Ветровая энергетическая установка

Ветровая энергетическая установка

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к энергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам, преобразующим кинетическую энергию ветрового потока в электрическую или другие виды энергии, и может быть использовано в промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве или в качестве автономного источника энергии.

Аналогами предлагаемого устройства являются установки, преобразующие энергию ветрового потока или движущихся волн в другие виды энергии. Известна волновая насосная установка (SU, 1453077 А1, кл. F 03 В 13/12, 23.01.1989, по совокупности существенных признаков принята за прототип). Установка содержит погруженную под уровень воды опору и прикрепленный к ней при помощи шарнира вертикальный стержень с поплавком, кинематически связанный с рабочей камерой переменного объема, имеющей обратные клапаны. Стержень снабжен упорами и имеет расположенный под шарниром участок. Поплавок выполнен с удельной плотностью, близкой к плотности воды, и установлен между упорами с возможностью перемещения относительно стержня. Рабочая камера выполнена в виде двух сильфонных патрубков, соединенных между собой при помощи пластины, прикрепленной к нижнему участку стержня, и нагружена на напорную магистраль. При волнении стержень с поплавком совершает колебательные движения относительно шарнира, при этом нижний участок стержня, воздействуя на пластину, вызывает изменение объема сильфонных патрубков, которые при увеличении своего объема заполняются водой через обратные клапаны, а при уменьшении их объема вода через клапаны поступает в напорную магистраль волновой насосной установки. К недостаткам прототипа (ближайшего аналога) относятся низкий КПД (коэффициент полезного действия) и сложность конструкции.

Технический результат заключается в создании устройства, способного работать в воздушной среде и преобразовывать кинетическую энергию ветрового потока в кинетическую энергию механических колебательных, возвратно-поступательных или вращательных движений, в энергию электрического тока, в кинетическую энергию движущихся газов или жидкостей или в другие виды энергии. Установка рассчитана на любые характеристики ветрового потока. Наиболее эффективное применение установки при таких условиях эксплуатации, когда ветровой поток неустойчивый, порывистый, низконапорный, переменный по силе и направлению, имеющий шквальный, а также верховой или низовой характер.

На фиг.1 в общем виде изображена ветровая энергетическая установка, способная преобразовывать кинетическую энергию ветрового потока в кинетическую энергию механических колебательных, возвратно-поступательных движений.

Установка содержит опору 1 (показана в разрезе) и прикрепленный к ней одним окончанием при помощи шарнирного соединения 2 вертикальный стержень 3 (условно называемый «мачта»). К мачте 3 крепится устройство 4 (условно называемое «парус»). Парус 4 представляет собой устройство (механизм), который обладает поверхностной площадью и способностью оказывать максимальное сопротивление ветровому потоку 5. Парус 4 может иметь внешне различные формы и размеры, а также может в автоматическом и (или) ручном режиме менять величину своей парусности и (или) перемещаться вдоль мачты 3 (стержня). Мачта 3 также соединена с компенсатором 6, удерживающим мачту 3 в исходном вертикальном положении при отсутствии воздействия ветрового потока 5 на установку и возвращающим мачту 3 обратно в исходное вертикальное положение после окончания воздействия ветрового потока на установку. Смысл применения паруса 4 и компенсатора 6 заключается в том, чтобы придать мачте 3 установки режим колебательных, возвратно-поступательных движений.

Ветровая энергетическая установка работает следующим образом. Предлагается к рассмотрению два режима воздействия ветрового потока на ветроэнергетическую установку.

Режим 1. Ветровой поток 5 оказывает переменное по интенсивности воздействие на парус 4. В результате этого воздействия мачта 3, преодолевая сопротивление компенсатора 6, совершает отклонение относительно шарнирного соединения 2. При уменьшении интенсивности воздействия ветрового потока 5 на парус 4 компенсатор 6 будет стремиться возвратить мачту 3 в исходное вертикальное положение. Таким образом, кинетическая энергия ветрового потока 5 преобразовывается в кинетическую энергию механических колебательных, возвратно-поступательных движений мачты 3. Колебательный процесс мачты 3 будет осуществляться всякий раз, когда ветровой поток 5 будет оказывать переменное воздействие на парус 4.

