Ветрогенерирующая установка
Владельцы патента RU 2416737:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет инженерной экологии" (RU)
Изобретение к области ветроэнергетики и может быть использовано для преобразования энергии ветра в другие виды энергии. Ветрогенерирующая установка содержит опорную полую башню и расположенный в ее верхней части ветрогенератор. Опорная башня выполнена в виде открытого сверху полого гиперболоида вращения с окнами в виде тангенциальных каналов для входа воздушного потока, расположенными в его нижней части, и подающими вентиляторами, соединенными с тангенциальными каналами через один. По меньшей мере, один ветрогенератор расположен внутри башни. Тангенциальные каналы в опорной башне имеют форму щелей, причем ширина щели и максимальное число щелей связаны с относительным «живым сечением» каналов соотношением: σ=n·b/(2π·r0), где r0 - радиус внутреннего сечения нижней части опорной башни, n - число щелей, а между N и σ существует следующая зависимость: σ=(1-cosφm)/φm, где φm=2π/N, причем величина N находится в пределах от 10 до 400, а величина σ находится в пределах от 0,01 до 1,0. На внутренней поверхности опорной башни установлены направляющие лопатки, расположенные по винтовой линии. Привод каждого вентилятора выполнен в виде солнечных батарей, расположенных по наружной поверхности опорной башни на ее южной, западной и восточной сторонах. Использование изобретения обеспечит увеличение эффективности работы ветрогенераторов в области низких скоростей ветра. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.
Известны ветроэнергетические установки, выполненные в виде решетчатой башни, на вершине которых расположены лопастные ветрогенераторы (патент RU на полезную модель №82274, Ваганов В.А., Отарашвили З.А. Модульная ветроэнергетическая установка, БИПМ №11, 20.04.2009 г., а также Сидоров В.В. Ветроэнергетические установки и системы. М.: Центр Международных проектов Госкомприроды СССР, 1990, 167 с.). К недостаткам таких конструкций относится низкая эффективность их работы при низких скоростях ветра 2-6 м/с, характерных для большего времени года в регионах средней полосы России.
Наиболее близкой является ветрогенерирующая установка, включающая полую опорную башню и расположенный в ее верхней части ветрогенератор (см. K.Sivinskas, Energy conversion machines. Vilnius TECHNIKA 2006, s.21-28, а также: S.Kutra. ATSINAUJINANTYS ENERGIJOS 
Kauno, KTU, 2007, 270 s.; www.hafmex.fi). К недостаткам таких конструкций также относится недостаточно высокая эффективность работы ветрогенераторов в области низких скоростей ветра 2÷6 м/с, которые характерны для большего времени года в регионах средней полосы России.
Задача заключается в том, чтобы увеличить эффективность работы ветрогенераторов в области низких скоростей ветра.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известной ветрогенерирующей установке, включающей опорную полую башню и расположенный в ее верхней части ветрогенератор, опорная башня ветрогенератора имеет форму открытого сверху полого гиперболоида вращения с окнами в виде тангенциальных каналов для входа воздушного потока, расположенными в его нижней части, и подающими вентиляторами, соединенными с тангенциальными каналами через один, а ветрогенератор расположен внутри башни.
В соответствии с изобретением внутри опорной башни установлен, по меньшей мере, один ветрогенератор.
В соответствии с изобретением тангенциальные каналы в опорной башне имеют форму щелей, причем ширина щели и максимальное число щелей связаны с относительным «живым сечением» каналов соотношением:
σ=n·b/(2π·r0),
где r0 - радиус внутреннего сечения нижней части опорной башни, n - число щелей, а между N и σ существует следующая зависимость:
σ=(1-cosφm)/φm, где φm=2π/N,
причем величина N находится в пределах от 10 до 400, а величина σ находится в пределах от 0,01 до 1,0.
В соответствии с изобретением на внутренней поверхности опорной башни установлены направляющие лопатки, расположенные по винтовой линии. В соответствии с изобретением привод каждого из вентиляторов выполнен в виде солнечных батарей, расположенных по наружной поверхности опорной башни на ее южной, западной и восточной сторонах.
