початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2261362

Термодинамічний Вітроенергетичні установки (АТВУ)

Ім'я винахідника:
Ім'я патентовласника: Міодраг Шкобаль (RU)
Адреса для листування: 119313, Москва, Ленінський пр-кт, 93, корп.2, кв.120, М.Шкобаль
Дата початку дії патенту: 2003.07.10

Винахід відноситься до області вітроенергетики. Технічний результат полягає в підвищенні ККД (коефіцієнт корисної дії) вітроустановки і надійності, спрощення конструкції, експлуатації та обслуговування. Аеродинамічна вітроенергетична установка містить генератор, турбіну, витяжний кільцеве крило з внутрішньою поверхнею «Де-Лаваль», що є несучим елементом і оснащене флюгерної поверхнею, що несуть радіальні кронштейни, кабіну генератора з обтічної зовнішньою поверхнею з внутрішньої несучою конструкцією для опор генератора і опори турбіни, вхідний нерухомий конус, радіальні кронштейни, вхідний кільцеве крило, опорну щоглу, поворотний стенд з струмознімачами, який здійснює комунікацію між кабіною генератора і опорною щоглою, причому профіль вхідного кільцевого крила виконаний в парі з витяжним кільцевим крилом.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до енергетики і являє собою термодинамічний вітроенергетичну установку АТВУ (ATWT - AeroThermodynamic Wind Turbine), призначену для перетворення кінетичної енергії вітру, в тому числі зі значною турбулентної складової, в електричну енергію. Призначена для застосування в промисловості, міському і сільському комунальному господарстві тощо (в складі вітропарків або окремих установок).

Відомі вітроенергетичні установки (ВЕУ), що перетворюють енергію вітру для отримання механічної або електричної енергії, в яких в якості робочого елемента використовується гвинт (ветроколесо), ротор Дарині і т.п. До недоліків їх конструкції слід віднести великі габаритні розміри, нестабільність динамічних навантажень, що ведуть до нестабільності параметрів виробляється електричного струму, що веде до необхідності застосування спеціальних стабілізуючих пристроїв.

Крім того, практика використання великої кількості вітрогенераторів в складі вітропарків показує, що створюване такими установками шумове поле є небезпечним для здоров'я людини, оскільки його частота знаходиться в інфразвукових діапазоні (4-7 Hz), що по екологічним нормам неприпустимо.

В даний час відома і більш ефективна вітроенергетична установка роторного типу, по технічному пристрої і істотним ознаками найбільш близька до представленого винаходу, яка прийнята в якості прототипу, а саме RU 2124142 С1, 27.12.1998, кл. 6 F 03 D 1/04, що містить встановлений на опорі енергоагрегат, з сопловим апаратом і двома або більше турбінами, механічно пов'язаними з генератором, з обтічної оболонкою з крилами, заповненої газом, щільність якого менше щільності атмосфери, виконаної з можливістю переміщення для зміни перетину суміжних каналів. Основними недоліками прототипу є: складність конструкції, невисока надійність в експлуатації, висока вартість установки.

Технічний результат винаходу полягає в підвищенні ККД (Коефіцієнта корисної дії) вітроенергетичної установки, простоті конструкції, забезпеченні високої надійності, зниження шумності, простоті експлуатації і обслуговування, порівняно невисокій вартості виготовлення.

Технічний результат винаходу забезпечується застосуванням легких і дешевих матеріалів, простотою технології виготовлення, доступністю до обертових агрегатів, застосуванням мінімуму автоматизації управління.

Термодинамічний вітроенергетична установка складається з генератора, механічно пов'язаного з турбіною, витяжного кільцевого крила з внутрішньою поверхнею, виконаної за профілем «Де-Лаваль», що є несучим елементом установки і оснащеного флюгерної поверхнею, що забезпечує орієнтацію за вітром, несучих радіальних кронштейнів для кріплення генератора, кабіни генератора з обтічної зовнішньою поверхнею і з внутрішньої несучою конструкцією для опор генератора і опори турбіни, вхідного нерухомого конуса, який закриває ротор турбіни, радіальних кронштейнів, що несуть вхідний конус, вхідного кільцевого крила, що має замкнутий контур для обертання ротора турбіни, опорної щогли установки і поворотного стенда з струмознімачами, здійснює комунікацію між кабіною генератора і опорною щоглою, причому профіль вхідного кільцевого крила виконаний в парі з витяжним кільцевим крилом. Флюгерна поверхню містить датчик швидкості вітру і сигнальну лампочку, вхідний конус являє собою обтічну конічну поверхню з скло пластика, а лопатки ротора турбіни виконані з полімерів або склопластику. Кабіна генератора з'єднана трубним проходом з поворотним стендом для доступу до обертових агрегатів. Опорна щогла виконана у вигляді циліндричної металевий конструкції, укріпленої на анкерах бетонного фундаменту і має внутрішні сходи для поворотного стенда, кабельні лінії та освітлення.

