Способ и устройство системы волкова для производства энергии методом "парашютного захвата"

Способ и устройство системы волкова для производства энергии методом "парашютного захвата"

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для развертывания ветроэлектростанций практически в любых, даже удаленных и труднодоступных местах. Предлагаемое изобретение, используя в качестве захвата ветрового потока устройство в виде парашюта, позволяет делать ветростанцию очень эффективной, легкой и недорогой.

Аналогом технического решения является способ производства ветроэнергии, предложенный немецким инженером В.Хейманном, где он использовал для усиления ветрового потока ветроулавливатель или по иному концентратор ветрового потока, который повышал вырабатываемую мощность ветрогенератора. Однако слишком сильный ветер был опасен для жесткой конструкции ветроуловителя [1].

В качестве прототипа предложен способ усиления ветрового потока, разработанный советскими изобретателями Н.Красногубом и В.Луценко, которые выполнили раструб ветроуловителя составным [2]. При усилении ветра его верхняя и нижняя пластины поворачиваются, частично перекрывая входное отверстие. Таким образом, частота вращения ветроколеса автоматически поддерживается в расчетных пределах. Однако сложность конструкции и то, что ветроуловитель установлен на высотной мачте, снижает надежность и повышает стоимость ветростанции.

Целью изобретения является повышение эффективности использования и расширение технических возможностей за счет значительного увеличения площади захвата ветрового потока. Так же целью изобретения является значительное снижение стоимости ветростанций за счет снижения затрат на строительство парашютного захвата и диффузора, за счет меньшего диаметра ветроколес, а так же снижения затрат при установке и эксплуатации ветростанции. Кроме того, целью изобретения является повышение надежности ветростанции за счет регулирования положения парашюта, способного укрыть турбины во время очень сильного ветра, а так же увеличение мощности ветростанции, снижение ее веса, улучшение режима регулирования генераторов, т.е. за счет применения в устройстве многоступенчатой турбины и многоступенчатого генератора. Захваченный ветровой поток на вводе его в турбину и выводе из нее проходит сквозь сопло с профилем Лаваля, что позволяет более полно использовать ветровую энергию.

Поставленная цель достигается тем, что известный способ для производства электроэнергии заключается в том, что вращение лопастей ветрогенератора осуществляют за счет ветра, захваченного с помощью установленной на поворотной оси с возможностью поворота по ветру системы концентратор-диффузор, образующей в продольном сечении сопло Лаваля, в узкой части которого установлено ветроколесо, и обеспечивают создание в концентраторе-диффузоре подъемной силы, отличающийся тем, что поворот всей системы по ветру обеспечивают размещением поворотной оси перед концентратором, связанным с ней стропами, создание подъемной силы обеспечивают выполнением концентратора и диффузора скошенной формы, таким образом, что верхние части концентратора и диффузора длиннее их нижних частей, и обеспечивают регулирование площади захвата ветрового потока концентратором путем регулировки длины строп в зависимости от числа оборотов ветроколеса и деформации в держателе строп. Регулировку длины строп осуществляют опираясь на сигналы датчиков слежения оборотов на ветроколесе и усилия деформации в держателе строп. При размещении концентратора и диффузора на водной поверхности их снабжают поплавками. Подъемную силу концентратора и диффузора для поднятия всей станции над землей могут усиливать устройства в виде летающего крыла, герметичной оболочки, наполненной водородом или гелием. Устройство для производства энергии, содержащее установленную на поворотной оси систему концентратор-диффузор ветрового потока, образующую в продольном сечении сопло Лаваля, в узкой части которого установлено ветроколесо, отличающееся тем, что устройство снабжено каркасной рамой, на котором располагается ветроколесо, и имеющими возможность деформироваться каркасными кольцами, удерживающими ткань концентратора и диффузора, поворотная ось размещена перед концентратором и связана с ним стропам, обеспечивающими закрытие-открытие концентратора путем регулировки длины строп, при этом концентратор и диффузор выполнены скошенной формы, таким образом, что верхние части концентратора и диффузора длиннее их нижних частей. На поворотной оси расположены держатель и механизм подтягивания верхних строп, снабженный обратной системой связи с датчиками, отслеживающими нарастающие обороты ветроколеса и деформацию в держателе строп, при этом верхняя часть концентратора выполнена с возможностью подтягивания вплотную к держателю.

