Ветроэлектростанция

Ветроэлектростанция

Реферат

 

Использование: в ветроэнергетике, в частности в устройствах, преобразующих энергию ветра в электрическую. Сущность изобретения: повышение мощности ветродвигателя путем увеличения скорости потока воздуха обеспечивается тем, что ветроэлектростанция, содержащая концентратор потока воздуха в виде шатра, ветроколесо 8, генератор электротока 9, инерционный аккумулятор 10 энергии, при этом в центре концентратора установлена цилиндрическая вытяжная труба, а внутри шатра соосно с ним установлен конус с вогнутой поверхностью. Внутренняя поверхность шатра и наружная поверхность конуса 4 соединены между собой перегородками 5, образующими сужающиеся воздушные каналы, направленные от периферии к центру и снизу вверх в цилиндрическую вытяжную трубу, в которой размещено ветроколесо 8 на вертикальном валу 7, передающем вращение от ветроколеса 8 на вал генератора электротока 9 и инерционного аккумулятора 10 энергии. На верхней части перегородок 5 установлены шарнирно заслонки 12 для перекрытия потока воздуха. Конструкция ветроэлектростанции позволяет увеличить площадь захватывающего потока воздуха и весь потока направить на ветроколесо 8 в вытяжную трубу, что в несколько раз увеличит скорость потока, а значит, и мощность ветродвигателя. Мощность ветродвигателя можно увеличить и за счет подачи в рабочую полость концентратора отработанных горячих потоков газа или воздуха, полученных путем сжигания утилизированного топлива. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области нетрадиционных источников энергии, в частности к устройствам, преобразующим энергию ветра в энергию электрическую.

Известен ветродвигатель Колобушкиных (а. с. СССР N 1211448, кл. F 03D 1/04), содержащий башню с окнами, внутри которой установлен поворотный аппарат с флюгерной лопастью, направляющий попавший в окна поток ветра вверх к ветроколесу. Ветроколесо представляет собой комбинированную конструкцию из горизонтального ветроколеса с ободом, на котором установлены вертикальные лопасти, воспринимающие потоки воздуха, попавшие в верхние окна башни. Ветроколесо установлено на вертикальном валу, передающем вращение на вал генератора электротока.

К недостаткам ветродвигателя Колобушкиных следует отнести относительную громоздкость и сложность конструкции как поворотной части ветродвигателя, так и самого ветроколеса, что значительно снизит и общий КПД электродвигателя и годовой ресурс его работы, ибо ветер при малых скоростях не сможет включить его в работу.

Известен ветроэлектрический агрегат (а. с. СССР N 1307078, кл. F 03D 1/04), содержащий генератор, ветроколесо и концентратор энергии ветра.

Недостатком этого изобретения является то, что эффективность концентратора низка, ибо он обеспечивает частичную концентрацию потока воздуха. Проходящий же с боков и сверху ветроколеса поток воздуха уходит не работая, н отдавая своей энергии агрегату.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому является техническое решение ветроагрегата (Д.де Рензо "Ветроэнергетика", Москва, 1982 г. перевод с английского В.В.Зубарева, под редакцией Я.И.Шефтера, с. 32). Ветроагрегат представляет собой усеченный конус в виде шатра с приподнятыми над землей краями для свободного прохода воздуха под конусом в любом направлении.

В горловине конуса установлены ветроколеса на вертикальном валу, который передает от ветроколеса вращение на генератор электротока или инерционный аккумулятор (типа маховика). Над конусом установлены поворотные направляющие лопасти для завихрения потока воздуха. Часть свободно проходящего под конусом воздуха поднимается вверх в горловину к ветроколесу. Проходя через установленные под углом лопасти поток завихряется и дополнительно засасывает воздух из конуса. При этом величина потока воздуха и его скорость увеличиваются, что повышает эффективность работы ветроагрегата.

К недостаткам описанного ветроагрегата относится то, что основная часть потока воздуха, попавшего под приподнятый шатер (открытый свободно во все стороны), пройдет насквозь без отдачи своей энергии. И только часть потока поднимается вверх в горловину к ветроколесам.

Задача изобретения повышение мощности ветроустановки за счет захвата широкого потока воздуха и концентрации его в узкий, но высокоскоростной поток.