Благодаря тому, что опорная полая башня ветрогенератора имеет форму открытого сверху полого гиперболоида вращения с окнами в виде тангенциальных каналов для входа воздушного потока, расположенными в его нижней части и подающими вентиляторами, соединенными с тангенциальными каналами через один, а сам ветрогенератор расположен внутри башни, эффективность работы ветрогенерирующей установки в области низких и средних скоростей ветра возрастает.
Благодаря тому, что внутри опорной башни установлен, по меньшей мере, один ветрогенератор, эффективность работы ветрогенерирующей установки при низких скоростях ветра дополнительно возрастает.
Благодаря тому, что тангенциальные каналы в опорной башне имеют форму щелей, причем ширина щели и максимальное число щелей связаны с относительным «живым сечением» каналов соотношением:
σ=n·в/(2π·r0),
где r0 - радиус внутреннего сечения нижней части опорной башни, n - число щелей, а между N и σ существует зависимость вида:
σ=(1-cosφm)/φm, где φm=2π/N,
причем величина N находится в пределах от 10 до 400, а величина σ находится в пределах от 0,01 до 1,0, поддерживаются оптимальные условия для увеличения эффективности работы ветрогенерирующей установки в широком диапазоне скоростей ветра.
Благодаря тому, что на внутренней поверхности опорной башни установлены направляющие лопатки, расположенные по винтовой линии, эффективность работы ветрогенерирующей установки в области скоростей ветра от 0 до 5,0 м/с существенно возрастает.
Благодаря тому, что привод вентиляторов выполнен в виде солнечных батарей, расположенных по наружной поверхности опорной башни на ее южной, западной и восточной сторонах, возрастает энергоэффективность работы ветрогенерирующей установки при низких скоростях ветра.
Общий вид ветрогенерирующей установки представлен на фиг.1. Поперечный разрез полой башни ветрогенерирующей установки на уровне расположения входных окон, выполненных в виде тангенциальных каналов щелевой формы показан на фиг.2. Взаимное расположение трех лопастных ветрогенераторов в опорной башне установки представлено на фиг.3. Общий вид ветрогенератора с комбинированными цилиндрами, установленного в башне горизонтально, показан на фиг.4. Общий вид горизонтальных ветрогенераторов, установленных в башне два яруса, представлен на фиг.5. Зависимость ширины щели - в и максимального количества щелей N в нижней части башни от относительного «живого сечения» σ каналов приведена на фиг.6. Зависимость мощности стандартной ветрогенерирующей установки - P скорости ветра - V представлена на фиг.7. Зависимость коэффициента мощности ветроэнергетической установки - η от скорости ветра V показана на фиг.8.
Ветрогенерирующая установка содержит опорную башню, выполненную в виде полого гиперболоида вращения 1, с окнами 2, выполненными в виде тангенциальных щелевых каналов 3 для входа воздушного потока 4, расположенными в ее нижней части и подающими вентиляторами 5, соединенными с тангенциальными каналами через один, а сам ветрогенератор 6 расположен внутри опорной башни 1. Ширина тангенциального щелевого канала 3 равна и. Направляющие лопатки 7 расположены по винтовой линии на нижней части внутренней поверхности опорной башни 1. Солнечные батареи 8 привода вентиляторов 5 расположены по наружной поверхности опорной башни 1 на ее южной, западной и восточной сторонах.
Ветрогенерирующая установка работает следующим образом. Воздушный поток 4 через систему окон 2 в виде тангенциальных щелевых каналов 3 в нижней части опорной полой башни 1 ветрогенерирующей установки попадает внутрь башни и лопатками 7, расположенными по винтовой линии, закручивается приводя в движение ветрогенератор 6, расположенный внутри башни. Для увеличения скорости воздушного потока в башне 1 пустые окна 2 чередуются через один с подающими вентиляторами 5. Выбор геометрических параметров тангенциальных щелевых каналов производится по номограмме, представленной на фиг.6. При этом ширина щелей - в и максимально возможное число щелей N выбираются из соотношений:
σ=n·в/(2π·r0),
где r0- радиус внутреннего сечения нижней части опорной башни, n - число щелей.
Причем:
σσ=(1-cosφm)/φm, где φm=2π/N,
здесь: N находится в пределах от 10 до 400, а величина σ находится в пределах от 0,01 до 1,0.