Предложенный способ реализует установка, представленная на фиг.1. Установка включает якорь 1, который служит местом крепления всей системы и на нем установлена поворотная втулка 2, к которой крепится держатель 3 для строп 4. Якорь 1 так же служит поворотной осью парашюта. От якоря 1 тянется трос-кабель 5, который крепится к одной из строп 4 и соединяется на противоположном конце с ветроколесом 7. Трос-кабель 5 может совмещать в себе две функции крепежного устройства, т.е. стропы и устройство, проводящего электрический ток, т.е. кабеля. Трос-кабель 5 от якоря 1 к месту потребления электроэнергии может проходить как под землей, так и над землей, но таким образом, чтобы не препятствовать повороту всей станции. Для того чтобы кабель 5 не перекручивался, во втулке 2 могут быть размещены скользящие контакты или кабель скручивается вокруг якоря в виде спирали. Купол 6, который выполнен в виде сопла Лаваля на входе и выходе, снабжен каркасными кольцами 8 специальной формы. Данная форма зависит от варианта "Парашютного захвата", так, например, на фиг.1 изображен "Наземный вариант", поэтому для него каркасные кольца 8 выполняются в виде окружностей, для того чтобы как можно больше захватывать ветровой поток с минимальным трением, при этом используя наименьшее количество ткани. Основное предназначение каркасных колец 8 - это удержание купола 6 в развернутом состоянии в момент безветрия, каркасные кольца могут быть как поперечными, так и продольными.

Ветроколесо 7 состоит из электрогенератора и рабочих лопаток. Кроме того, оно может быть снабжено направляющими лопатками, причем рабочих лопаток может быть сразу же несколько рядов, то есть это может быть многорядная ветротурбина, поэтому ветроколесо, имея достаточно больший вес, располагается на специальной каркасной раме 9. Каркасная рама 9 удерживает ветроколесо 7 и позволяет скользить вдоль поверхности земли, в зависимости от изменения направления ветра. Купол 6, сужаясь в виде сопла Лаваля к ветроколесу 7, за ним переходит в диффузор 10, выполненный так же в виде расширяющего сопла. Система-купол 6 и диффузор 10 составляют в совокупности "Парашютный захват".

Для того чтобы предохранять купол и турбину от разрушения в очень сильный ветер, необходимо его опускать или гасить полностью, для этого предусмотрены специальные стропы - верхние стропы регулировки, которых может быть одна или несколько. Так, например, если начинается очень сильный ветер и требуется погасить купол, то эти стропы подтягиваются к якорю специальным тянущим устройством, которое крепится на держателе 3. Для того, чтобы предотвратить разрушение конструкции от нарастающей мощности ветрового потока, обратная система связи работает, опираясь на сигналы датчиков, которые отслеживают нарастающие обороты турбины, а так же нарастающую деформацию в держателе строп. То есть после превышения определенного показания нарастания оборотов (Фиг.2α), а так же усилия на держатель, верхние стропы начинают подтягиваться к якорю (Фиг.2β) до определенного положения. При этом поперечная площадь захвата ветрового потока парашютом будет уменьшаться. Если обратная связь управления механизмом натяжения строп по датчикам установит, что нагрузка на конструкцию снижена, то натяжение верхних строп прекратиться (Фиг.2w). При снижении ветровой нагрузки купол может вернуться в положение Фиг.2β или Фиг.2α. При увеличении ветровой нагрузки верхняя часть купола подтягивается вплотную к держателю (Фиг.2γ), тем самым конструкция полностью обтекается ветром, не захватывая его внутрь и защищая турбину от разрушения. При ослаблении ветра верхние стропы снова постепенно отпускаются, регулируя свой ход электронной системой слежения. В отличие от аналогов, где предлагалось ранее делать жесткую конструкцию концентратора ветрового потока, данная конструкция не жесткая. Каркасные кольца 8, удерживающие в безветрие ткань купола и диффузора, имеют возможность деформироваться. Они могут быть изготовлены из упругой проволоки, трубки или пластины, а так же из надувной камеры, позволяющей сворачивать или разворачивать всю конструкцию.