Эта задача решается тем, что в ветроэлектростанции, содержащей концентратор потока воздуха, выполненный в виде приподнятого над землей шатра, ветроколесо с вертикальным валом, генератор электротока и инерционный аккумулятор, на горловине шатра концентратора установлена вертикальная вытяжная труба, в полости которой и установлено одно или несколько ветроколес на вертикальных валах, кинематически связанных с валом генератора электротока и инерционным аккумулятор, а внутри шатра расположен конус с вогнутой поверхностью, причем внутренняя поверхность шатра и наружная поверхность конуса соединены между собой вертикальными перегородками, образующими сужающиеся воздушные каналы, направленные от периферии шатра к центру и снизу вверх к вертикальной вытяжной трубе и лопастям ветроколес, а на верхней части перегородок установлены шарнирно заслонки, регулирующие величину движущегося к ветроколесам потока воздуха, причем в воздушных каналах концентратора размещены устройства для сжигания газа или подачи потоков горячего воздуха.

Так как мощность ветроэлектростанции имеет кубическую зависимость от скорости ветра, обдувающего ветроколесо (Шефтер Я.И. Рождественский И.В. "Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты", Москва, 1967 г.), то для повышения мощности ветроэлектростанции выгоднее идти путем увеличения скорости ветра, обдувающего ветроколесо, чем путем увеличения диаметра последнего. Теоретически увеличение скорости ветра с помощью концентратора в 4-5 раз может дать увеличение мощности электростанции, соответственно в 64- 125 раз по сравнению с ветроагрегатом, имеющим такой же диаметр ветроколеса, работающего при обычной внешней скорости, без концентрации потока воздуха.

Поэтому в предполагаемом изобретении для преобразования энергии ветра в энергию электрическую применен, как и в известном, круговой шатер с приподнятыми краями, опирающийся на опоры, но, в отличие от него, шатер снаружи на горловине имеет вертикальную вытяжную трубу, а внутри шатра установлен конус с вогнутой поверхностью. Конус и шатер соединены между собой вертикальными перегородками. Перегородки образуют замкнутые сужающиеся воздушные каналы, открытые широкой частью для входа потока воздуха и узкой частью для выдачи суженного и ускоренного потока в вертикальную вытяжную трубу, в которой установлены ветроколеса на вертикальных валах. Таким образом весь воздушный поток, входящий в шатер, пройдет через вытяжную трубу (через ветроколеса), но уже с более высокой скоростью, чем скорость наружного ветра.

На фиг.1 показан общий вид ветроэлектростанции. На фиг.2 показана схема концентрации попавших в шатер потоков воздуха. На фиг.3 дан разрез по А-А и показано направление движения потоков воздуха. На фиг.4 дан разрез по Б-Б конуса и вертикальных перегородок.

Ветроэлектростанция состоит из концентратора, имеющего вертикальную вытяжную трубу 1 и открытого с боков шатра 2 с приподнятыми крыльями, опирающимися на стойки 3.

Вертикальная вытяжная труба 1 установлена снаружи шатра на его горловине, а внутри шатра соосно с ним установлен конус 4 с вогнутой поверхностью. Внутренняя поверхность шатра и наружная поверхность конуса соединены между собой вертикальными перегородками 5, разделяющими пространство между шатром и конусом на каналы 6, сужающиеся к центру шатра и снизу вверх. Воздух с любой стороны шатра может входить в эти каналы и, сжимаясь и ускоряясь, устремляться в полость вертикальной вытяжной трубы, внутри которой установлены на вертикальных соосных (типа труба в трубе) валах 7 два ветроколеса 8. Внутренняя и наружная независимо вращающиеся части вала 7 кинематически связаны с валом генератора электротока 9 и валом инерционного аккумулятора 10, на которые и передают крутящий момент от ветроколес 8. Вертикальный вал 7 для обеспечения устойчивости фиксируется с растяжками 11, закрепленными на стенке вертикальной вытяжной трубы 1.

С целью предупреждения поломок ветроколеса 8 при высоких скоростях наружного ветра и для возможности регулирования величины подаваемого потока воздуха к ветроколесам (поддержание заданной мощности установки) на верхней части перегородок 5 установлены вертикально на шарнирах заслонки 12, управляемые (изменением угла наклона) с помощью тросов 13. Это управление может быть как ручным (лебедками), так и автоматическим (с помощью датчиков от скорости ветра в трубе 1 или частоты вращения ветроколеса 8).

В каналах 6 установлены устройства 14 для сжигания утилизированного газа. Устройства расположены на кольцевой трубе 15, к которой газ подводится по газоводу 16. Через указанные газоводы и устройства может в каналы 6 подаваться и поток горячего воздуха от печей сжигания биологических отходов.

