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 RU2124142

Вітроенергетичні установки

Ім'я винахідника: Орлов І.С .; Соболь Е.А .; Єгоров М.А.
Ім'я патентовласника: Орлов Ігор Сергійович; Соболь Еммануїл Аврамович; Єгоров Михайло Андрійович
Адреса для листування:
Дата початку дії патенту: 1998.03.25

Вітроенергетична установка відноситься до енергетики і забезпечує перетворення енергії вітру в електричну або іншу енергію. Технічний результат полягає в підвищенні ефективності відомих установок за рахунок ступеневої перетворення енергії повітряних потоків і забезпечується тим, що вітроенергетична установка виконана у вигляді встановленого на опорі енергоагрегату, що містить принаймні одну турбіну з сопловим апаратом, механічно пов'язану з генератором, центральну оболонку, кільцеву передню оболонку з принаймні одним вхідним каналом турбіни, що утворить з центральною оболонкою вихідний канал турбіни, а і кільцеву зовнішню оболонку, що утворить з центральною оболонкою діффузорний вихідний канал, причому енергоагрегат забезпечений додатковою кільцевої оболонкою, що утворює з зовнішніми поверхнями передній і центральної оболонок сужающе-розширюється перший проміжний канал, повідомлений в проміжної частини з вихідним каналом турбіни, а з внутрішньою поверхнею зовнішньої оболонки - другий проміжний канал, повідомлений разом з першим проміжним каналом з діффузорним вихідним каналом.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до енергетики і являє собою вітроенергетичну установку, т. Е. Установку для перетворення енергії вітру в електричну або іншу енергію для використання в промисловості, в сільському господарстві і т.п.

Відомі вітроенергетичні установки, що використовують кінетичну енергію повітряних потоків шляхом прямого силового впливу вітру на лопаті вітроколеса або турбіни [1].

Для підвищення ефективності відомих установок змінюють тиск вхідного потоку перед вітроколеса, застосовуючи дифузори та інші конструкції різної геометричної форми, що направляють повітряні потоки.

Установки, що перетворюють кінетичну енергію повітряних потоків шляхом безпосереднього впливу на вітроколеса, ротори Дарині і інші, мають істотний недолік - на лопаті впливає нерівномірний повітряний потік, що створює змінні динамічні навантаження, що призводить до нестабільності параметрів виробляється електричного струму.

Значні втрати енергії пов'язані із застосуванням мультиплікаторів для підвищення числа обертів ротора генератора [1].

Для підвищення ефективності вітроенергетичних установок пропонувалося використовувати подвійний вплив на турбіну прискореного потоку і розрідження з боку вихідного каналу [2].

Описана в патенті [2] станція містить турбіну, електрогенератор, вузол підведення повітряного потоку до турбіни, виконаний у вигляді конфузора, і вузол відведення повітряного потоку за турбіною, з'єднаний із зоною зниженого тиску.

Повітрозабірні частини станції утворюють канали, звужуються в середній частині і виконані з можливістю введення зовнішніх повітряних потоків з двох сторін. Роздільник розподіляє увійшов в канал повітряний потік по двох каналах - впускного і випускного. Один потік через впускний отвір направляється з поворотом на 270 ^o в камеру накопичення, в якій встановлені електричний генератор, мультиплікатор і турбіна. Вихідний патрубок останньої розміщений в камері випуску повітря. Другий потік, прискорюючись в каналі, створює розрідження в звужується частини каналу і забезпечує вихід потоку з камери випуску через систему повітропроводів з декількома поворотами в випускний отвір.

У цій станції має місце втрата енергії в потоці, що надходить в накопичувальну камеру і на турбіну через випускний отвір, внаслідок кількох поворотів потоку, що створюють нерівномірні поля швидкостей, тисків і температур в камері накопичення. Крім того, захаращення вхідного патрубка турбіни мультиплікатором посилює нерівномірність потоку по периметру вхідного патрубка турбіни. Наявність мультиплікатора і викликає додаткові механічні втрати.

Нерівномірність потоку в випускний камері, поворот потоку на 270 ^o від вихідного патрубка турбіни до випускного отвору не дозволяють здійснити з високим ККД перетворення енергії повітряних потоків. Практичне використання описаного пристрою в стаціонарному варіанті з установкою на фундаменті вкрай обмежена у зв'язку з неможливістю орієнтації станції при зміні напрямку вітру.