Представлене винахід пояснюється наведеними кресленнями.

На Фиг.1 показана аеродинамічна вітроенергетична установка, загальний вигляд. На Фіг.2 - вид А по Фиг.1 На Фіг.3 - вид Б по Фиг.1, принципова схема пристрою установки. Вид А - профіль передньої кромки витяжного кільцевого крила. Вид Б - відбійний козирок витяжного кільцевого крила. На фіг.4 показана аеродинамічна схема пристрою установки. На Фіг.5 показана схема орієнтації установки за вітром. На Фіг.6 показана схема аеродинамічного дії на диск турбіни установки. На Фіг.7 показана схема гасіння турбулентності повітряних потоків в установці. На Фіг.8 показана диспозиційна (компоновочная) схема установки.

Термодинамічний вітроенергетична установка складається з витяжного кільцевого крила 5 з флюгерної поверхнею 1, вхідного кільцевого крила 10, турбіни 9, механічно пов'язаного з нею електрогенератора, укладеного в обтічну кабіну 4, нерухомого вхідного конуса 8, закріплених несучими радіальними кронштейнами 7 до вхідного кільцевому крилу 10 і витяжному кільцевому крилу 5, закріпленого за допомогою поворотного стенда з струмознімачами 11 на опорній щоглі 12.

Витяжний кільцеве крило 5 має такі конструктивні особливості:

- Внутрішня поверхня витяжного кільцевого крила 5 виконана за профілем «Де-Лаваль» (див. Bojan Kraut , 1988, с 201). Матеріал крила - будь легке аеродинамічний покриття (сплави алюмінію, склопластик і т.п.) зі стільниковим або мінватним наповненням.

- Передня кромка 6 витяжного кільцевого крила 5 має профіль, що створює вхідний тороидальний (кільцевий) повітряний вихор 13, який додатково збільшує масовий протока повітря 16 через турбіну 9.

- По периметру вихідний кромки витяжного кільцевого крила 5 є зовнішній кільцевої відбійний козирок 2, що створює вихідний тороїдальний (кільцевий) повітряний вихор 15, який додатково прискорює повітряний потік 18.

Флюгерна поверхню 1 забезпечує без застосування додаткових механізмів і пристосувань орієнтацію установки за вітром по осі обертання 20. флюгерна поверхню 1 оснащена датчиком швидкості вітру, пристроєм громовідводу і сигнальною лампою.

У кабіні генератора 4 з обтічної зовнішньою поверхнею і внутрішньої несучою конструкцією для кріплення турбіни і генератора передбачений доступ для огляду і ремонту.

Несучі радіальні кронштейни 7 вхідного кільцевого крила 10, а й несучі радіальні кронштейни 3 кріплення вхідного конуса 8 і кабіни генератора 4 виконані за типом конструктивних елементів, що застосовуються в авіабудуванні.

Турбіна 9 розташована всередині вхідного кільцевого крила 10, в задній його частині, де повітряний потік 18 має максимальну щільність і швидкість, що забезпечує максимальний ККД

ПРИНЦИП РОБОТИ УСТАНОВКИ

Повітряний потік 16, що рухається уздовж осі установки, орієнтованої за вітром завдяки флюгерної поверхні 1 витяжного кільцевого крила 5, потрапляє на турбіну 9, змушуючи її обертатися. Генератор 4, закріплений на одній осі з турбіною 9, виробляє електричний струм, який знімається через струмозйомники поворотного стенда 11.

Для підвищення ефективності установки передбачені наступні особливості конструкції.