Режим 2. Ветровой поток 5 оказывает постоянное по интенсивности воздействие на парус 4. В результате этого воздействия мачта 3, преодолевая сопротивление компенсатора 6, совершает отклонение относительно шарнирного соединения 2. Для возвращения мачты 3 в исходное вертикальное положение величина парусности паруса 4 уменьшается (в автоматическом или ручном режиме), уменьшается при этом и отклоняющее воздействие паруса 4 на мачту 3, и компенсатор 6 будет стремиться вернуть мачту 3 в исходное вертикальное положение. Таким образом, кинетическая энергия ветрового потока 5 преобразовывается в кинетическую энергию механических колебательных, возвратно-поступательных движений мачты 3. Колебательный процесс мачты 3 в этом случае будет осуществляться с такой частотой, с которой парус 4 будет менять величину своей парусности.

Конструкций установки для преобразования кинетической энергии ветрового потока в другие виды энергии при помощи мачты и паруса может быть множество. Приводятся примеры только некоторых из них.

На фиг.2 изображена ветровая энергетическая установка, которая также содержит опору 1 (показана в разрезе) и прикрепленную к ней при помощи шарнирного соединения 2 вертикальную мачту 3. Но в данном случае мачта 3 крепится к опоре 1 не своим окончанием, а на некотором расстоянии от него. Мачта 3 сохраняет свою единую целостность, но фактически разделена в месте ее крепления к опоре 1 посредством шарнирного соединения 2 на две части - верхнюю и нижнюю. Верхняя часть мачты 3, которая расположена над шарнирным соединением 2, имеет парус 4.

Нижняя часть мачты 3, которая расположена ниже шарнирного соединения 2, имеет компенсатор 6. Компенсатор 6 выполняет те же функции, что и в первом случае (см. фиг.1), т.е. удерживает мачту 3 в исходном вертикальном положении при отсутствии воздействия ветрового потока 5 на парус 4 и возвращает мачту 3 обратно в исходное вертикальное положение после окончания воздействия ветрового потока 5 на парус 4.

Следующая возможная конструкция ветровой энергетической установки основывается на предыдущей схеме. Если к окончанию нижней части мачты 3 (см. фиг.3) прикрепить компенсирующий груз 6 необходимой массы, то он будет выполнять функции, аналогичные функциям компенсатора 6 в двух предыдущих схемах установки (см. фиг.1 и 2).

От компенсатора 6, возвращающего мачту 3 в исходное вертикальное положение, можно вообще отказаться. Достаточно применить парус 4, обладающий подъемной силой, наподобие подъемной силы аэростата или дирижабля. Подъемная сила паруса в этом случае должна быть равна или превышать силы притяжения, которые воздействуют на мачту 3. На фиг.4 изображен пример такой установки в общем виде. К опоре 1 прикреплена при помощи шарнира 2 своим нижним окончанием мачта 3. Верхняя часть мачты 3 имеет парус 4, обладающий подъемной силой (показана стрелками вверх), превышающей силы притяжения мачты 3 к поверхности земли. Такую конструкционную схему можно применить ко всем трем предыдущим схемам ветровой установки. В этих случаях парус 4 выполнит те же функции, что и компенсатор 6 в первых трех схемах установки (см. фиг.1, 2 и 3).

Все четыре предыдущие конструкционные схемы ветровой энергетической установки рассчитаны на преобразование кинетической энергии ветрового потока в кинетическую энергию механических колебательных, возвратно-поступательных движений мачты. Однако, если необходимы дальнейшие преобразования кинетической энергии ветрового потока в другие виды энергии, можно осуществить эти преобразования с помощью уже полученных колебательных, возвратно-поступательных движений мачты. Например, используя любую из вышеперечисленных четырех конструкционных схем (см. фиг.1-4), можно изготовить ветровую насосную установку, преобразующую кинетическую энергию ветрового потока в кинетическую энергию движущихся газа или жидкости.