Наведений в описі до патенту [2] варіант станції, що монтується на башті, і не забезпечує самоорієнтація її у напрямку до вітру.

Така конструкція не передбачає можливість використання енергії обтекающих установку повітряних потоків. Крім того, канали введення і виведення потоку в камери розташовані не по всьому периметру каналу, а або збоку, або в центрі установки. З цієї причини неможливо використовувати внутрішню енергію потоку і його енергію тиску.

Більш досконалою є вітроенергетична установка, що містить зовнішню оболонку, центральне тіло, встановлене на осі симетрії пристрою, всередині якого розміщений електричний генератор [3] - прототип. На валу генератора змонтована турбіна, перед якою розташований конфузор. Кільцеві зазори між центральним тілом і обтічником, внутрішньою поверхнею зовнішньої оболонки і зовнішньою поверхнею обтічника і внутрішньою поверхнею зовнішньої оболонки і поверхнею центрального тіла забезпечують зростання швидкості повітряного потоку в мінімальних перетинах каналів і дозволяють збільшити його кінетичну енергію за рахунок зменшення його внутрішньої енергії і енергії тиску. Установка, по суті, має два ступені, які забезпечують збільшення швидкості потоку при відповідному падінні тиску в мінімальних перетинах повітряних каналів. Розгін потоків в мінімальних перетинах здійснюється під впливом енергії розрідження на донному зрізі установки і за рахунок енергії що надходить в сопло повітряного потоку (перший ступінь) і під впливом розрідження у вихідному перерізі вихлопного патрубка повітряної турбіни і енергії надходить у вхідний сопло турбіни повітряного потоку (другий ступінь ).

Однак досягнення стабільного режиму роботи цієї установки можливо тільки при досить великих швидкостях вітрових потоків.

В даному винаході зазначений недолік в значній мірі усунений тим, що в вітроенергетичної установки у вигляді встановленого на опорі енергоагрегату, що містить принаймні одну турбіну з сопловим апаратом, механічно пов'язану з одним або декількома генераторами, центральну оболонку, кільцеву передню оболонку з принаймні одним вхідним каналом турбіни, що утворить з центральною оболонкою вихідний канал турбіни, а і кільцеву зовнішню оболонку, що утворить з центральною оболонкою діффузорний вихідний канал, енергоагрегат забезпечений додатковою кільцевої оболонкою, що утворює з зовнішніми поверхнями передній і центральної оболонок сужающе-розширюється перший проміжний канал, повідомлений в проміжної частини з вихідним каналом турбіни, а з внутрішньою поверхнею зовнішньої оболонки - другий проміжний канал, повідомлений разом з першим проміжним каналом з діффузорним вихідним каналом, задня кромка зовнішньої оболонки збігається з її максимальним діаметром, вхідний канал і турбіна розташовані по центру передньої оболонки, вхідні канали та турбіни розташовані по поперечному периметру в передній оболонці, генератор забезпечений обтічником і розташований перед турбіною, генератор розташований за турбіною в центральній оболонці, турбіна забезпечена двома або кількома генераторами, вихідна частина додаткової оболонки виконана з можливістю переміщення для зміни перетину суміжних каналів, вихідна частина передній оболонки виконана з можливістю переміщення для зміни перетину суміжних каналів, на задній кромці в меридіональної площині кут нахилу дотичній до зовнішньої поверхні зовнішньої оболонки становить 90-120 ^o відносно площини донного зрізу цієї оболонки, опора виконана у вигляді встановленого на вершині колони шарніра, вісь обертання якого розташована по вітрового потоку перед центром вітрового тиску енергоагрегату, принаймні одна з оболонок заповнена газом, щільність якого менше щільності навколишньої атмосфери, опора виконана у вигляді троса, закріпленого на носовій частині передньої оболонки, трос встановлений горизонтально або похило і кінці його закріплені на штучних або природних висотах, а на енергоагрегатом укріплені крила.