"Наземный вариант", изображенный на Фиг.1, характерен тем, что располагается на твердой земляной, песчаной, снежной, ледяной и т.п. поверхности. Это наиболее удобный вариант в обслуживании устройства "Парашютного захвата".

В этом варианте в качестве якорного устройства может служить специальный штырь, вбиваемый в землю, а так же растущее дерево, пень, камень и т.п. естественные зацепы на местности. В качестве строп может применяться обычная стропа, бельевой шнур, стальной тросик и т.п., может быть так же кабель, который напрямую соединен с якорем и турбиной, при этом стропа-кабель будет выполнять двойную функцию.

"Надводный вариант", изображенный на Фиг.3, характерен тем, что устанавливается на водной поверхности озера, моря, реки и т.п. Может быть эффективен там, где до суши достаточно далеко, например, вырабатывать электроэнергию для буровых, расположенных в море. А так же, если земная поверхность, находящаяся рядом, например, с озером, не пригодна для развертывания ветростанции по причине гористой или покрытой лесом поверхности. Устанавливая "Надводный вариант" на озере, появляется возможность маневра ветроэлектростанции по поверхности воды, а кроме того, открытая поверхность водоема всегда богата ветрами, что повышает вырабатываемую мощность станции. Станция подобного типа во время стоянки может подзаряжать батареи морских судов и лодок, после чего быстро сворачиваться и перемещаться до следующей стоянки, при этом данным судам практически не нужно горючее. "Надводный вариант" в виде якоря применяет обычный морской якорь 1 или груз, заменяющий его. Каркасные кольца 8 опираются на поплавки 14, которые могут быть выполнены в виде надувного баллона. Для большей водоустойчивости каркасные кольца 8 могут быть так же выполнены в виде надувных колец (баллона-шины). Система может быть снабжена автоматической подкачкой шин и поплавков за счет электронасосов, питающихся от ветроэлектростанции. "Водный вариант" наиболее подходит для размещения на плавучих платформах мощных электростанций, содержащих сразу несколько ветроколес. Подобная компановка, изображенная на Фиг.3, для поворота по ветру требует специальной рельсовой или скользящей платформы, если ее расположить на твердой поверхности. В случае расположения ветростанции на водной поверхности такой платформы не требуется, под действием ветра она будет поворачиваться вокруг якоря, захватывая основной поток ветра.

"Воздушный вариант" характерен тем, что для установки купола не требуется опорной поверхности, парашют, закрепленный на земле, полностью поднимается в воздух. Может быть достаточно эффективен в связи с тем, что с увеличением высоты скорость ветра усиливается. "Воздушный вариант" универсален и может применяться везде - над ровной, гористой, лесистой и т.п. поверхностью земли, а так же над водой.

При определенной конструкции парашютного захвата всю ветростанцию можно поднять в воздух. На данный момент времени выпускаемые конструкции турбин позволяют это сделать, так как они имеют очень небольшой вес. Для этого нужно конструкцию купола делать более скошенной, то есть верхняя ее часть намного больше выдается к якорю, чем нижняя. При этом набегающий поток, ударяясь в нее, создает подъемную силу для поднятия всей конструкции. Подъем купола обеспечивается за счет его перекоса в сторону земли, перекос создает вертикальную ветровую составляющую, направленную к земле, а ответная сила поднимает станцию вверх. Ветроколесо, имея определенный вес (Фиг.4а), начинает подниматься вверх до оптимальной высоты, где наиболее сильные ветровые потоки. Данный случай изображен на Фиг.4(а).