Ветровая насосная установка схематически и в общем виде изображена на фиг.5. Установка содержит опору 1 (показана в разрезе) и прикрепленную к ней одним окончанием при помощи шарнира 2 мачту 3, которая имеет парус 4. На мачту 3 оказывает воздействие ветровой поток 5, и с целью возврата мачты 3 в исходное вертикальное положение к ней крепится компенсатор 6. К мачте 3, кроме того, прикреплен через шарнирное соединение 7 поршень 8 насоса 9 (показанного в разрезе). Внутри насоса 9 располагается рабочая камера 10, которая оборудована впускным клапаном 11 и выпускным клапаном 12. Количество клапанов может быть и несколько, а именно столько, сколько это конструкционно необходимо (на фиг.5 указано по одному клапану). Корпус насоса 9 соединен с опорой 1. Помимо этого ветровая насосная установка содержит питающую магистраль 13 и напорную магистраль 14, которые могут быть наполнены газовой или жидкой средой. Питающая магистраль 13 соединена с впускным клапаном 11 рабочей камеры 10 насоса 9, а напорная магистраль 14 соединена с выпускным клапаном 12 рабочей камеры 10 насоса 9. Питающая 13 и напорная 14 магистрали могут иметь и собственные впускные и выпускные клапаны (на фиг.5 показаны только клапаны, расположенные в корпусе поршневого насоса 9).

Ветровая насосная установка работает следующим образом. Ветровой поток 5 воздействует на парус 4, в результате чего мачта 3, преодолевая сопротивление компенсатора 6, совершает отклонение относительно шарнира 2. При этом мачта 3 воздействует через шарнирное соединение 7 на поршень 8 и вызывает увеличение объема рабочей камеры 10 поршневого насоса 9. В результате этого рабочая камера 10 заполняется газовой или жидкостной средой через впускной клапан 11, соединенный с питающей магистралью 13. После окончания воздействия ветрового потока 5 на парус 4 компенсатор 6 возвращает мачту 3 в исходное вертикальное положение. При этом мачта 3 опять совершает отклонение относительно шарнира 2, но теперь уже в обратную сторону и снова воздействует через шарнирное соединение 7 на поршень 8 и вызывает уменьшение объема рабочей камеры 10 поршневого насоса 9. В результате этого газы или жидкость, находящаяся в рабочей камере 10, через выпускной клапан 12 поступает в напорную магистраль 14 ветровой насосной установки. Таким образом, в результате воздействия ветрового потока 5 на парус 4 кинетическая энергия ветрового потока преобразуется в кинетическую энергию движущихся газов или жидкости в питающей 13 и напорной 14 магистралях ветровой насосной установки. Благодаря этому появляется возможность использовать кинетическую энергию движущихся газов или жидкости непосредственно напрямую или преобразовать ее в другие виды энергии.

На вышеприведенной конструкционной схеме ветровая насосная установка (см. фиг.5) для простоты восприятия показана схематически и в общем виде. Реально действующая установка должна содержать в себе такое количество компенсирующих устройств, которое конструкционно необходимо для удержания мачты с парусом в случае воздействия на них ветрового потока, направленного с разных сторон. Это утверждение относится и к установкам, изготовленным по схемам, указанным на фиг.1, 2 и 4. Кроме того, ветровая насосная установка, схематически изображенная на фиг.5, должна иметь такое количество поршневых насосов, которое необходимо для достижения уровня наибольшей эффективности установки при наличии определенного ветрового потока.

Ветровая насосная установка может быть использована и для получения электрического тока.