	На фіг. 1 представлений енергоагрегат вітроенергетичної установки; на фіг. 2 - варіант енергоагрегату з декількома турбінами; на фіг. 3 - аксонометрична проекція енергоагрегату по фіг.2; на фіг. 4 - шарнірне кріплення енергоагрегату на колоні; на фіг. 5 - кріплення до тросу енергоагрегату в аеростатних виконанні; на фіг. 6 - вид енергоагрегату з крилами; на фіг. 7 - кріплення енергоагрегату на горизонтальному або похилому тросі.

Вітроенергетична установка виконана у вигляді встановленого на опорі енергоагрегату, що містить принаймні одну турбіну 1 з сопловим апаратом 2. Вал турбіни 1 механічно пов'язаний з генератором 3. Під терміном "генератор" тут слід розуміти не тільки генератор електричного струму, але будь-який пристрій для перетворення механічної енергії в будь-який вид енергії, зручною для використання в конкретних обставинах. Це може бути, наприклад, насос в системі гідроприводу, компресор пневмопривода і т. П. Енергоагрегатом містить і центральну оболонку 4, кільцеву передню оболонку 5 з принаймні одним вхідним каналом 6 турбіни 1, що утворює з центральної оболонкою 4 вихідний канал 7 турбіни 1 , а й кільцеву зовнішню оболонку 8, що утворить з центральною оболонкою 4 діффузорний вихідний канал 9. Особливість енергоагрегату полягає в тому, що він забезпечений додатковою кільцевої оболонкою 10, що утворює з зовнішніми поверхнями передній 5 та центральної 4 оболонок сужающе-розширюється перший проміжний канал 11, повідомлений в проміжної частини з вихідним каналом 7 турбіни 3, а з внутрішньою поверхнею зовнішньої оболонки 8 - другий проміжний канал 12, повідомлений разом з першим проміжним каналом 11 з діффузорним вихідним каналом 9. Задня кромка 13 зовнішньої оболонки 8 збігається з її максимальним діаметром. В одному з варіантів (див. Фіг.1) вхідний канал 6 і турбіна 1 розташовані по центру передньої оболонки 5. В іншому варіанті (см.фіг.2) вхідні канали 6 і турбіни 1 розташовані по поперечному периметру в передній оболонці 5. Генератор 3 може бути розташований за турбіною 1, а і перед нею. В останньому випадку генератор 3 забезпечений обтічником 14. У всіх варіантах турбіна може бути з'єднана з одним або декількома генераторами, розташованими як перед турбіною, так і за нею.

Вихідна частина 15 додаткової оболонки 10 може бути виконана з можливістю переміщення (тобто повороти або осьові переміщення) для зміни перетину суміжних каналів 11 і 12, а вихідна частина 16 передньої оболонки 5 виконана з можливістю переміщення для зміни перетину суміжних каналів 7 і 11 . Частини 15 і 16 можуть бути сконструйовані регульованими, тобто з поворотними стулками і проставкамі.

На задній кромці 13 в меридіональної площині кут нахилу дотичній до зовнішньої поверхні зовнішньої оболонки 8 становить 90-120 ^o відносно площини донного зрізу цієї оболонки (см.фіг.1).

Опора енергоагрегату може бути виконана у вигляді встановленого на вершині колони 17 шарніра 18, наприклад, циліндричного. Вісь обертання шарніра розташована по вітрового потоку перед і в одній площині з центром вітрового тиску Р енергоагрегату. Р є точкою докладання рівнодіюча аеродинамічних сил, що впливають на енергоагрегат при обтіканні його вітровим потоком. Таке виконання забезпечує розворот енергоагрегату на вітер при будь-якому напрямку останнього.

Принаймні одна з оболонок енергоагрегату може бути заповнена газом, щільність якого менше щільності навколишньої атмосфери (аеростатних виконання). В цьому випадку опора енергоагрегату може бути виконана у вигляді троса 19, один кінець якого закріплений на землі, а інший - на носовій частині передньої оболонки 5 (см.фіг.5). Трос 19 може бути встановлений горизонтально або похило, і кінці його закріплені на штучних або природних висотах (см.фіг.7). Як показано на фіг.6, на енергоагрегатом можуть бути укріплені крила 20 для створення додаткової підйомної сили при вітрі.

Оболонки енергоагрегату з'єднані в єдину конструкцію за допомогою перемичок 21 і 22, як це показано на Фіг.3.