Для подъема ветростанции на большую высоту подъемную силу купола может усилить парашют летающее крыло 11 или другая парашютная конструкция, используемая на сегодня спортсменами. При этом для снижения длины строп последние прикрепляются к тросу 12. Данная система "Воздушного варианта" изображена на Фиг.4б. Она позволяет улавливать более быстрые потоки ветра верхних слоев атмосферы, удерживает более мощную турбину, а следовательно, становится более эффективной. Для еще большего увеличения эффективности ветростанции парашютный захват может быть выполнен с герметичной оболочкой 13, пустотелой по контуру, в которую может быть закачен водород или гелий. Данная система (Фиг.4в) может подниматься в воздух в полное безветрие у земли или из укрытых от ветра мест, таких как лес и замкнутые горные долины.

В парашютной ветростанции можно использовать очень легкое ветроколесо, при этом для ее работы достаточно закрепить стропы парашюта на любой основе, ветровой поток будет удерживать купол и направляться в турбину. При смене ветра вся система автоматически будет поворачиваться за ним. Применяя для улавливания потока ветра специальный парашют, ветростанция, в собранном виде, становится особенно малогабаритна и может перемещаться в пространстве одним человеком. Для увеличения мощности установки целесообразно использовать имеющийся рельеф местности в виде возвышенности, бокового откоса, скалы, здания, русла реки и т.п., от которого может отражаться дополнительный ветровой поток и направляться в ветростанцию. Низкая стоимость парашютной ветроэлектростанции обусловлена еще тем, что все варианты станций выполнены с концентраторами и диффузорами скошенной формы. Наземный и надводный варианты преследуют возможно больший захват ветрового потока, поэтому верхняя часть концентратора и диффузора длиннее их нижних частей. Так как плоскость твердой или жидкой поверхности сама является отражающей плоскостью, а с другой стороны скорость ветрового потока у этой плоскости минимальна. Поэтому не требуется у этой поверхности применять столько же парашютной ткани, сколько в противоположной стороне.

В "воздушном варианте", как было показано, данный скос позволяет обеспечивать подъемную силу для всей станции. Поэтому данная особенность изготовления парашютного захвата позволяет экономить до 50% материала при его изготовлении, снижая общую себестоимость всей станции. Для доказательства целесообразности применения данных ветростанций в народном хозяйстве рассчитаем их экономическую эффективность в сравнении с традиционными пропеллерными ВЭУ.

Так, например, последние модели гигантских ветростанций, оснащенные ветроколесами, диаметром 36 м, при высокой скорости ветра могут развивать мощность до 2 мВт. Площадь ветрового потока, перекрываемая этими станциями, примерно равна 1000 м². Для того, чтобы перекрыть подобную площадь пространства "парусным" ВЭУ на ровной поверхности поля, потребуется сечение паруса в виде сектора окружности высотой 15 м и шириной 100 м (часть площади фасада пятиэтажной "хрущевки") (Фиг.5). Если на данный парус установить 10 ветроколес диаметром 2,5 м при их поперечной площади 5 м², то соотношение поперечной площади рабочих лопаток к поперечной площади паруса составит 1:20.

Расчет эффективности данных установок проводится с учетом того, что они улавливают один и тот же ветер, равный 10 м/сек. Как известно, по статистике каждый квадратный метр, перекрываемый винтом в стандартном ветряке, вырабатывает при ветре 10 м/с, примерно 215 Вт, следовательно, ветроколесо диаметром 35 м, имея поперечную площадь 1000 м², будет производить 215 кВт. При использовании "паруса" с коэффициентом сужения 1:20, учитывая, что трение достигает 50%, скорость ветра с 10 м/с в узком сечении паруса достигнет скорости 100 м/с [3]. При этой скорости ветроколесо с 1 м² может вырабатывать мощность 210 кВт. Ветроколесо имеет площадь 5 м², следовательно способно вырабатывать 1,05 мВт. Мощность, соответственно, всех десяти ветроколес может составить 10,5 МВт. Это практически в 50 раз больше, чем производит энергию классическая ветростанция с той же площади. Учитывая, что на данный момент времени нет специализированных ветровых турбин для столь высокой скорости ветра и то, что на первой стадии в парашютных ВЭУ придется использовать классические ветротурбины, рассчитанные работать до скорости ветра всего 12,5 м/с, все равно это открывает очень большие возможности для использования парусных ветростанций. Так как, половину года по той же статистике ветер не превышает 4 м/с, следовательно, классические станции это время практически не работают. В отличие от них, парусные станции будут работать постоянно, даже при ветре, достигающем скорости менее 0,5 м/с.