Пример 1. Ветровая энергетическая установка 15, схематически изображенная на фиг.6, имеющая питающую 16 и напорную 17 магистрали, располагается, например, на уровне верхнего водоема 18, входящего в систему водоемов гидроаккумулирующей электростанции 19. При этом питающая магистраль 16 установки 15 соединяется с нижним водоемом 20, а напорная магистраль 17 установки 15 соединяется с верхним водоемом 18. Установка работает следующим образом. При наличии ветрового потока 5 установка 15 будет перекачивать воду из нижнего водоема 20 в верхний водоем 18, накапливать ее в верхнем водоеме 18, преобразуя ее в потенциальную энергию. В период пикового потребления потенциальная энергия воды преобразуется в электрическую энергию путем направления ее по напорному трубопроводу 21 гидроаккумулирующей электростанции 19, где она вращает турбинный насос 22, вырабатывающий электроэнергию. Таким образом, кинетическая энергия ветрового потока 5 преобразуется в электрическую энергию при помощи данной ветровой энергетической установки 15.

Пример 2. Ветровая энергетическая установка 15, схематически изображенная на чертеже (см. фиг.7), имеющая питающую 23 и напорную 24 магистрали, располагается вблизи источника воды 25, расположенного на поверхности земли или под землей (принципиального значения это не имеет, на фиг.7 показан в разрезе пруд). При этом питающая магистраль 23 установки 15 соединяется с указанным источником воды 25, а напорная магистраль 24 установки 15 соединяется с водоемом 26, искусственно сооруженным на возвышении над уровнем земли 27. Возвышением может служить водонапорная башня, верхнее помещение жилого или административного здания и т.д. (на фиг.7 изображена водонапорная башня 28). Установка работает следующим образом. При наличии ветрового потока 29 установка 15 будет перекачивать воду из нижнего водоема 25 в верхний водоем 26, накапливать ее в нем, преобразуя ее в потенциальную энергию. В случае необходимости получения электроэнергии потенциальная энергия воды преобразуется в электрическую энергию путем направления этой воды по напорному трубопроводу 30 на вращающиеся лопасти турбинно-генераторного агрегата 31, вырабатывающего электроэнергию, и далее в нижний водоем 25. Таким образом, кинетическая энергия ветрового потока 29 и в этом случае преобразуется в электрическую энергию при помощи данной ветровой энергетической установки 15. Кроме выработки электроэнергии данная ветровая установка может использоваться и как водонапорная станция.

Пример 3. Ветровая энергетическая установка 15 (см. фиг.8) имеет питающую 32 и напорную 33 магистрали. Магистрали 32 и 33 могут быть наполнены газовой или жидкостной средой и соединены с устройством 34. Устройство 34 служит для преобразования кинетической энергии движущейся жидкости или газа в механическое вращательное движение и конструктивно, может иметь различные схемы исполнения. На см. фиг.8 изображена схема устройства 34, преобразующего кинетическую энергию движущейся жидкости в механическое вращательное движение. Поэтому, в данном случае, в питающей 32 и напорной 33 магистралях установки 15 находится жидкостная среда.

Устройство 34 состоит из обратного клапана 35, гидравлического аккумулятора 36, регулирующего клапана 37, гидравлического двигателя 38, имеющего вал вращения 39 и соединительную муфту 40. Кроме того, устройство 34 имеет накопительную емкость 41, которая необходима для постоянной подпитки питающей магистрали 32 рабочим телом (жидкостью). Соединительная муфта 40 соединяет вал вращения 39 гидравлического двигателя 38 с валом вращения 42 генератора электрического тока 43.

Установка работает следующим образом. При воздействии ветрового потока 44 на парус 45 установки 15 жидкость нагнетается по напорной магистрали 33 в устройство 34. В гидравлическом аккумуляторе 36 создается повышенное давление нагнетаемой жидкости. При повышении определенного уровня давления в гидравлическом аккумуляторе 36, которое регулируется клапаном 37, жидкость начинает воздействовать на гидравлический двигатель 38, вызывая тем самым вращение его вала 39. Поскольку гидравлический двигатель 38 через соединительную муфту 40 нагружен на вал 42 генератора электрического тока 43, то последний будет вырабатывать электрическую энергию. Электроэнергия будет вырабатываться до тех пор, пока гидравлический двигатель 38 будет осуществлять вращение вала 39, т.е. пока давление в гидравлическом аккумуляторе 36 не снизится до определенного уровня, регулируемого клапаном 37. Далее процесс повторяется. Таким образом, кинетическая энергия ветрового потока 44 превращается в электрический ток, вырабатываемый электрическим генератором 43 при помощи ветровой электроэнергетической установки 15.