Вітроенергетична установка працює наступним чином.

Вільний повітряний потік, що рухається уздовж поверхні зовнішньої оболонки 8 установки, за рахунок ежекції створює розрідження на донному зрізі установки. Причому зона ефективного впливу цього потоку, який бере участь у створенні розрідження, становить не менше одного діаметра донного зрізу установки, тобто в цьому процесі бере участь кільцевої повітряний потік, найбільший діаметр якого не менше трьох діаметрів донного зрізу установки. Енергію цього потоку можна визначити за допомогою першого закону термодинаміки, або розрахувати за формулою для визначення пружної енергії газу, або іншими відомими способами.

Вступник під вхідний перетин каналу 12 повітряний потік має певний запас енергії, що розраховується відомими способами.

Під впливом двох потоків енергії з боку вхідного каналу і з боку донного зрізу повітряний потік в мінімальному перетині каналу 12 в зоні задньої кромки 15 додаткової оболонки 10 досягає максимальної швидкості, т. Е. Кінетична енергія потоку різко зростає, і цей процес пов'язаний із зменшенням ентальпії потоку. Відповідно зі зростанням швидкості відбувається зниження тиску в цьому перерізі, величину якого позначимо Р <1. Це тиск буде істотно нижче, ніж тиск Р ₀ у вільному потоці. Тиск у вихідному перерізі каналу 11 і дорівнюватиме Р _1. Отже, на повітряний канал 11 впливають і дві енергії - одна з боку вихідного перетину каналу 11, інша з боку його вхідного перетину. Вектори впливу цих енергій на потік збігаються. Взаємодія цих енергій призведе до суттєвого зростання швидкості в мінімальному перетині каналу 11 (в зоні задньої кромки передньої оболонки 5) і відповідного зниження тиску в цій зоні. Так, якщо умовно прийняти, що тиск у вихідний частини каналу 12 складе Р ₁ = 0,85-0,9 Р _0, то тиск Р ₂ в зоні мінімального перетину каналу 11 складе Р ₂ = 0,7-0,75 Р ₀ .

Тиск у вихідному перерізі повітряного каналу 6 і дорівнюватиме Р _2. У мінімальному перетині каналу 6 встановлена ​​повітряна турбіна 1 з напрямних сопловим апаратом 2, і в цьому перерізі (на турбіні) швидкість повітряного потоку за рахунок взаємодії енергії надходить в канал 6 повітряного потоку і розрідження досягне максимальної величини - місцевої швидкості звуку або близькою до неї. Кінетична енергія на турбіні 1 являє собою располагаемую роботу, яка буде перетворена в обертання турбіни 1 і пов'язаних з нею електричних генераторів 3.

Процеси перетворення енергії в каналах установки ідентичні процесам, що відбуваються в соплах Лаваля, і мінімальний тиск потоку в робочій зоні турбіни дорівнюватиме Р ₃ = 0,528 Р ₀ або трохи вище в залежності від швидкості вільного потоку. Повітряні турбіни працездатні навіть при незначних перепадах тиску, і установка буде працювати при швидкостях вільного повітряного потоку V ₀ = 5-7 м / с, але кількість виробленої електроенергії буде менше.

Таким чином, у пропонованій вітроенергетичної установки, на відміну від розглянутих раніше аналогів (див. [2] і [3]), з'явилася можливість використання енергії обтекающих установку вітрових потоків. А на відміну від прототипу [4] більш ефективно реалізується ступеневу перетворення енергії повітряних потоків, обумовлене одночасною взаємодією на повітряні потоки в каналах як енергій надходять в канали потоків, так і енергій розрідження в їх вихідних перетинах.

Пропоновані вітроенергетичні установки найбільш ефективно використовувати в районах з підвищеними швидкостями вітру, наприклад на островах, морському узбережжі, в горах і т.п.

Установки можуть монтуватися в різних варіантах (фіг.7): на колонах (вежах), підвішуватися гірляндами на тросах, закріплюватися на будь-яких опорах (в гірській ущелині). У районах, де середні швидкості вітру невеликі, можна застосовувати аеростатний варіант установки шляхом заповнення її герметичних оболонок, наприклад, гелієм, або використовуючи підігрів повітря всередині оболонок, або використовуючи інші відомі способи.

