Ветроэнергетическая установка

 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам для преобразования энергии ветра в электрическую или иную энергию. Технический результат, заключающийся в повышении эффективности преобразования энергии ветрового потока в полезную электрическую энергию, обеспечивается за счет того, что в ветроэнергетической установке, выполненной в виде энергоагрегата, содержащего турбину, механически связанную с генератором, центральную оболочку, кольцевую переднюю оболочку с, по крайней мере, одним входным каналом, образующую с центральной оболочкой малый диффузорный выходной канал, кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой большой диффузорно-конфузорный канал, а также дополнительную кольцевую оболочку, образующую с внешними поверхностями передней и центральной оболочек сужающийся - расширяющийся первый промежуточный канал, сообщенный в промежуточной части с малым диффузорным выходным каналом, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом с большим диффузорно-конфузорным каналом, согласно изобретению турбина турбогенераторного узла расположена в большом диффузорно-конфузорном канале. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к энергетике и представляет собой ветроэнергетическую установку, т.е. установку для преобразования энергии ветра в электрическую или иную энергию для использования в промышленности, сельском хозяйстве и т.п.

Издавна известны ветроэнергетические установки, использующие кинетическую энергию воздушных потоков путем прямого силового воздействия ветра и лопастей ветроколеса или турбины /"Ветроэнергетика". Под редакцией Д.де Рензо. М.: Энергоатомиздат, 1982, стр. 81-96/.

Известна также более эффективная ветроэнергетическая установка, наиболее близкая данному изобретению по совокупности существенных признаков и технической сущности /Патент России No 2124142, 1998/, которая принята в качестве прототипа. Эта ветроэнергетическая установка выполнена в виде установленного на опоре энергоагрегата, содержащего, по крайней мере, одну турбину, механически связанную с генератором, центральную оболочку, кольцевую переднюю оболочку с, по крайней мере, одним входным каналом турбины, образующую с центральной оболочкой выходной канал турбины, а также кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой большой диффузорно-конфузорный канал, причем энергоагрегат снабжен дополнительной кольцевой оболочкой, образующей с внешними поверхностями передней и центральной оболочек сужающийся - расширяющийся первый промежуточный канал, сообщенный в промежуточной части с выходным каналом турбины, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом с большим диффузорно-конфузорным каналом.

Данная ветроэнергетическая установка имеет существенные преимущества перед известными аналогами, так как в ней значительно эффективнее преобразуется энергия ветрового потока в полезную электрическую энергию. Однако наряду с явными преимуществами данной установки перед традиционными она имеет ряд недостатков, которые связаны с тем, что для эффективной работы данной установки необходимы воздушные потоки сверхбольшой скорости (от 30 м/с), так как турбина турбогенераторного узла расположена в узком сечении кольцевой передней оболочки, где при максимальной скорости воздушного потока масса и плотность его минимальны, что не позволяет использовать данную установку при малых начальных скоростях воздушного потока, по этой причине, как будет показано ниже, энергия ветра более полно может быть использована благодаря данному изобретению в ветроэнергетической установке в виде энергоагрегата, содержащего центральную оболочку, кольцевую переднюю оболочку с, по крайней мере, одним входным каналом, образующую с центральной оболочкой выходной канал, а также кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой большой диффузорно-конфузорный канал, причем энергоагрегат снабжен дополнительной кольцевой оболочкой, образующей с внешними поверхностями передней и центральной оболочек сужающийся - расширяющийся первый промежуточный канал, сообщенный в промежуточной части с выходным каналом, образованным центральной оболочкой и кольцевой передней оболочкой, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом с большим диффузорно-конфузорным каналом, в котором расположена, по крайней мере, одна турбина, механически связанная с генератором.

Входные каналы энергоагрегата оснащены первичными ускорителями потока, в которых установлены направляющие ребра, образующие аппарат для закрутки потока воздуха.

Изобретение поясняется чертежами.

На чертеже представлен продольный разрез энергоагрегата ветроэнергоустановки.

Ветроэнергетическая установка выполнена в виде энергоагрегата, содержащего центральную оболочку 1, кольцевую переднюю оболочку 2 с, по крайней мере, одним входным каналом 3. Оболочка 2 образует с центральной оболочкой 1 малый диффузорный выходной канал 4. Кроме того, энергоагрегат имеет кольцевую наружную оболочку 5, образующую с центральной оболочкой 1 большой диффузорно-конфузорный канал 6. Энергоагрегат снабжен также дополнительной кольцевой оболочкой 7, образующей с внешними поверхностями передней 2 и центральной 1 оболочек сужающийся - расширяющийся первый промежуточный канал 8, сообщенный в промежуточной части с малым выходным диффузорным каналом 4, а с внутренней поверхностью наружной оболочки 5 - второй промежуточный канал 9, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом 8 с большим диффузорно-конфузорным каналом 6. Энергоагрегат имеет, по крайней мере, одну турбину 10, расположенную в большом диффузорно-конфузорном канале 6, и механически связан с генератором 11, расположенным в центральной оболочке 1. Под термином "генератор" здесь следует понимать не только генератор электрического тока, но любое устройство для преобразования механической энергии в любой вид энергии, удобной для использования в конкретных обстоятельствах. Это может быть, например, насос в системе гидропривода, компрессор пневмопривода и т.п. На входе в каналы 3, 8, 9 установлены первичные ускорители потока 12 с направляющими аппаратов для закрутки (на чертеже не показано) потока. Оболочки 1, 2, 5, 7 и первичные ускорители 12 соединены между собой перемычками.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Свободный воздушный поток, движущийся вдоль поверхности наружной оболочки установки, за счет эжекции создает разрежение на донном срезе установки. Причем зона эффективного влияния этого потока, участвующего в создании разрежения, составляет не менее одного диаметра донного среза установки, то есть в этом процессе участвует кольцевой воздушный поток, наибольший диаметр которого не менее трех диаметров донного среза установки.