Для завершения оценки эффективности этих станций проведем сравнение их себестоимости. Очень большое сооружение в виде трехлопастного ветряка диаметром 36 м, с высотой опорной башни в 50 м, требует затрат на его строительство и запуск в пределах 1 млн.$. Стоимость ветротурбины для парусной ВЭУ диаметром 2,5 м, в соответствии с сегодняшней стоимостью будет примерно равна 12 тыс.$, десять турбин соответственно будут стоить 120 тыс.$. Парус, состоящий из авиазентовой ткани, в максимальном сечении достигающий 1000 м², по сегодняшним ценам, будет стоить примерно 30 тыс.$. Общая стоимость всей системы парусной ВЭУ, включая крепеж станции и устройство преобразования электроэнергии, будет равна 200 тыс.$. Данное сравнение показывает, что парусная ветростанция, которая может вырабатывать количество электроэнергии, превышающее более чем на порядок энергию, вырабатываемую обычной ветростанцией, по своей стоимости будет ниже, примерно в 5 раз. При этом парусная ВЭУ является мобильной станцией, ее можно быстро сворачивать, перемещать на большие расстояния и снова разворачивать, в отличие от громоздких лопастных станций.

На данный момент времени российскому потребителю предлагаются ветростанции малой мощности 1,5 кВт, выпускаемые в нашей стране, по цене 400000 руб. без аккумуляторов и мачты. Вес ветростанции достигает 50 кг, с мачтой и оборудованием 150 кг. Понятно, что для такого по стоимости весу оборудования в России существует ограниченное число покупателей. С другой стороны одна из фирм США выпустила ветротурбину на 0,4 кВт, весом всего 5 кг по цене 18000 рублей. При этом если взять ее за основу и оснастить парашютным захватом, то для этой турбины не потребуется специальной мачты. Все дополнительное оборудование и аккумуляторы будут вместе с турбиной стоить не более 40000 рублей. При этом мощность парашютной станции может подняться в 8 раз, что составит 2,4 кВт. Поэтому по сравнению с сегодняшними станциями, выпускаемыми в России, она будет значительно мощнее, легче (до 12 кг вся станция) и мобильнее. Основная задача данного изобретения - создать станции, которые мог бы один человек перемещать на большие расстояния. Поэтому они могли бы применяться геологами, оленеводами, охотниками, пограничниками, альпинистами и многими другими профессионалами.

В истории развития ветроэлектростанций [4], были известны концентраторы ветрового потока, так называемые воздуховодные устройства, которые показали, что они могут применяться для уменьшения размеров ветродвигателя, рассчитанных на определенную мощность и увеличения частоты их вращения. Воздуховодные устройства были испытаны в Англии как жесткие металлические конструкции, установленные на той же стойке, что и обычные ветряки. При этом было достигнуто увеличение скорости набегающего потока в 1,5 раза, что обеспечило увеличение мощности в 3,5 раза, по сравнению с мощностью обычного ветродвигателя того же диаметра. На практике, анализируя, на сколько выигрыш в мощности превышает стоимость металлического концентратора, установленного на стойке, пришли к выводу, что устройство малоэффективно.