Існуючий рівень розвитку електротехніки дозволяє застосовувати в установці практично без будь-яких змін серійно випускаються промисловістю високооборотні електричні генератори, і серійно випускаються повітряні турбіни в комплекті з сопловими напрямними апаратами, наприклад, повітряні турбіни енергетичних установок літаків і інших літальних апаратів, вузли турбодетандеров тощо. доцільно виготовляти турбогенератори вузли в зборі, тобто повної заводської готовності для скорочення витрат часу і коштів на монтаж установок на місці їх експлуатації. Вага високо оборотного електрогенератора потужністю 1000 кВт не перевищує 700 кг, а загальна вага турбогенераторного вузла такої потужності буде складати трохи більше однієї тонни. Оболонки установок можуть виготовлятися з різних матеріалів по давно відпрацьованими технологіями в залежності від потужності і типу установки - композитних матеріалів, прокату алюмінієвих сплавів, пластмас та інших матеріалів. Оболонки можуть бути збірними із сегментів, надувними тощо.

ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ

1. Вітроенергетика. Під ред. Д. де Рензо. - М .: Вища школа, 1982, с.81-96.

2. Патент Японії 62-11190, кл. F 03 D 1/00, 1987.

3. Опис винаходу до заявки РСТ / RU 00131, опубл. ВОІВ 06.11.97 (прототип).

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Вітроенергетична установка у вигляді встановленого на опорі енергоагрегату, що містить принаймні одну турбіну з сопловим апаратом, механічно пов'язану з генератором, центральну оболонку, кільцеву передню оболонку з принаймні одним вхідним каналом турбіни, що утворить з центральною оболонкою вихідний канал турбіни, а і кільцеву зовнішню оболонку, що утворить з центральною оболонкою діффузорний вихідний канал, що відрізняється тим, що енергоагрегат забезпечений додатковою кільцевої оболонкою, що утворює з зовнішніми поверхнями передній і центральної оболонок сужающе-розширюється перший проміжний канал, повідомлений в проміжної частини з вихідним каналом турбіни, а з внутрішньої поверхнею зовнішньої оболонки - другий проміжний канал, повідомлений разом з першим проміжним каналом з діффузорним вихідним каналом.

2. Установка по п.1, що відрізняється тим, що задня кромка зовнішньої оболонки збігається з її максимальним діаметром.

3. Установка по п.1 або 2, яка відрізняється тим, що вхідний канал і турбіна розташовані по центру передньої оболонки.

4. Установка по п.1, що відрізняється тим, що вхідні канали та турбіни розташовані по поперечному периметру в передній оболонці.

5. Установка по п.1, що відрізняється тим, що генератор забезпечений обтічником і розташований перед турбіною або за турбіною в центральній оболонці.

6. Установка по п.1, що відрізняється тим, що турбіна забезпечена двома або більше генераторами і вони розташовані як перед турбіною, так і за нею.

7. Установка по кожному з пп.1 - 6, яка відрізняється тим, що вихідна частина додаткової оболонки виконана з можливістю переміщення для зміни перетину суміжних каналів.

8. Установка по кожному з пп.1 - 7, яка відрізняється тим, що вихідна частина передньої оболонки виконана з можливістю переміщення для зміни перетину суміжних каналів.

9. Установка по кожному з пп.1 - 8, яка відрізняється тим, що на задній кромці в меридіональної площині кут нахилу дотичній до зовнішньої поверхні зовнішньої оболонки становить 90 - 120 ^o відносно площини донного зрізу цієї оболонки.

10. Установка по п.1, що відрізняється тим, що опора виконана у вигляді встановленого на вершині колони шарніра, вісь обертання якого розташована по вітрового потоку перед центром вітрового тиску енергоагрегату.

11. Установка по п.1, що відрізняється тим, що принаймні одна з оболонок заповнена газом, щільність якого менше щільності атмосфери.

12. Установка за п. 1, яка відрізняється тим, що опора виконана у вигляді троса, закріпленого на носовій частині передньої оболонки.

13. Установка по п.12, що відрізняється тим, що трос встановлений горизонтально або похило, а кінці його закріплені на штучних або природних висотах.

14. Установка по кожному з пп.1 - 13, відрізняється тим, що на енергоагрегатом укріплені крила.

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