Кроме того, данную энергетическую установку можно использовать только для получения и использования механических вращательных движений по прямому назначению. Для этого надо исключить из нее генератор электрического тока 43, а механические вращательные движения брать непосредственно с вращающегося вала 39 гидравлического двигателя 38.

Ветровая энергетическая установка может входить как составляющий элемент в систему сотовой или иной радиотелефонной связи. Например, на мачте 46 ветровой энергетической установки 47 может быть установлено оборудование 48 приемно-передающей антенны 49 базовой станции 50 системы (см. фиг.9). В качестве источника электроэнергии, необходимой для осуществления функционирования базовой станции 50, может быть использована (полностью или частично) электроэнергия, вырабатываемая самой ветровой энергетической установкой. Оборудование 48 приемно-передающей антенны 49 можно расположить в любом подходящем месте на мачте 46. На фиг.9 схематически показано установленное оборудование 48 выше уровня паруса 51.

1. Ветровая энергетическая установка, содержащая опору и стержень, прикрепленный одним окончанием к опоре при помощи шарнирного соединения, отличающаяся тем, что стержень соединен с устройством, которое обладает поверхностной площадью и способностью сопротивляться ветровому потоку, а также в автоматическом и (или) ручном режиме может менять величину своей поверхностной площади и перемещаться вдоль стержня, при этом устройство, сопротивляясь ветровому потоку, осуществляет отклонение стержня относительно шарнирного соединения при воздействии на это устройство ветрового потока, стержень также соединен с компенсатором, удерживающим этот стержень в исходном вертикальном положении при отсутствии воздействия ветрового потока на установку и возвращающим стержень в исходное вертикальное положение после окончания воздействия ветрового потока на ветровую энергетическую установку.

2. Ветровая энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что стержень крепится к опоре при помощи шарнирного соединения на расстоянии от окончания стержня.

3. Ветровая энергетическая установка по п.2, отличающаяся тем, что компенсатор крепится к нижнему окончанию стержня в виде компенсационного груза.

4. Ветровая энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство, обладающее поверхностной площадью и возможностью сопротивляться ветровому потоку и осуществлять отклонение стержня относительно шарнирного соединения при воздействии на это устройство ветрового потока, обладает подъемной силой, достаточной для выполнения функций компенсатора.

5. Ветровая энергетическая установка по п.4, отличающаяся тем, что к стержню посредством шарнирного соединения прикреплен поршень насоса, а корпус насоса имеет впускные и выпускные клапаны, соединенные с питающей и напорной магистралями.

6. Ветровая энергетическая установка по п.5, отличающаяся тем, что ее питающая и напорная магистрали имеют собственные впускные и выпускные клапаны.

7. Ветровая энергетическая установка по п.5, отличающаяся тем, что ее питающая магистраль соединена с водоемом нижнего уровня гидроэлектростанции, а напорная магистраль соединена с водоемом верхнего уровня гидроэлектростанции.

8. Ветровая энергетическая установка по п.5, отличающаяся тем, что ее питающая магистраль соединена с источником воды, расположенным на поверхности земли или под землей, а напорная магистраль установки соединяется с водоемом, искусственно сооруженным на возвышении над уровнем земли, при этом этот водоем имеет напорный трубопровод, соединенный с лопастями турбинно-генераторного агрегата, вырабатывающего электроэнергию.

9. Ветровая энергетическая установка по п.5, отличающаяся тем, что ее питающая и напорная магистрали соединены с устройством, в котором происходит преобразование кинетической энергии движущейся жидкости или газа в механическое вращательное движение, которое можно использовать как по прямому назначению, так и для получения электрического тока.

10. Ветровая энергетическая установка по п.8, отличающаяся тем, что на ее стержне установлено оборудование приемно-передающей антенны базовой станции системы радиотелефонной связи, а сама установка полностью или частично обеспечивает подачу электроэнергии на базовую станцию.