Способ преобразования энергии свободного воздушного потока и ветроэнергетическая установка по его реализации

 

Изобретение относится к энергетике и обеспечивает преобразование энергии воздушных потоков в электрическую или другую энергию. Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования энергии реального воздушного потока. Поставленная задача решается способом преобразования энергии свободного воздушного потока за счет повышения давления перед ветроэнергетической установкой с проточными каналами и турбиной и снижения давления за турбиной, при котором повышение давления осуществляют за счет конфигурации установки и ступенчатого изменения давления в каналах установки перед турбиной за счет соплообразной конфигурации проточных каналов перед турбиной с одновременным резким сбросом давления за турбиной, создавая искусственное разрежение за счет использования дополнительного ускоренного воздушного потока. Ветроэнергетическая установка для реализации данного способа содержит турбину, связанную с энергопреобразователем, центральную капсулу и центральную кольцевую оболочку с входом проточного канала и выходом, образованным внутренней поверхностью центральной кольцевой оболочки и внешней поверхностью центральной капсулы, дополнительную оболочку и внешнюю кольцевую оболочку, образующую с центральной капсулой диффузорный выход проточного канала. Поверхности центральной и дополнительной кольцевых оболочек снабжены микросоплами, а турбина расположена в зоне, где разность давлений перед турбиной и за ней имеет максимальную величину. Элементы конструкции соединены между собой так, что образуются направляющие аппараты в проточных каналах для закрутки воздушного потока. Энергопреобразователь снабжен системой охлаждения, теплообменные элементы которой установлены в пустотах одной из оболочек, причем в оболочках конструкции выполнены дополнительные входные каналы воздухозабора. Установка снабжена пневматической системой запуска, имеющей связанный с системой энергопреобразователя пневмодвигатель и источник сжатого воздуха. Энергопреобразователь оснащен маховиком, а поверхность проточных каналов имеет шероховатости, создающие микроспловый эффект в пограничном слое воздушного потока. Для сбора влаги установка оснащена устройством влагосбора. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергетике, в частности к получению энергии за счет преобразования энергии воздушного потока в электрическую или иную энергию.

Известны способы, использующие кинетическую энергию воздушного потока путем прямого силового воздействия этого потока на лопасти ветроколеса или турбины (1).

В качестве прототипа принят способ, реализуемый в ветроэнергетической установке, описанной в (2). Согласно этому способу повышают давление перед установкой с проточными каналами и турбиной и понижают давление за турбиной. Сама 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, сообщающийся в промежуточной части с выходным каналом турбины, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщающийся вместе с первым промежуточным каналом с диффузорным выходным каналом.

Свободный воздушный поток (совокупность различных газов и паров воды) характеризуется порывистостью и неравномерностью. Описанное устройство не в полной мере позволяет эффективно использовать энергию реального воздушного потока, так как рассчитано на работу с идеализированным ламинарным потоком.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности преобразования энергии реального воздушного потока и создание установки для реализации такого преобразования.

Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования энергии свободного воздушного потока за счет повышения давления перед ветроэнергетической установкой с проточными каналами и турбиной и падения давления за турбиной давление свободного воздушного потока перед установкой повышают за счет ее конфигурации и ступенчато изменяют его в каналах установки перед турбиной за счет соплообразной конфигурации проточных каналов перед турбиной с одновременным резким сбросом давления за турбиной, создавая искусственное разрежение за счет использования для этого, по крайней мере, одного дополнительного ускоренного воздушного потока, создающего эжекционый эффект за турбиной и усиливающего разрежение на данном срезе установки, создаваемое обтекающими ее внешними воздушными потоками.

Для повышения давления в проточных каналах свободный воздушный поток могут закручивать.

Данный способ реализуется в ветроэнергетической установке, содержащей, по крайней мере, одну турбину с сопловым аппаратом, механически связанную с, по крайней мере, одним энергопреобразователем, по крайней мере, одну центральную капсулу и одну центральную кольцевую оболочку с входом проточного канала и выходом, образованным внутренней поверхностью центральной кольцевой оболочки и внешней поверхностью центральной капсулы, по крайней мере, одну дополнительную оболочку и одну внешнюю кольцевую оболочку, образующую с центральной капсулой диффузорный выход проточного канала, поверхности центральной и дополнительной кольцевой оболочек снабжены микросоплами, а турбина расположена в зоне, где разность давлений перед турбиной и за ней имеет максимальную величину.

В проточной части центральной кольцевой оболочки могут быть установлены направляющие, образующие аппарат для закрутки воздушного потока.

Элементы конструкции могут быть объединены между собой соединительными элементами, образующими направляющие аппараты в проточных каналах.

Энергопреобразователь может быть снабжен системой охлаждения, теплообменные элементы которой установлены в одной из оболочек.