Ветроэлектростанция работает следующим образом. Поток ветра любого направления, встречая на своем пути открытый со всех сторон шатер 2, входит через окна в каналы 6 и, сужаясь между вертикальными перегородками 5, внутренней поверхностью шатра 2 и вогнутой поверхностью конуса 4, устремляется к центру и снизу вверх в полость вертикальной вытяжной трубы 1. При сужении потока воздуха скорость его движения возрастает в несколько раз. Величина ускорения зависит от величины соотношения фронтальной площади задуваемого общего потока воздуха в шатер 2 и площади внутреннего сечения вертикальной вытяжной трубы 1. Необходимо учитывать потери скорости потока от трения частиц воздуха между собой, трения их о стенки каналов (от качества их поверхностей), о выступы. Затем ускоренный поток воздуха попадает на лопасти нижнего ветроколеса 8, вращает его, создавая крутящий момент на валу 7 (на наружной его части), который кинематически связан с валом генератора 9.

Ротор генератора получает вращение и начинает вырабатывать электроток для потребителя. Далее, поток воздуха, отдав часть энергии нижнему ветроколесу устремляется к лопастям верхнего ветроколеса 8. Угол разворота плоскостей лопастей верхнего и нижнего ветроколес регулируется в зависимости от скорости потока воздуха и наиболее оптимального режима работы. Крутящий момент от верхнего ветроколеса передается на вал 7 (на внутреннюю его независимо вращающуюся часть) и от него на вал инерционного аккумулятора 10. Но внутренний вал 7 имеет возможность переключаться на другой генератор или другой какой-либо механизм.

Для повышения эффективности работы ветра (особенно в регионах с низкой среднегодовой его скоростью) и для повышения степени регулирования и стабильности работы ветроагрегатов в каналы 6 шатра 2 в устройства 14 по газоводу 16 и трубе 15 подается утилизированный газ, например от факелов нефтепромыслов или нефтеперерабатывающих заводов, который сгорая в потоках воздуха нагревает его, улучшает конвекцию и тягу в вытяжной трубе 1, а также создает лучшие условия для регулирования и поддержания стабильности работы ветроагрегатов. Если отсутствует факельный газ, но вблизи от ветроэлектростанции имеются отходы биомасс (городские свалки, отходы лесозаготовок, отходы ферм и т.п.), то можно, сжигая эти отходы в печах, подавать в каналы 6 через газоводы 16 и устройства 14 горячий воздух. В случае возникновения больших скоростей наружного ветра и образования в вертикальной вытяжной трубе 1 сверхдопустимых ураганных скоростей в потоке, то с целью предохранения от поломок ветроколес и других элементов, путем натяжения тросов 13, наклоняют заслонки 12 и часть потока отсекается, завихряется, что снижает его скорость. Заслонки 12 могут практически полностью перекрыть доступ ветра к ветроколесам (на период, например профилактического осмотра состояния ветроколес).

Внутреннее помещение конуса 4 может быть весьма значительным (например при строительстве ветроэлектростанций мощностью в 5-6 тысяч киловатт) и может быть использовано не только для размещения генераторов и приборов управления станцией, но и какого-либо технологического оборудования для производства той или иной продукции (при обеспечении звуком и теплоизоляции) и может быть выполнено в два и три этажа.

Таким образом предлагаемая конструкция ветроэлектростанции позволяет освободиться от строительства мощных и тяжеловесных башенных опор для установки ветроколес больших диаметров (60-80 и более метров), применения специальных и дорогостоящих материалов и технологий изготовления ветроколес и гондол для генераторов, что требует больших финансовых затрат. Позволяет иметь возможность регулировать режимы работы ветроагрегатов, их устойчивость в режиме работы при широких диапазонах скоростей наружного ветра, позволяет эксплуатировать их при низких (недоступных для существующих ветроагрегатов) скоростях ветра, и главное применение предлагаемой ветроэлектростанции при значительно меньшем (в 4-5 раз) диаметре ветроколеса позволит получить относительно большую мощность на ветроагрегате.

Формула изобретения

1. Ветроэлектростанция, содержащая концентратор потока воздуха, выполненный в виде приподнятого над землей шатра, ветроколесо с вертикальным валом, генератор электротока и инерционный аккумулятор, отличающаяся тем, что на горловине шатра концентратора размещена вертикальная вытяжная труба, в полости которой установлены одно или несколько ветроколес на вертикальных валах, кинематически связанных с валом генератора электротока и инерционным аккумулятором, а внутри шатра расположен конус с вогнутой поверхностью, причем внутренняя поверхность шатра и наружная поверхность конуса соединены между собой вертикальными перегородками, образующими сужающиеся воздушные каналы, направленные от периферии шатра к центру и снизу вверх к вертикальной вытяжной трубе и лопастям ветроколес, при этом на верхней части перегородок установлены шарнирно заслонки, регулирующие величину движущегося к ветроколесам потока воздуха.

2. Ветроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что в воздушных каналах концентратора размещены устройства для сжигания газа или подачи потоков горячего воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4