1. Завдяки профілю передньої кромки витяжного кільцевого крила 5, що створює на вході тороидальний (кільцевий) повітряний вихор 13, на вході в турбіну 9 створюється конвергентний потік, що набігає повітря 17, за рахунок чого масовий приплив повітря на турбіну 9 збільшується.

2. Форма вхідного кільцевого крила 10 і його положення в установці з кільцевих зазором 14 дозволяє погасити турбулентність вхідного потоку повітря 19 і направити його на лопаті турбіни 9.

3. Форма внутрішньої поверхні витяжного кільцевого крила 5, виконаної за профілем «Де-Лаваля», сприяє створенню зони розрядження в задній частині установки 18, за турбіною 9, що істотно збільшує швидкість повітряного потоку на турбіні.

4. Кільцевій відбійний козирок 2 створює вихідний тороїдальний (кільцевий) повітряний вихор 15, прискорює швидкість повітряного потоку, створюючи додаткове розрядження в повітряному потоці 18 за турбіною 9.

Завдяки перерахованим конструктивним особливостям пропонованої установки, поривчастий і турбулентний повітряний потік 19 всередині установки стабілізується і в робочій зоні турбіни стає ламінарним і з підвищенням тиску, максимальним за швидкістю і щільності, що підвищує ефективність установки і стабільність вироблення електроенергії.

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ

Приповерхневі вітрові потоки мають явно вираженим профілем швидкості в залежності від висоти і значною турбулентної складової, яка залежить від місцевого рельєфу, забудов і рослинного покриву. Рухомі повітряні маси мають високу енергію (кінетичну, термодинамічну і барометрическую) kW / m ³ [1]

E - Загальна енергія повітряного потоку [kW / m ^3],

E _до - кінетична енергія повітряного потоку = ( ^2/2),

E _т - термодинамічна енергія повітряного потоку = i (енталпія),

Е _в - барометрична енергія повітряного потоку = RT = pV.

Отже, енергія вітру залежить від стану повітряних мас [2]:

- Щільність повітря,

- Швидкість повітря,

Т - температура повітря,

р - барометричний тиск.

Специфічна енергія е = F ( , , Т, р) [kW / kg].

Застосуванням аеродинамічної установки (турбіни) можна утилізувати комплексно енергію, що міститься в вітрі.

Турбіна приймає всю трансформовану енергію вітру на установці. В установці відбуваються такі зміни стану набіг вітру:

1. Зростання швидкості _w на вході в турбіну 21 за рахунок:

- Конвергенції кільцевого крила 10 і редукції проточного перетину за рахунок вхідного конуса 8;

- Конвергенції набігаючого повітряного потоку під дією всмоктуючого ротора 13.

2. Зростання тиску 16 ph на вході в турбіну 9 за рахунок:

- Перешкоди струмені повітря з боку диска турбіни 9;

- погашення pW вихрових рухів в кільцевому зазорі між вхідним кільцевим крилом 10 і вхідним конусом 8.

3. Збільшується к.к.д. турбіни за рахунок роботи її в замкнутому контурі (кільцевому просвіті) без індуктивного опору.

4. За диском турбіни 9 створюється розрядження pV 23 за рахунок:

- Відсмоктує дії повітряного струменя РV1 18;

- Додаткового прискорення повітряного струменя pV2 в профілі «Де-Лаваля»;

- Відсмоктує дії аеродинамічного генератора pV3 15 на виході з витяжної кільцевого крила 5, додатково прискорює повітряний потік 18;

- Падіння парціального тиску водяної пари в повітрі в результаті конденсації, яка відбувається при адіабатичній експансії через турбіну pV4 (ежекторне охолодження) в разі виходу за рамки конденсації.

5. Виникнення аеродинамічного моменту, що орієнтує установку за вітром на поверхнях:

- Лобового перетину вхідного кільцевого крила 10 + MI;

- Зовнішній поверхні витяжного кільцевого крила 5 - MII;

- Флюгерної поверхні 1 - MIII.

При цьому:

М _II + М _III>M I (протилежний напрямок дії - врівноважується)

М = f ( ), При = 0 ° стан рівноваги, і аеродинамічні моменти відсутні.