Энергию этого потока можно определить при помощи первого закона термодинамики или рассчитать по формуле для определения упругой энергии газа, или другими известными способами.

Поступающий во входные сечения каналов 3, 8, 9 и первичных ускорителей 12 воздушный поток обладает определенным запасом энергии, рассчитываемой известными способами.

Под воздействием двух потоков энергии, со стороны входных каналов и со стороны донного среза, воздушный поток, пройдя минимальное сечение канала 9, образованного центральной оболочкой 1 и кольцевой наружной оболочкой 5, достигает максимально эффективной скорости и плотности. То есть кинетическая энергия потока резко возрастает, и этот процесс связан с уменьшением энтальпии потока. Соответственно с ростом скорости происходит понижение давления в этом сечении, величину которого обозначим P₁. Это давление будет ниже, чем давление Р₀ в свободном потоке. Давление в выходном сечении канала 9 также будет равно P₁. Следовательно, на воздушный канал 9 воздействуют также две энергии - одна со стороны выходного сечения канала 9, другая со стороны его входного сечения каналов 3, 8, 9. Векторы воздействия этих энергий на поток совпадают. Взаимодействие этих энергий приведет к возрастанию скорости в выходном сечении диффузорно-конфузорного канала 9 (расчет последовательно расположенных сопел Лаваля) и соответствующему понижению суммарного давления в этой зоне. Падение суммарного давление в выходном сечении воздушного канала 9 компенсируется высокой скоростью потока и моментом сил, действующим на расположенную в большом диффузорно-конфузорным канале турбину, механически связанную с генератором. Кинетическая энергия на турбине 10 представляет собой располагаемую работу, которая будет преобразована во вращение турбины 10 и связанных с ней электрических генераторов 11. В зонах с пониженной скоростью ветра энергоустановка оснащается первичными ускорителями потока 12, предназначенными для локального ускорения потока, подаваемого во входные сечения каналов 3, 8,9.

Процессы преобразования энергии в каналах установки идентичны процессам, происходящим в соплах Лаваля, и минимальное давление потока в рабочей зоне турбины будет равно Р₃=0,528 Р₀ или несколько выше в зависимости от скорости свободного потока. Воздушные турбины работоспособны даже при незначительных перепадах давления, и установка будет работать при скоростях свободного воздушного потока V₀= 5...6 м/с, но количество выработанной электроэнергии будет меньше.

Таким образом, в отличие от прототипа в данной установке наиболее полно используется эффект ускорения потока в соплах, и тем самым более полно используется синергический эффект действия композиции свободных потоков - внешнего и внутренних, который превышает суммарный эффект действия каждого потока в отдельности.

Предлагаемые ветроэнергетические установки наиболее эффективно использовать в районах со средними скоростями ветра, например на островах, морском побережье, в горах и т.п. В районах, где скорости ветра невелики, можно использовать установки с первичным ускорителем потока.

Существующий уровень развития электротехники позволяет применять в установке практически без каких-либо изменений серийно выпускаемые промышленностью высокооборотные электрические генераторы, также серийно выпускаются воздушные турбины, например воздушные турбины энергетических установок самолетов и других летательных аппаратов, узлы турбодетандеров и пр. Целесообразно изготавливать турбогенераторные узлы в сборе, т.е. в полной заводской готовности для сокращения затрат времени и средств на монтаж установок на месте их эксплуатации. Вес высокооборотного электрогенератора мощностью 1000 кВт не превышает 700 кг, а общий вес турбогенераторного узла такой мощности будет составлять чуть больше одной тонны. Оболочки установок могут изготовляться из различных материалов по давно отработанным технологиям в зависимости от мощности и типа установки - композитных материалов, проката алюминиевых сплавов, пластмасс и др. материалов. Оболочки могут быть сборными из сегментов, надувными и пр.

Формула изобретения

1. Ветроэнергетическая установка выполнена в виде энергоагрегата, содержащего турбину, механически связанную с генератором, центральную оболочку, кольцевую переднюю оболочку с, по крайней мере, одним входным каналом, образующую с центральной оболочкой малый диффузорный выходной канал, кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой большой диффузорно-конфузорный канал, а также дополнительную кольцевую оболочку, образующую с внешними поверхностями передней и центральной оболочек сужающийся - расширяющийся первый промежуточный канал, сообщенный в промежуточной части с малым диффузорным выходным каналом, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом с большим диффузорно-конфузорным каналом, отличающаяся тем, что турбина механически связанная с генератором расположена в большом диффузорно-конфузорном канале.

2. Ветроэнергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один из входных каналов энергоагрегата оснащен, по крайней мере, одним первичным ускорителем воздушного потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1