Как видно из зависимости P=f(V), показанной на фиг.7, существующие серийные образцы ветрогенерирующих установок обеспечивают промышленную мощность лишь при скоростях ветра V>8÷10 м/с. При более низких скоростях ветра серийные установки практически не работают (см. фиг.7).
Предлагаемое в патенте техническое решение, как видно из графиков на фиг.8, обеспечивает генерирование энергии, в том числе при низких скоростях ветра V≅5 м/с. Используемые для решения этой задачи подающие вентиляторы 5 получают электрическую энергию от солнечных батарей 8, расположенных по наружной поверхности опорной башни 1. Внутри опорной башни 1 ветрогенерирующей установки устанавливают один или несколько ветрогенераторов 6. На фиг.3. показана схема установки в башню 1 трех лопастных ветрогенераторов. На фиг.4 показан горизонтально установленный поперек потока 4 ветрогенератор с комбинированными цилиндрами 9, которые состоят из вращающейся концевой и не вращающейся корневой частей (см. фиг.4). Характеристики этого ветрогенератора с комбинированными цилиндрами 9, а именно - коэффициент мощности - η и повторяемость скоростей ветра - PP показаны на фиг.8 в сравнении с известными лопастными ветроэнергетическими установками (ВЭУ). На фиг.8 приняты следующие обозначения: кривыми 11, 12 обозначены коэффициент мощности ВЭУ - η, а кривыми 13, 14 - повторяемость скоростей ветра - PP. Кривая 11 является результатом испытаний схемы ВЭУ с комбинированными цилиндрами (без учета затрат мощности на вращение цилиндров). Кривая 12 - то же для лопастных ВЭУ (фирма «Вилд Вэлд», Дания). Кривая 13 - РР для континентальных районов (Vc=4,0 м/с). Кривая 14 - РР для прибрежных районов (Vc=6,0 м/с). Результаты, показанные на фиг.8, приведены по данным работы: Бычков Н.М., Диновская Н.Д. Разработка ветродвигателя с использованием эффекта Магнуса. Труды международного конгресса "Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источников энергии в России". Часть III. М., 1999.
Показанная на фиг.4 схема ВЭУ основана на использовании эффекта Магнуса и воздействии на переходно-отрывные процессы, сопровождающие обтекание цилиндра. Помимо других преимуществ использование схемы ВЭУ, показанной на фиг.4, позволяет увеличить эффективность работы ВЭУ, особенно в области низких скоростей ветра V=2,0-6,0 м/с.
Показанные на фиг.5 два горизонтальных и последовательно установленных в потоке воздуха друг за другом ветроагрегата 10 выполнены с винтообразными лопастями также обеспечивают высокую эффективность работы ВЭУ при низких ветровых нагрузках V<5,0 м/с.
Предлагаемое устройство обеспечивает увеличение эффективности работы ветрогенераторов в области низких скоростей ветра.
1. Ветрогенерирующая установка, включающая опорную полую башню и расположенный в ее верхней части ветрогенератор, отличающийся тем, что опорная башня выполнена в виде открытого сверху полого гиперболоида вращения с окнами в виде тангенциальных каналов для входа воздушного потока, расположенными в ее нижней части, и подающими вентиляторами, соединенными с тангенциальными каналами через один, а ветрогенератор расположен внутри башни.
2. Ветрогенератор по п.1, отличающийся тем, что внутри опорной башни установлен, по меньшей мере, один ветрогенератор.
3. Ветрогенератор по п.1, отличающийся тем, что тангенциальные каналы в опорной башне имеют форму щелей, причем ширина щели и максимальное число щелей связаны с относительным «живым сечением» каналов соотношением:
σ=n·b/(2π·r0),
где r0 - радиус внутреннего сечения нижней части опорной башни; n - число щелей, а между N и σ существует следующая зависимость:
σ=(1-cosφm)/φm, где φm=2π/N,
причем величина N находится в пределах от 10 до 400, а величина σ находится в пределах от 0,01 до 1,0.
4. Ветрогенератор по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности опорной башни установлены направляющие лопатки, расположенные по винтовой линии.
5. Вентилятор по п.1, отличающийся тем, что привод каждого вентилятора выполнен в виде солнечных батарей, расположенных по наружной поверхности опорной башни на ее южной, западной и восточной сторонах.