- Сила, реалізована на турбіні [3]:

_p h - додатковий тиск набігаючого потоку на диск турбіни,

р _v - додатковий розрядження повітряного потоку за диском турбіни,

А [n ^2] - поверхню розтину вхідного кільцевого крила,

- швидкість вітру,

_p h [N / m ^2] - функція конструкції установки,

_p v [N / m ^2] - функція конструкції установки,

- К.к.д.,

_ATWT [%] значно вище> _ВЕУ класичної гвинтовий ВЕУ за рахунок синергетичних дій:

- Конвергенції повітряного потоку;

- Погашення турбулентних потоків;

- Збільшення обсягу вхідного повітря;

- Дії переднього аеродинамічного генератора;

- Дії заднього аеродинамічного генератора;

- Роботи турбіни в замкнутому контурі;

- складовою pV за рахунок парціального тиску водяної пари;

- Ежекторного (витягує) ефекту зі зворотного боку турбіни;

- Турбіна має вище ККД, ніж гвинт.

Так як загальний _ATWT [%] установки є функцією швидкості вітру, що діє на установку тоді дійсно [4]:

або

де ВЕУ - класична вітроенергетична установка гвинтового типу. За класичними аеродинамічним розрахунками в області звичайних вітрів 4 ÷ 6 [м / с]:

що само собою доводить перевагу установки перед класичної ВЕУ гвинтового типу.

Установка схильна до вітрових навантажень на заданій висоті, яка визначається відстанню осі обертання турбіни від горизонту грунту, на якому установка зведена. Так як установка здатна гасити і утилізувати турбулентність вітрових потоків, вона по висоті встановлення не дуже вимоглива, а її менший ротаційний діаметр трохи обумовлює цього. Єдине вимоги по висоті установки - щоб вона була достатня для доступу до інтенсивних повітряним струменям, не вимагаючи при цьому, щоб ці потоки були ламінарними.

Завдяки спеціальному профілю 6 передньої кромки витяжного кільцевого крила 5, що створює вхідний тороидальний повітряний вихор 13, на вході в турбіну 9 формується конвергентний потік, що набігає вітру 21, за рахунок чого збільшується масовий приплив повітря, що відрізняє установку від класичних установок гвинтового типу: [7]

_D i - діаметр передньої (вхідний) частини витяжного кільцевого крила,

- Щільність повітря,

До _до - коефіцієнт конвергенції вітрової струменя:

До _до = f _(V w); До _до> 1 (див. [6]).

Збільшений масовий повітряний потік 17 утилізується на турбіні 9 завдяки витяжному (ежекторному) дії витяжної кільцевого крила 5. Збільшений масовий повітряний потік збільшує енерговіддачу, а й забезпечує зростання тиску 22 перед диском турбіни 9.

Повітряний струмінь в кільцевому зазорі між двома кільцевими профілями 14 прискорюється і за диском турбіни 9 створюється зона вакууму 23, що створює додатковий момент на валу турбіни і поглинає збільшений (конвергованої) повітряний потік 17 на вході у вхідний кільцеве крило 10. Таким чином, забезпечується проходження повітряного потоку через турбіну без турбулентних завихрень, що гальмують повітряний потік, і тоді _p h [2] = max, що забезпечує максимальне навантаження турбіни.

Вихідна повітряний струмінь первинно прискорюється в кільцевому зазорі 14, потім продовжує прискорюватися за рахунок внутрішнього профілю витяжного кільцевого крила 5 (Де-Лаваль), згладжуючи турбулентності і посилюючи весь масовий проток через турбіну 9, і тоді р _h [2] = max, що забезпечує максимальне навантаження турбіни.

Прискорення виходить потоку ще додатково збільшується за рахунок дії зовнішнього кільцевого козирка 2 по периметру вихідний кромки витяжного кільцевого крила 5, генеруючого вихідний тороїдальний вихор 15.

Представлена ​​установка має суттєві переваги перед відомими аналогами, так як вона значно ефективніше перетворює кінетичну енергію вітрового потоку в електричну енергію і не вимагає механізму для повороту за вітром. Крім того, установка відрізняється від інших ВЕУ простотою конструкції, оскільки самим технологічно складним вузлом конструкції є виконана за профілем «Де-Лаваля» внутрішня поверхня витяжного кільцевого крила.

1. Установка утилізує всі складові енергії вітру (термодинаміка рухомих мас суміші газів).