В одной из оболочек могут быть выполнены дополнительные каналы воздухозабора.

Установка может быть снабжена пневматической системой запуска, имеющей связанный с системой энергопреобразователя пневмодвигатель и источник сжатого воздуха.

Установка может быть оснащена маховиком.

Оболочки конструкции установки могут быть выполнены с возможностью регулирования и изменения объемных и линейных размеров.

Установка может быть оснащена устройством для сбора влаги.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен вариант исполнения ветроэнергетической установки (продольный разрез) и аппарат для создания микросоплового эффекта в пограничном слое, на фиг.2 - крепление ветроэнергетической установки на колонне.

Ветроэнергетическая установка выполнена в виде единой объемной конструкции, состоящей из соединенных между собой элементов и содержащей турбину 1 с сопловым аппаратом 2. Вал турбины 1 механически связан с энергопреобразователем 3. Под термином “энергопреобразователь” здесь следует понимать не только генератор электрического тока, но и любое устройство для преобразования механической энергии в любой вид энергии, удобный для использования в конкретных обстоятельствах. Установка содержит также центральную капсулу 4, центральную кольцевую оболочку 5 с входом проточного канала 6 и выходом 7, образованным выходной частью внутренней поверхности центральной кольцевой оболочки 5 и внешней поверхностью центральной капсулы 4, сообщающимся с дополнительным проточным каналом 8, образованньм внешней поверхностью центральной кольцевой оболочки 5, внешней поверхностью центральной капсулы 4 и внутренней поверхностью дополнительной кольцевой оболочки 9. Установка оснащена также внешней кольцевой оболочкой 10, образующей своей внутренней поверхностью с внешней поверхностью дополнительной кольцевой оболочки 9 и внешней поверхностью центральной капсулы 4 внешний проточный канал 11.

Установка снабжена дополнительным воздухозаборньм каналом 12. На валу энергопреобразователя 3 установлен стабилизирующий маховик 13. В проточных каналах 6, 8, 11 установлены направляющие элементы 14, образующие аппарат закрутки потока.

Элементы конструкции 4, 5, 9, 10 соединены между собой соединительными элементами 15, которые образуют направляющие аппараты в проточных каналах, выполнены с возможностью оперативного изменения геометрии объема и линейных размеров и оснащены аппаратами 16, создающими микросопловой эффект в пограничном слое воздушного потока.

Опора ветроэнергетической установки выполнена в виде колонны, на которой установка и смонтирована.

Энергопреобразователь 3 имеет циркуляционную систему охлаждения 17, теплообменные элементы которой установлены в одной из оболочек конструкции. Установка снабжена пневматической системой запуска 18, имеющей связанный с системой энергопреобразователя пневмодвигатель и источник сжатого воздуха. Эта же система может быть использована в качестве аккумулятора энергии на режимах пониженного энергопотребления. Для сбора влаги установка оснащена устройством влагосбора 19.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Свободный воздушный поток, набегающий на установку, за счет ее конфигурации создает зону повышенного давления перед ее входными каналами 6, 8 и 11. Проходя через проточный канал 6-7 центральной кольцевой оболочки 5, он поступает в зону проточного канала 8 дополнительной кольцевой оболочки 9, где несколько снижает свое давление, а затем поступает на вход турбины 2, которая, являясь препятствием на пути потока, вновь его повышает. Свободный воздушный поток, проходя через внешний проточный канал 11, резко сбрасывает давление в его выходной части за турбиной 2, что создает эжектирующий эффект и перепад давлений перед турбиной и за ней, что приводит турбину во вращение для создания выравнивания разности давлений. Для повышения эффективности установки все внутренние полости оболочек могут быть снабжены направляющими, преобразующими воздушный поток в винтовой (вихревой) поток. Для стабилизации винтового потока и увеличения его давления перед турбиной оболочки конструкции 5, 9, 10 установки могут быть снабжены дополнительньми каналами 12 для подачи воздушного потока.

Как показали расчеты, преобразование воздушного потока, поступающего на вход проточных каналов 6, 7, 8, в винтовой поток, увеличивает его плотность и давление.

Под воздействием повышенного давления со стороны входа в проточный канал 6, 8 и разрежения со стороны выхода проточного канала 11 в канале дополнительной кольцевой оболочки 9 в области выходного сечения возникает максимальный перепад давления. Обозначим давление свободного воздушного потока как Р₀. За счет сопротивления, создаваемого конструкцией установки, давление перед ее входными каналами повышается и обозначим это давление как P₁. Это давление будет выше, чем давление Р₀ в свободном воздушном потоке. Следовательно, на проточные каналы воздействует давление P₁. За счет конфигурации проточных каналов давление, воздействующее на турбину, несколько изменяется, и обозначим его Р₂. Это давление несколько ниже P₁, но выше Р₀. Давление воздушного потока в выходном канале 11 за турбиной установки обозначим Р₃ и оно значительно ниже, чем P₁ и Р₂, так как происходит эжектирующий эффект за счет донного разрежения, образующегося за донным срезом установки при обтекании ее внешней поверхности свободным воздушным потоком.

За счет разницы давления происходит преобразование энергии воздушного потока в другие виды энергий.

В дополнительной кольцевой оболочке 9 установлена турбина 1 с направляющим сопловым аппаратом 2, причем турбина расположена в зоне, где перепад давления имеет максимальную величину, т.е. разность давлений перед турбиной и за ней будет оптимальна для преобразования в энергию вращения турбины и связанного с ней энергопреобразователя.

Газовые турбины работоспособны даже при незначительных перепадах давления и установка будет работать при скоростях воздушного потока V=4-5 м/с.

В данной установке используется синергический эффект действия композиции воздушных потоков - внешнего и внутренних, который превышает суммарный эффект действия каждого потока в отдельности.

Для увеличения массы воздушного потока, поступающего в установку, оболочки оснащены дополнительными каналами воздухозабора, которые обеспечивают не только приток дополнительной массы воздуха, но и сообщают проходящим по входным каналам потокам дополнительное ускорение. Для стабилизации работы установки в случаях значительной неравномерности воздушного потока используется маховик 13.

Все оболочки и центральная капсула соединены между собой профилированными крепежными элементами 15, имеющими малое аэродинамическое сопротивление.

Существующий уровень развития электротехники позволяет применять в установке практически без каких-либо изменений серийно выпускаемые энергопреобразователи. Элементы конструкции ветроэнергетической установки могут изготавливаться из различных материалов по давно отработанным технологиям в зависимости от мощности и типа установки - композитных материалов, проката алюминиевых сплавов, пластмасс и других материалов. Оболочки могут быть сборными из сегментов, надувными и пр.

Источники информации

1. Ветроэнергетика./Под ред. Д.де Рензо, М.: Энергоатомиздат, 1982 г., стр. 81-96.

2. Патент РФ №2186244 по кл. F03D 1/04 от 19.10.2001.

Формула изобретения

1. Способ преобразования энергии свободного воздушного потока за счет повышения давления перед ветроэнергетической установкой с проточными каналами и турбиной и снижения давления за турбиной, отличающийся тем, что давление свободного воздушного потока перед ветроэнергетической установкой повышают за счет ее конфигурации и ступенчато изменяют его в каналах установки перед турбиной за счет соплообразной конфигурации проточных каналов перед турбиной с одновременным резким сбросом давления за турбиной, создавая искусственное разрежение путем использования для этого по крайней мере одного дополнительного воздушного потока, создающего эжекционный эффект за турбиной и усиливающего разрежение на донном срезе установки, создаваемое обтекающими ее внешними воздушными потоками.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что свободный воздушный поток закручивают в проточных каналах.

3. Ветроэнергетическая установка, содержащая по крайней мере одну турбину с сопловым аппаратом, механически связанную с по крайней мере одним энергопреобразователем, по крайней мере одну центральную капсулу и одну центральную кольцевую оболочку с входом проточного канала и выходом, образованным внутренней поверхностью центральной кольцевой оболочки и внешней поверхностью центральной капсулы, по крайней мере одну дополнительную кольцевую оболочку и одну внешнюю кольцевую оболочку, образующую с центральной капсулой диффузорный выход проточного канала, отличающаяся тем, что поверхности центральной и дополнительной кольцевых оболочек снабжены микросоплами, а турбина расположена в зоне, где разность давлений перед турбиной и за ней имеет максимальную величину.

4. Ветроэнергетическая установка по п.3, отличающаяся тем, что в проточной части центральной кольцевой оболочки установлены направляющие, образующие аппарат для закрутки воздушного потока.

5. Ветроэнергетическая установка по п.3 или 4, отличающаяся тем, что элементы конструкции объединены между собой соединительными элементами, образующими направляющие аппараты в проточных каналах.

6. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.3-5, отличающаяся тем, что энергопреобразователь снабжен системой охлаждения, теплообменные элементы которой установлены в одной из оболочек конструкции.

7. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.3-6, отличающаяся тем, что в одной из оболочек выполнены дополнительные каналы воздухозабора.

8. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.3-7, отличающаяся тем, что она снабжена пневматической системой запуска, имеющей связанный с системой энергопреобразователя пневмодвигатель и источник сжатого воздуха.

9. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.3-8, отличающаяся тем, что она оснащена маховиком.

10. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.3-9, отличающаяся тем, что оболочки конструкции установки выполнены с возможностью регулирования и изменения объемных и линейных размеров.

11. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.3-10, отличающаяся тем, что она оснащена устройством для сбора влаги.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2