочек выполнены дополнительные воздухозаборные каналы 16. На валу турбогенератора установлен маховик 17. В прямоточном канале 12 установлена капсула 18, в которой размещены агрегаты системы запуска, генератор и маховик. Турбина 3 может быть расположена на выходе прямоточного канала 12 или в самом канале 12.

Оболочки 6, 8 и центральное тело 10 могут быть выполнены с жестким каркасом, на элементах которого закрепляются узлы энергоагрегата и его опора.

Установка может быть снабжена устройством для впрыска воды на вход турбины (не показано).

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Набегающий ветровой поток поступает в ускорительные каналы 9, 11, в которых направляющие ребра 13 образуют вихревые течения. Подобный вихревой поток образуется и в прямоточном канале 12. Этот поток ускоряется за счет разности давлений на входе и выходе канала 12. В месте сужения прямоточного канала расположена турбина 3, механически связанная с генератором 5. Для стабилизации вихревого потока и увеличения его плотности оболочки снабжены дополнительными воздухозаборниками 16. Преобразование свободного потока, поступающего в ускорительные каналы 9, 11 и во входной канал 1, в вихревой поток увеличивает скорость и плотность потока. Это подтверждается природными аналогами: слив воды через цилиндрическую горловину с образованием винтовой параболической воронки; смерч - винтовой вихрь между атмосферными зонами с разным давлением и т.п. Проведенный расчетный анализ показывает, что энергия вихревого потока значительно выше энергии ламинарного потока. Под действием двух потоков энергии со стороны ускорительного канала и со стороны разрежения в центральной части прямоточного канала интенсивность воздействия воздушного потока на лопатки турбины достигает максимального значения, т.е. плотность, скорость и соответственно кинетическая энергия вихревого потока резко возрастают. Этот процесс связан с уменьшением энтальпии потока.

Пусковая система установки включает источник сжатого воздуха, например турбокомпрессор и пневмомотор, связанный механически с турбогенератором. Эта система может быть использована также для аккумулирования энергии. Для увеличения плотности рабочего тела используется впрыск воды на входе в турбину. Этим способом можно на отдельных режимах существенно увеличить мощность и кпд турбины.

Формула изобретения

1. Ветроэнергетическая установка в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего, по крайней мере, одну, имеющую входной и выходной каналы, турбину с сопловым аппаратом, механически связанный с турбиной генератор, кольцевую наружную оболочку с выходным диффузором, дополнительную кольцевую оболочку, образующую с внутренней поверхностью наружной оболочки первый ускорительный канал, сообщенный с диффузором, отличающаяся тем, что энергоузел снабжен центральным телом, образующим с внутренней поверхностью дополнительной оболочки второй ускорительный канал, сообщенный с промежуточной частью первого ускорительного канала, в центральном теле выполнен непосредственно сообщенный с диффузором прямоточный канал, включающий входной канал турбины и проточную часть соплового аппарата, а во входном канале турбины и/или первом и/или втором ускорительных каналах установлены направляющие ребра, образующие аппарат для закрутки потока.

2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в стенках центрального тела выполнены тангенциальные проходы, связывающие прямоточный и второй ускорительный каналы.

3. Ветроэнергетическая установка по п.2, отличающаяся тем, что проходы выполнены регулируемыми.

4. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что она снабжена пневматической системой запуска энергоагрегата.

5. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что оболочки и центральное тело соединены между собой пилонами, образующими направляющие аппараты в проточной части межоболочных каналов.

6. Ветроэнергетическая установка по п.5, отличающаяся тем, что в полостях пилонов размещены коммуникации генератора и системы запуска.

7. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что генератор снабжен циркуляционной системой охлаждения, радиаторы которой установлены в пустотах, по крайней мере, одной из оболочек.

8. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что, по крайней мере, в одной из оболочек выполнены дополнительные воздухозаборные каналы.

9. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что на валу турбогенератора установлен маховик.

10. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что в прямоточном канале установлена капсула, в которой размещены агрегаты системы запуска, генератор и маховик.

11. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что турбина расположена на выходе прямоточного канала.

12. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.1-11, отличающаяся тем, что она снабжена устройством для впрыска воды на вход турбины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2