Как обычно бывает в развитии техники, первый шаг в сторону концентрации ветровых потоков был отвергнут авторитетными специалистами, которые анализировали эффективность несовершенной конструкции. Основной недостаток конструкции был в том, что она располагалась на высокой поворотной оси, что создавало очень большие нагрузки на опору и при сильных порывах ветра избежать ее разрушения было практически невозможно. При малой площади ветрозабора, которая ускоряла поток ветра незначительно, был получен незначительный прирост мощности. Учитывая высокую стоимость конструкции, ее небольшую эффективность и надежность, эксперты естественным образом забраковали данные концентраторы потока, не рассматривая их возможностей при других возможных исполнениях. Как иногда бывает в науке авторитеты в науке могут служить не только двигателем прогресса, но и его тормозом.

В Российском варианте все вышеперечисленные недостатки были устранены. Конструкция парашютной станции не располагается на высокой стойке, так как в этом нет необходимости, поэтому ветротурбина при расположении на земле очень устойчива. Парашютный захват при низкой стоимости своей конструкции может перекрывать большую площадь ветрового потока, позволяя очень сильно его ускорять, а следовательно, получать очень высокий прирост электроэнергии на турбине. Во время сильных ветров станция может легко сворачиваться в ручном или автоматическом режиме, что так же повышает ее долгосрочную работу и не требует сложных систем защиты. То есть, в отличие от первых попыток использовать концентраторы ветрового потока в Российском способе учтены основные критерии работы ветростанции, а именно - надежность, мобильность, низкая себестоимость и высокая эффективность. Все эти принципиальные отличия позволяют как нашим, так и зарубежным энергетикам создавать очень мощные парашютные ветроэлектростанции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент Германии №244992, 1912 г.

2. А.с. СССР №1020623, 1983 г.

3. "Справочник по гидро- и пневмосопротивлению". И.Е.Идельчик, стр.251.

4. Ветроэнергетика. Д. де Рензо, Москва: Энергоатомиздат, 1982 г., стр.60-63.

1. Способ производства электроэнергии, заключающийся в том, что вращение лопастей ветрогенератора осуществляют за счет ветра, захваченного с помощью установленной на поворотной оси с возможностью поворота по ветру системы концентратор-диффузор, образующей в продольном сечении сопло Лаваля, в узкой части которого установлено ветроколесо, и обеспечивают создание в концентраторе-диффузоре подъемной силы, отличающийся тем, что поворот всей системы по ветру обеспечивают размещением поворотной оси перед концентратором, связанным с ней стропами, создание подъемной силы обеспечивают выполнением концентратора и диффузора скошенной формы таким образом, что верхние части концентратора и диффузора длиннее их нижних частей, и обеспечивают регулирование площади захвата ветрового потока концентратором путем регулировки длины строп в зависимости от числа оборотов ветроколеса и деформации в держателе строп.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулировку длины строп осуществляют, опираясь на сигналы датчиков слежения оборотов на ветроколесе и усилия деформации в держателе строп.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при размещении концентратора и диффузора на водной поверхности, их снабжают поплавками.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что подъемную силу концентратора и диффузора для поднятия всей станции над землей могут усиливать устройства в виде летающего крыла, герметичной оболочки, наполненной водородом или гелием.

5. Устройство для производства энергии, содержащее установленную на поворотной оси систему концентратор-диффузор ветрового потока, образующую в продольном сечении сопло Лаваля, в узкой части которого установлено ветроколесо, отличающееся тем, что устройство снабжено каркасной рамой, на которой располагается ветроколесо, и имеющими возможность деформироваться каркасными кольцами, удерживающими ткань концентратора и диффузора, поворотная ось размещена перед концентратором и связана с ним стропами, обеспечивающими закрытие-открытие концентратора путем регулировки длины строп, при этом концентратор и диффузор выполнены скошенной формы таким образом, что верхние части концентратора и диффузора длиннее их нижних частей.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что на поворотной оси расположены держатель и механизм подтягивания верхних строп, снабженный обратной системой связи с датчиками, отслеживающими нарастающие обороты ветроколеса и деформацию в держателе строп, при этом верхняя часть концентратора выполнена с возможностью подтягивания вплотную к держателю.