2. Встановлення значно прискорює на вході в робочу зону турбіни набігає повітряний потік, збільшує кінетичну складову його енергії, створює оптимальний режим роботи для турбіни і не генерує інфразвук.

3. Установка створює низький тиск (вакуум) за диском турбіни і тим самим збільшує перепад тиску, який реалізується на турбіні.

4. Установка створює конвергенцію набіг повітряного потоку, збільшуючи таким чином масовий протока повітря (і реалізовану енергію на турбіні) через установку.

5. Установка сама орієнтується за вітром завдяки флюгерної поверхні витяжного кільцевого крила.

6. В установці адіабатична експансія проходить через турбіну повітряного потоку створює перепад температури ( tT), який додатково збільшує вакуум за диском турбіни, що призводить до додаткової конденсації атмосферної вологи, яку можна збирати.

7. Установка забезпечує досить високе число обертів на турбіні, що дозволяє застосовувати низькошвидкісні асинхронні генератори без редукторів (мультиплікаторів).

8. Встановлення у порівнянні з іншими ВЕУ є низьким джерелом шуму, так як всі джерела шуму закриті в об'ємному корпусі; а інфразвукова складова взагалі відсутня.

9. Установка ефективно утилізує енергію турбулентних потоків і поривів вітру, що робить її придатною в географічних районах зі складною топографією. Таким чином, установка не надто вимоглива до висоти її установки.

10. Установка відрізняється технологічної простотою конструкції (для виконання, для експлуатації, для монтажу і для ремонту) з найпростішої електронної автоматизацією.

11. Завдяки прискоренню повітряного струменя на вході установка має більш низький поріг включення (виробляє електрику вже при мінімальних швидкостях вітру) в порівнянні з подібними ВЕУ.

12. Пропонована установка порівняльних недоліків, як таких, не має і є лише поліпшення параметрів і характеристик існуючих ВЕУ.

13. Встановлення більш сумісна з екологічним оточенням, ніж інші існуючі в даний час ВЕУ.

ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ

1. Willy JG Flugzeugtriebwerke;

2. Erich Hau, Windkraftanlagen;

3. Eckhard Rebhan (Hrsg.), Energiehandbuch;

4. Hutte, Die Grundlagen der Ingenierwissenschaften;

5. Horst Crome, Handbuch Windenergie Technik;

6. Robert Y. Redlinger, Per Dannemand Andersen, Poul Erik Morthorst, Wind Energy in the 21 ^{st Century;}

7. Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bossanyi, Wind Energy Handbook;

8. Т.Е.Faber, Fluid dynamics for physicists;

9. European Wind Atlas, Copyright © 1 989 by Rise National Laboratory;

10. Bojan Kraut Kniga, Zagreb, 1988.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Аеродинамічна вітроенергетична установка, що містить генератор, турбіну, витяжний кільцеве крило з внутрішньою поверхнею, виконаної за профілем «Де-Лаваль», що є несучим елементом установки і оснащене флюгерної поверхнею, що забезпечує орієнтацію за вітром, що несуть радіальні кронштейни для кріплення генератора, кабіну генератора з обтічної зовнішньою поверхнею і з внутрішньої несучою конструкцією для опор генератора і опори турбіни, вхідний нерухомий конус, що закриває ротор турбіни, радіальні кронштейни, що несуть вхідний конус, вхідний кільцеве крило, яке має замкнутий контур для обертання ротора турбіни, опорну щоглу установки і поворотний стенд з струмознімачами, який здійснює комунікацію між кабіною генератора і опорною щоглою, причому профіль вхідного кільцевого крила виконаний в парі з витяжним кільцевим крилом.

2. Установка по п.1, що відрізняється тим, що флюгерна поверхню містить датчик швидкості вітру і сигнальну лампочку, вхідний конус являє собою обтічну конічну поверхню зі склопластику, а лопатки ротора турбіни виконані з полімерів або склопластику.

3. Установка по п.1, що відрізняється тим, що кабіна генератора з'єднана трубним проходом з поворотним стендом для доступу до обертових агрегатів.

4. Установка по п.1, що відрізняється тим, що опорна щогла виконана у вигляді циліндричної металевої конструкції, укріпленої на анкерах бетонного фундаменту і має внутрішні сходи для поворотного стенда, кабельні лінії та освітлення.

Версія для друку
Дата публікації 30.01.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів