Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке

Авторы патента:


Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке
Ветровая турбина, работающая на восходящем потоке

 


Владельцы патента RU 2438039:

БРАЙ ЭНЕРДЖИ СОЛЮШЕНЗ ЛИМИТЕД (CA)

Изобретение относится к области генерирования электроэнергии и, более конкретно, к использованию ветровой турбины для производства электроэнергии. Турбина, использующая энергию ветра и восходящего потока, устанавливается на верхнюю наружную часть трубы или вблизи указанной части или образует интегральный компонент верхней наружной части трубы. Турбина содержит индуцирующий ток ротор, содержащий комплект индуцирующих ток постоянных магнитов, установленных с возможностью вращения относительно верхней наружной части трубы вокруг оси, совпадающей с главной осью трубы; генерирующий ток статор, содержащий, комплект обмоток, распределенных по окружности вокруг трубы и жестко закрепленных на ней, относительно которых вращается указанный ротор. По меньшей мере, две воспринимающие поток ветра лопасти ротора выступают наружу из наружного кожуха, связанного с индуцирующим ток ротором, причем каждая из указанных лопастей является подвижной при восприятии ею потока воздуха, движущегося относительно указанной трубы и соответствующего, по меньшей мере, одному потоку, выбранному из группы, состоящей из восходящего потока внутри трубы; восходящего потока вокруг наружной поверхности трубы; потока преобладающего ветра. Использование изобретения позволит создать ветровую турбину, способную работать в широком диапазоне климатических условий. 6 н. и 18 з.п. ф-лы, 30 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области генерирования электроэнергии и, более конкретно, к использованию ветровой турбины для производства электроэнергии.

Уровень техники

Как известно специалистам в данной области, доступность энергоресурсов, таких как уголь, нефть и природный газ, ограничена, что привело к эскалации цен на подобные виды топлива. Такой рост цен имеет большое значение для индивидуальных потребителей и даже еще большее значение для коммерческих потребителей, таких как производители, поскольку эти цены могут отделять возможность продолжения своей деятельности от банкротства.

Следствием указанного роста цен стало интенсивное стремление разработать альтернативные источники энергии, одна из групп которых включает возобновляемые источники энергии, способные извлекать энергию из постоянно протекающих природных процессов, включая солнечный свет, ветер, текущую воду, биологические процессы и геотермальные тепловые потоки. Возобновляемые источники энергии могут быть использованы непосредственно или для создания других, более удобных форм энергии. Примером непосредственного использования может служить геотермальная энергия, тогда как примеры косвенного использования включают ветровую турбину, служащую для выработки электроэнергии.

Для производства электроэнергии ветровая турбина может быть связана с электрогенератором. Ветровые турбины можно разделить на два основных типа в зависимости от ориентации (горизонтальной или вертикальной) оси ее вращения. При использовании ветровой турбины с вертикальной осью (ВТВО) генератор, как правило, находится в нижней части башни, на которой эта ВТВО установлена, так что башня не должна его нести. Как показано на фиг.1, ВТВО 10, установленная на башне 20, связана с генератором 30, который может накапливать произведенную электроэнергию, например, в конденсаторе или аккумуляторной батарее 40 или передавать ее непосредственно индивидуальным или коммерческим конечным пользователям 50. Известны ВТВО, разработанные для частного и коммерческого использования, такие как ВТВО мощностью 2,5 кВт, предлагаемые фирмой Cleanfield Energy Corp. (Канада). Как показано на фиг.2, подобные ВТВО используют три узкие трехметровые вертикальные лопасти 60, которые вращаются вокруг центральной оси 70.

Солнечная труба представляет собой аппарат для использования солнечной энергии посредством конвекции нагретого воздуха. В своей простейшей форме она состоит из трубы, окрашенной в черный цвет. В дневное время солнечная энергия нагревает трубу, тем самым нагревая воздух внутри нее с формированием в результате восходящего потока воздуха внутри трубы. Солнечная башня содержит также солнечные коллекторы, находящиеся в нижней части трубы для нагрева воздуха вблизи коллекторов. В результате теплый воздух создает в трубе восходящий поток. В одной конфигурации солнечной башни в трубу помещена ветровая турбина, приводимая в действие поднимающимся вверх воздухом. Турбина подключена к генератору, что обеспечивает производство электроэнергии для накопления и распределения. Такая конфигурация описана в патенте DE 19821659 от 14.05.98, озаглавленном "Электростанция, использующая восходящий поток, текущий в высокой трубе". В реферате к этому патенту (проиллюстрированному на фиг.3) говорится, что в состав электростанции, работающей на восходящем потоке, входят труба (B), основание которой окружает крыша (A) солнечного коллектора, причем поток воздуха выводится в трубу из дисковидной кольцевой камеры, расположенной под крышей (A). В этом потоке воздуха установлена, по меньшей мере, одна ветровая турбина (C).

И ВТВО, и солнечная башня способны адекватно производить электроэнергию; однако, они имеют конструктивные ограничения. Более конкретно, для функционирования ВТВО необходимо наличие ветра. Это ограничивает ее использование только географическими районами с постоянно присутствующим ветром. Солнечная труба зависит от солнечного света для получения восходящего потока, достаточного для приведения в действие ветровой турбины, так что ее использование также имеет географические ограничения. Поэтому идеальной представляется ветровая турбина, которая способна работать в широком диапазоне климатических условий.

Раскрытие изобретения

Изобретение стремится преодолеть недостатки, присущие уровню техники, созданием ветровой турбины с вертикальной осью, установленной на верхнюю наружную часть трубы. Лопасти ротора турбины расположены снаружи трубы, а механическая энергия, производимая вращением лопастей ротора, передается генератору с помощью короткого приводного вала. Более конкретно, в случае использования генератора переменного тока (ПТ) приводной вал используется для приведения во вращение обмоток переменного тока (образующих ротор генератора) внутри стационарных обмоток генератора (образующих статор). Альтернативно, ветровая турбина интегрирована с генератором. В этом варианте лопасти ротора связаны непосредственно с вращающимся комплектом постоянных магнитов (т.е. с индуцирующим ток ротором) относительно статора, генерирующего ток.

Некоторые варианты осуществления изобретения соответствуют турбине, использующей энергию ветра и восходящего потока и устанавливаемой на верхнюю наружную часть трубы или вблизи указанной части или образующей интегральный компонент верхней наружной части трубы.

Предлагаемая турбина содержит:

втулку ротора, связанную с опорой, установленной с возможностью вращения относительно верхней наружной части трубы вокруг оси, по существу, совпадающей с главной осью трубы; и,

по меньшей мере, две воспринимающие поток ветра лопасти ротора, выступающие наружу из указанной втулки ротора.

При этом каждая из указанных лопастей является подвижной при восприятии ею потока воздуха, движущегося относительно указанной трубы и соответствующего, по меньшей мере, одному потоку, выбранному из группы, состоящей из:

(I) восходящего потока внутри трубы;

(II) восходящего потока вокруг наружной поверхности трубы;

(III) потока преобладающего ветра.

Желательно, чтобы с вращающейся опорой был функционально связан генератор для преобразования механической энергии вращающейся опоры в электрическую энергию.

Некоторые другие варианты могут соответствовать турбине, использующей энергию ветра и восходящего потока и устанавливаемой на верхнюю наружную часть трубы или вблизи указанной части или образующей интегральный компонент верхней наружной части трубы.

В этих вариантах турбина содержит:

индуцирующий ток ротор, содержащий комплект индуцирующих ток постоянных магнитов, установленных с возможностью вращения относительно верхней наружной части трубы вокруг оси, по существу, совпадающей с главной осью трубы;

генерирующий ток статор, содержащий, по меньшей мере, одну обмотку, относительно которой вращается указанный ротор, генерирующий магнитное поле и проходящий при своем вращении в непосредственной близости от указанной, по меньшей мере, одной обмотки; и,

по меньшей мере, две воспринимающие поток ветра лопасти ротора, выступающие вертикально из наружного кожуха, связанного с индуцирующим ток ротором, причем каждая из указанных лопастей является подвижной при восприятии ею потока воздуха, движущегося относительно указанной трубы и соответствующего, по меньшей мере, одному потоку, выбранному из группы, состоящей из:

(I) восходящего потока внутри трубы;

(II) восходящего потока вокруг наружной поверхности трубы;

(III) потока преобладающего ветра.

Дальнейшие варианты могут соответствовать ветровой турбине, устанавливаемой на верхнюю наружную часть стационарной цилиндрической мачты или вблизи указанной части.

В этих вариантах турбина содержит:

индуцирующий ток ротор, содержащий комплект индуцирующих ток постоянных магнитов, установленных с возможностью вращения относительно верхней наружной части указанной мачты вокруг оси, по существу, совпадающей с главной осью указанной мачты;

генерирующий ток статор, содержащий, по меньшей мере, одну обмотку, относительно которой вращается указанный ротор, генерирующий магнитное поле и проходящий при своем вращении в непосредственной близости от указанной, по меньшей мере, одной обмотки; и,

по меньшей мере, две воспринимающие поток ветра лопасти ротора, выступающие вертикально из наружного кожуха, связанного с индуцирующим ток ротором, причем каждая из указанных, по меньшей мере, двух лопастей является подвижной при восприятии ею преобладающего ветра.

При этом генерирующий ток статор может содержать комплект распределенных по окружности обмоток, расположенных вокруг цилиндрической мачты и жестко закрепленных на ней. Ротор, индуцирующий ток, содержит комплект постоянных магнитов. Указанный комплект постоянных магнитов охватывает по окружности статор и связан со статором с возможностью вращения относительно него.

Еще один вариант осуществления изобретения может соответствовать ветровой турбине, устанавливаемой на верхнюю наружную часть цилиндрической мачты или вблизи указанной части и содержащей:

индуцирующий ток ротор, содержащий комплект индуцирующих ток постоянных магнитов, установленных с возможностью вращения относительно верхней наружной части указанной мачты вокруг оси, по существу, совпадающей с главной осью указанной мачты;

генерирующий ток статор, содержащий, по меньшей мере, одну обмотку, относительно которой вращается указанный ротор, генерирующий магнитное поле и проходящий при своем вращении в непосредственной близости от указанной, по меньшей мере, одной обмотки; и,

по меньшей мере, две воспринимающие поток ветра лопасти ротора, выступающие вертикально из втулки ротора, связанной с индуцирующим ток ротором, причем каждая из указанных лопастей является подвижной при восприятии ею преобладающего ветра.

При этом генерирующий ток статор содержит группу комплектов распределенных по окружности обмоток, расположенных вокруг указанной мачты и жестко закрепленных на ней. Ротор, индуцирующий ток, содержит группу комплектов распределенных по окружности постоянных магнитов, расположенных вокруг указанной мачты и связанных с ней с возможностью вращения. Комплекты обмоток послойно чередуются с комплектами постоянных магнитов и находятся в непосредственной близости от указанных комплектов.

Преимущества описанного изобретения очевидны. Ветровая турбина согласно изобретению может генерировать электроэнергию, используя восходящий поток, ассоциированный с трубой или с преобладающим ветром. Кроме того, изобретение открывает возможности использовать существующие структуры (например дымовые трубы на фабриках, трубы нефтеперегонных установок, трубы для сжигания природного газа вблизи скважин; дымовые трубы жилых зданий, телефонные мачты или столбы и т.д.). Это позволяет владельцам ветровых турбин быть, по меньшей мере, частично автономными в отношении энергообеспечения. Кроме того, устраняется необходимость энергораспределительных линий длиной в несколько километров, идущих от генераторных станций на предприятия или в жилые дома.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет описано далее со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 изображена известная система генерации электроэнергии с использованием ветровой турбины с вертикальной осью.

На фиг.2 показана известная ветровая турбина с вертикальной осью, которая может быть использована в системе по фиг.1.

На фиг.3 показана известная солнечная башня с встроенной ветровой турбиной.

На фиг.4 изображена типичная заводская труба, на которой может быть установлена турбина по изобретению.

На фиг.5 показана часть трубы по фиг.4 с установленным на нее первым вариантом турбины по изобретению.

На фиг.6 показана функциональная блок-схема генератора переменного тока.

На фиг.7(a) показана часть трубы по фиг.4 с установленным на нее вторым вариантом турбины по изобретению.

На фиг.7(b) второй вариант по фиг.7(a) показан на виде сверху.

На фиг.7(c) второй вариант по фиг.7(a) показан с лопастями ротора, параллельными трубе.

На фиг.7(d) более подробно показан статор для вариантов по фиг.7(a) и 7(c).

На фиг.7(e) более подробно показан ротор для вариантов по фиг.7(a) и 7(c).

На фиг.7(f) более подробно показаны лопасти ротора для варианта по фиг.7(c).

На фиг.8(a)-8(c) представлена модификация варианта по фиг.7(a)-7(f).

Фиг.8(d) иллюстрирует усовершенствование варианта по фиг.8(c).

Фиг.9(a)-9(l) иллюстрируют различные конфигурации лопастей, которые могут быть использованы в ветровой турбине по изобретению.

На фиг.10 иллюстрируется работа турбины по изобретению.

На фиг.11 ветровая турбина по изобретению показана со встроенной трубкой Вентури.

Осуществление изобретения

На фиг.4 показаны типичные фабричные (дымовые) трубы 80, на любой из которых может быть установлена турбина по изобретению. На фиг.5 представлен первый вариант изобретения. Как показано на данном чертеже, приводное колесо 90 генератора связано с генератором 100 через приводной вал 110. Приводное колесо 90 приводится в движение посредством ременной передачи 120. Соотношение размеров приводного колеса генератора и ременной передачи 120 выбрано таким, что приводной вал 110 вращается с относительно высокой угловой скоростью (измеряемой в об/мин), например около 1500 об/мин. Приводной вал 110 может быть дополнительно оснащен механическим тормозом экстренного торможения (не показан). Как должно быть понятно специалистам, приводной механизм не ограничивается использованием ременной передачи 120. Например, для приведения во вращение приводного вала 110 может быть применена цепная передача. При этом изобретение охватывает все альтернативные приводные механизмы.

Ременная передача 120 приводится в движение взаимодействующими с ветром лопастями 130 ротора, которые захватывают восходящий поток или ветер и передают его энергию втулке (ступице) 140 ротора. Втулка 140 прикреплена к опоре 150, которая установлена с возможностью вращения на верхнем конце трубы 80 или рядом с ней. Ременная передача 120 механически связана с опорой 150, расположенной по окружности трубы 80. Следует отметить, что лопасти 130 ротора и втулка 140 ротора, на которой они закреплены, часто в совокупности именуются ротором. Данный ротор не следует путать с ротором, который является интегральной частью генератора 100, более подробно рассматриваемого далее.

Как это понятно специалистам, электрический генератор 100 - это устройство, которое, будучи связанным с источником механической энергии, производит электрическую энергию. В частности, генератор переменного тока преобразует механическую энергию в переменный электрический ток. Когда магнитное поле вокруг проводника изменяется, в проводнике индуцируются ток и соответственно энергия. Как показано на фиг.6, в типичном генераторе переменного тока (обозначенном в целом, как 100), внутри статора 170 находится вращающийся магнит (ротор) 160, тогда как на железном сердечнике статора закреплены стационарные обмотки, имеющие спиральную намотку витков. Когда ротор 160, связанный с источником механической энергии, приводится этим источником во вращение, магнитное поле ротора пронизывает проводники (обмотки) статора 170. В результате, при вращении ротора под действием источника механической энергии, генерируется электрический ток (электроэнергия). Магнитное поле ротора 160 может формироваться подачей на обмотки ротора постоянного тока посредством контактных токосъемных колец и щеток. Если желательно получать постоянный ток (например, для заряда аккумуляторной батареи 180), переменное напряжение преобразуется с помощью диодов 190 в пульсирующее однополярное напряжение. Кроме того, для регулирования постоянного тока, подаваемого на ротор 160, может быть использовано диодное трио 200, ток с выхода которого подается на регулятор 210, на который поступает также управляющее напряжение от батареи 180. Оно служит для определения необходимости увеличения или уменьшения подаваемого на ротор постоянного тока, чтобы соответственно усилить или ослабить магнитное поле, создаваемое ротором 160.

Фиг.7(a) и 7(b) иллюстрируют второй вариант изобретения. В этом варианте генератор 100 интегрирован с ветровой турбиной, устанавливаемой на верхнем конце трубы 80. В данном варианте лопасти 130 ротора связаны непосредственно с комплектом постоянных магнитов ротора 220, индуцирующих ток в статоре 230 при своем вращении вокруг него. Наружный кожух ротора 220 снабжен подшипниками (не показаны), расположенными в его верхней и нижней частях для обеспечения плавного вращения ротора 220 относительно статора 230. Как и в традиционном генераторе, постоянные магниты генерируют магнитное поле. Когда магнитное поле ротора 220, вращающегося вокруг статора 230, пересекает проводники статора 230, в проводниках индуцируется напряжение. Обмотки статора 230 могут быть рассчитаны на генерацию однофазного или трехфазного переменного тока, как это хорошо известно специалистам. Главное преимущество этой конфигурации заключается в том, что отпадает необходимость в приводном вале, связывающем вращающуюся опору 150 с генератором 100. Тем самым сокращается количество движущихся частей при соответствующем снижении эксплуатационных расходов и, следовательно, при сведении к минимуму простоев ветровой турбины.

Фиг.7(c) иллюстрирует модификацию варианта по фиг.7(a), в которой лопасти 130 ротора расположены параллельно трубе. Такое расположение лопастей является эффективным в определенных ветровых условиях. Более конкретно, когда вертикальные лопасти расположены близко к трубе 80 в условиях горизонтального ветра, скорость вращения лопастей 130 ротора увеличивается в результате увеличения скорости воздушного потока при ударе ветра в дымовую трубу 80. Увеличение скорости вращения приводит непосредственно к увеличению выходной мощности генератора 100. Кроме того, возрастание скорости вращения лопастей ротора приводит (как это будет показано далее) к увеличению скорости воздуха в восходящем потоке вдоль трубы 80. Следует отметить, что ветровая турбина по фиг.7(c) может быть установлена на любой цилиндрической мачте (или столбе), которая (который) подвергается действию достаточно сильного горизонтального ветра, чтобы приводить во вращение лопасти 130 ротора, т.е. место установки турбины не ограничено трубой 80.

На фиг.7(d) и 7(e) более подробно показаны статор и ротор для вариантов по фиг.7(a) и 7(c). В частности, на фиг.7(d) изображен генерирующий ток статор 230, в то время как индуцирующий ток комплект постоянных магнитов (ротор) 220 изображен на фиг.7(e). На фиг.7(f) более подробно показаны лопасти 130 ротора, которые съемно устанавливаются на роторе 220.

На фиг.8(a)-8(c) представлена модификация варианта по фиг.7(a)-7(c). Здесь комплект распределенных по окружности обмоток 240 (см. фиг.8(a)) жестко закреплен на трубе 80, в то время как над ним и в непосредственной близости от него установлен комплект распределенных по окружности постоянных магнитов 250. Постоянные магниты 250 вращаются вокруг оси трубы 80 в подшипниках (не показаны). На фиг.8(c) рассматриваемая модификация представлена в собранном виде, чтобы проиллюстрировать горизонтальное расположение комплекта обмоток 240, закрепленных на трубе 80. Постоянные магниты 250 также расположены в горизонтальной плоскости, причем они прикреплены к втулке 140 ротора для приведения их во вращение относительно оси трубы 80 в непосредственной близости к комплекту обмоток 240. Постоянные магниты 250 находятся в магнитном взаимодействии с обмотками 240. Более конкретно, когда магнитное поле, ассоциированное с постоянными магнитами 250, пересекает обмотки 240, генерируется электрический ток, который может накапливаться или непосредственно направляться конечным потребителям. Фиг.8(d) иллюстрирует усовершенствование варианта по фиг.8(c), согласно которому ряды (комплекты) горизонтально расположенных обмоток 240 чередуются с расположенными в непосредственной близости от них рядами (комплектами) горизонтально расположенных постоянных магнитов 250. Аналогично варианту по фиг.8(c), комплекты горизонтально расположенных обмоток 240 закреплены на трубе 80, в то время как комплекты горизонтально распложенных постоянных магнитов 250 прикреплены к втулке 140 ротора. На втулке 140 ротора съемно установлены лопасти 130 ротора (не показаны), обеспечивающие возможность вращения комплектов постоянных магнитов 250 синхронно с движением данных лопастей 130.

Как показано на фиг.9(a)-9(l), в ветровой турбине по изобретению могут быть использованы различные конфигурации лопастей 130 ротора. В зависимости от ряда факторов, включая аспекты стабильности турбины, силы ветра в районе ее установки и количества электроэнергии, которое требуется сгенерировать, количество лопастей может составлять от двух до тридцати. Как это будет понятно специалистам, число и форма лопастей 130 ротора может эффективно задавать высокую или низкую скорость вращения ветровой турбины. Как можно видеть из представленных конфигураций, допустимо значительное разнообразие форм, каждая из которых будет придавать турбине различные характеристики. В ряде вариантов лопасти 130 наклонены к вертикали под углом 40°-60°, хотя возможно и вертикальное расположение лопастей ротора, как это было описано со ссылкой на фиг.7(c). На фиг.9(a) изображена конфигурация лопастей, которые могут быть наклонены в вертикальной плоскости под углом 20°-80° и развернуты на угол 20°-80° вокруг своих осей. На фиг.9(e) изображена регулируемая конфигурация лопастей, в которой наличие винтов 260 позволяет разворачивать лопасть вокруг оси, чтобы скорректировать угловое расстояние (шаг) между лопастями или скорректировать угол ее наклона по отношению к трубе 80.

Как будет понятно специалистам, известны два основных типа аэродинамических профилей (т.е. лопастей 130 ротора), применяемых в ветровых турбинах: с использованием силы лобового сопротивления и с использованием подъемной силы. В первом случае лопасти 130 ротора обычно имеют форму плоских пластин, ударяя в которые, ветер приводит их во вращение. Этот тип конструкции весьма эффективен в зонах с малыми скоростями ветра, поскольку создает большой крутящий момент для выполнения требуемой работы (такой как приведение во вращение вала, связанного с генератором 100). Однако в диапазоне от средних до сильных ветров их возможности для генерации энергии ограничены. Лопасти, использующие подъемную силу, применяются в большинстве современных ветровых турбин с горизонтальной осью (ВТГО). Их профиль в принципе аналогичен профилю самолетного крыла, создающего подъемную силу в соответствии с хорошо известными принципами аэродинамики. Сконструированная надлежащим образом лопасть данного типа способна преобразовать значительно большее количество ветровой энергии при средней и большой силе ветра. Кроме того, для достижения наибольшей эффективности используется очень небольшое количество лопастей (например, три). Как видно из фиг.9(a)-9(l), при осуществлении изобретения лопасти могут относиться к обоим рассмотренным типам.

В дополнение к ветру, непосредственно воздействующему на лопасти 130 ротора, они рассчитаны на использование дополнительно восходящего потока, создаваемого посредством:

(a) горячих газовых выбросов из трубы 80;

(b) нагрева воздуха, обтекающего наружную поверхность трубы 80, нагреваемую за счет передачи тепла из ее внутренних слоев;

(c) нагрева воздуха внутри трубы 80 и вблизи ее наружной поверхности посредством солнечной радиации и

(d) подъема воздуха ветрового потока вдоль наружной поверхности трубы 80 в результате удара ветра о трубу.

В отношении пункта (c) следует отметить, что даже когда труба 80 не функционирует, т.е. в отсутствие каких-либо выбросов, она, тем не менее, может использоваться для создания восходящего потока. Аналогично солнечной трубе, рассмотренной в разделе "Уровень техники", если труба 80 окрашена в темный цвет, Солнце будет нагревать воздух внутри трубы, а также воздух вблизи ее наружной поверхности, заставляя воздух подниматься, т.е. создавать восходящий поток.

Диаметр трубы 80 может варьировать от примерно 25 мм до примерно 8 м, а ее высота - от примерно 3 м до 300 м. Кроме того, следует отметить, что изобретение может быть адаптировано для применения в условиях промышленных и жилых зданий, т.е. для установки на любых трубах, вдоль которых может формироваться восходящий поток, приводящий во вращение лопасти 130 ротора. Согласно изобретению формы и угловые параметры лопастей 130 ротора будут варьироваться в зависимости от конфигурации трубы 80. Например, если труба 80 находится в районе, где имеется несколько подобных труб, будет иметь место увеличенный восходящий поток при меньшем преобладании роли ветра. Напротив, у одиночной трубы 80 восходящий поток будет слабее, а роль преобладающего ветра будет более важной. В любом варианте для получения энергии можно будет использовать восходящий поток и/или преобладающий ветер. При отсутствии преобладающего ветра восходящий поток способен самостоятельно обеспечить энергией ветровую турбину по изобретению. Кроме того, если предприятие не функционирует, т.е. в отсутствие выбросов из трубы 80, работа ветровой турбины может обеспечиваться за счет солнечного нагрева трубы 80 и/или за счет преобладающего ветра.

Как можно видеть из фиг.10, в процессе работы нагретый воздух или газовые выбросы 270 поднимаются вдоль трубы 80, создавая восходящий поток. Одновременно, в результате удара ветра в дымовую трубу 80 или нагрева прилегающих к ней слоев воздуха происходит подъем потока воздуха, обтекающего лопасти 130 ротора. Кроме того, вращению опоры 150 способствует преобладающий ветер 290, ударяющий в лопасти 130 ротора. Следует отметить также, что нагретый воздух или газовые выбросы 270 также участвуют в создании восходящего потока вдоль трубы 80, так как воздух, движущийся выше лопастей 130 ротора, будет втягивать воздух через зазоры между этими лопастями. Как должно быть понятно, при использовании лопастей с конфигурацией, показанной на фиг.7(c), основной силой, приводящей лопасти 130 ротора во вращение, будет преобладающий ветер 290, поскольку восходящий поток 280 воздуха оказывает лишь ограниченное влияние на движение лопастей.

Как показано на фиг.11, ветровая турбина в соответствии с изобретением может также содержать устройство для отклонения потока воздуха в форме концентрической трубки 300 Вентури, имеющей наименьшее сечение в своей средней части 310 и расходящейся к обоим концам 320 (для более наглядного представления о ее конструкции трубка 300 Вентури изображена на фиг.11 в продольном сечении). Как должно быть понятно, скорость ветра или нагретого потока 280 воздуха, поступающего на вход трубки Вентури, будет увеличиваться при прохождении ее суженной части 310. Воздух, выходящий из трубки 300 Вентури с повышенной скоростью, будет попадать на лопасти 130 ротора, увеличивая их скорость вращения.

Хотя изобретение было подробно описано на конкретных примерах осуществления и со ссылками на прилагаемые чертежи, следует отметить, что для специалистов будут очевидны возможности внесения в него различных изменений и модификаций. Поэтому все такие изменения и модификации, не выходящие за границы изобретения, должны рассматриваться как его варианты. Например, как уже было упомянуто в связи с фиг.7(c), хотя турбина по изобретению предпочтительно устанавливается на дымовой или иной трубе 80, она также может быть установлена на любой цилиндрической мачте, например телефонной. В этой конфигурации вращение лопастей 130 ротора осуществляется, в основном, за счет преобладающего ветра.

Промышленная применимость

Ветровая турбина по изобретению может генерировать электроэнергию, используя восходящий поток, ассоциированный с трубой, или преобладающий ветер. Изобретение позволяет воспользоваться существующими конструкциями (например, дымовыми трубами на фабриках и заводах, трубами для сжигания природного газа на выходе скважины, дымовыми трубами жилых зданий, телефонными мачтами и т.д.), что позволит владельцам ветровых турбин стать, по крайней мере, частично независимыми в отношении снабжения электроэнергией.

1. Турбина, использующая энергию ветра и восходящего потока, устанавливаемая на верхнюю наружную часть трубы или вблизи указанной части или образующая интегральный компонент верхней наружной части трубы и содержащая:
втулку ротора, связанную с опорой, установленной с возможностью вращения относительно верхней наружной части трубы вокруг оси, по существу, совпадающей с главной осью трубы; и, по меньшей мере, две воспринимающие поток ветра лопасти ротора, выступающие наружу из указанной втулки ротора, причем каждая из указанных лопастей является подвижной при восприятии ею потока воздуха, движущегося относительно указанной трубы и соответствующего, по меньшей мере, одному потоку, выбранному из группы, состоящей из:
(I) восходящего потока внутри трубы;
(II) восходящего потока вокруг наружной поверхности трубы;
(III) потока преобладающего ветра.

2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что с вращающейся опорой функционально связан генератор для преобразования механической энергии вращающейся опоры в электрическую энергию.

3. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что генератор установлен на внешней поверхности трубы, а вращающаяся опора дополнительно содержит приводную ременную передачу, охватывающую боковую поверхность вращающейся опоры и выполненную с возможностью приводить во вращение ведущий вал, жестко связанный с ротором, образующим интегральный компонент указанного генератора.

4. Турбина по п.3, отличающаяся тем, что указанные, по меньшей мере, две лопасти установлены с вращательной симметрией относительно втулки ротора.

5. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что каждая из указанных, по меньшей мере, двух лопастей наклонена в вертикальной плоскости под углом, составляющим 20-80° по отношению к плоскости вращения втулки ротора.

6. Турбина по п.5, отличающаяся тем, что каждая из указанных, по меньшей мере, двух лопастей развернута вокруг своей оси на угол, составляющий 20-80°.

7. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что восходящий поток обусловлен одним или более из следующих процессов:
(a) горячими газовыми выбросами из указанной трубы;
(b) нагревом воздуха вблизи указанной наружной поверхности трубы внутренним теплом трубы, переносимым за счет теплопроводности;
(c) нагревом воздуха в трубе и вблизи ее наружной поверхности посредством солнечной радиации и
(d) подъемом воздуха ветрового потока вдоль наружной поверхности трубы в результате удара ветра о трубу.

8. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что на трубе вертикально установлена трубка Вентури для облегчения формирования восходящего потока вдоль наружной поверхности трубы.

9. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что диаметр трубы лежит в интервале примерно от 25 мм до 8 м, а турбина выполнена адаптируемой к трубам с диаметром в пределах указанного интервала.

10. Турбина, использующая энергию ветра и восходящего потока, устанавливаемая на верхнюю наружную часть трубы или вблизи указанной части или образующая интегральный компонент верхней наружной части трубы и содержащая:
индуцирующий ток ротор, содержащий комплект индуцирующих ток постоянных магнитов, установленных с возможностью вращения относительно верхней наружной части трубы вокруг оси, по существу, совпадающей с главной осью трубы;
генерирующий ток статор, содержащий, по меньшей мере, одну обмотку, относительно которой вращается указанный ротор, генерирующий магнитное поле и проходящий при своем вращении в непосредственной близости от указанной, по меньшей мере, одной обмотки; и,
по меньшей мере, две воспринимающие поток ветра лопасти ротора, выступающие наружу из наружного кожуха, связанного с индуцирующим ток ротором, причем каждая из указанных лопастей является подвижной при восприятии ею потока воздуха, движущегося относительно указанной трубы и соответствующего, по меньшей мере, одному потоку, выбранному из группы, состоящей из:
(I) восходящего потока внутри трубы;
(II) восходящего потока вокруг наружной поверхности трубы;
(III) потока преобладающего ветра.

11. Применение использующей энергию ветра и восходящего потока турбины, выполненной в соответствии с п.10, для генерирования электрической энергии.

12. Способ генерирования электрической энергии, включающий операцию установки, использующей энергию ветра и восходящего потока турбины, выполненной в соответствии с п.10, на верхнюю наружную часть трубы или вблизи указанной части так, что поток воздуха приводит во вращение указанные, по меньшей мере, две лопасти.

13. Турбина по п.10, отличающаяся тем, что указанные, по меньшей мере, две лопасти установлены с вращательной симметрией относительно наружного кожуха.

14. Турбина по п.13, отличающаяся тем, что на трубе вертикально установлена трубка Вентури для облегчения формирования восходящего потока вдоль наружной поверхности трубы.

15. Турбина по п.13, отличающаяся тем, что диаметр трубы лежит в интервале примерно от 25 мм до 8 м, а турбина выполнена адаптируемой к трубам с диаметром в пределах указанного интервала.

16. Турбина по п.13, отличающаяся тем, что генерирующий ток статор содержит комплект обмоток, распределенных по окружности вокруг трубы и жестко закрепленных на ней.

17. Турбина по п.16, отличающаяся тем, что индуцирующий ток ротор содержит комплект постоянных магнитов, распределенных по окружности вокруг трубы и связанных с ней с возможностью вращения.

18. Турбина по п.17, отличающаяся тем, что между комплектом обмоток и комплектом постоянных магнитов имеется магнитная связь.

19. Турбина по п.13, отличающаяся тем, что генерирующий ток статор содержит группу комплектов распределенных по окружности обмоток, расположенных вокруг трубы и жестко закрепленных на ней, а индуцирующий ток ротор содержит группу комплектов распределенных по окружности постоянных магнитов, расположенных вокруг трубы и связанных с ней с возможностью вращения, причем обмотки указанного комплекта обмоток послойно чередуются с постоянными магнитами указанного комплекта постоянных магнитов и находятся в непосредственной близости от указанных комплектов.

20. Турбина по п.10, отличающаяся тем, что восходящий поток обусловлен одним или более из следующих процессов:
(a) горячими газовыми выбросами из указанной трубы;
(b) нагревом воздуха вблизи указанной наружной поверхности трубы внутренним теплом трубы, переносимым за счет теплопроводности;
(c) нагревом воздуха в трубе и вблизи ее наружной поверхности посредством солнечной радиации и
(d) подъемом воздуха ветрового потока вдоль наружной поверхности трубы в результате удара ветра о трубу.

21. Ветровая турбина, устанавливаемая на верхнюю наружную часть стационарной цилиндрической мачты или вблизи указанной части и содержащая:
индуцирующий ток ротор, содержащий комплект индуцирующих ток постоянных магнитов, установленных с возможностью вращения относительно верхней наружной части указанной мачты вокруг оси, по существу, совпадающей с главной осью указанной мачты;
генерирующий ток статор, содержащий, по меньшей мере, одну обмотку, относительно которой вращается указанный ротор, генерирующий магнитное поле и проходящий при своем вращении в непосредственной близости от указанной, по меньшей мере, одной обмотки; и
по меньшей мере, две воспринимающие поток ветра лопасти ротора, выступающие вертикально из наружного кожуха, связанного с индуцирующим ток ротором, причем каждая из указанных, по меньшей мере, двух лопастей является подвижной при восприятии ею преобладающего ветра;
при этом генерирующий ток статор содержит комплект обмоток, распределенных по окружности вокруг указанной мачты и жестко закрепленный на ней, а
индуцирующий ток ротор содержит комплект постоянных магнитов, охватывающий по окружности статор и связанный со статором с возможностью вращения относительно него.

22. Турбина по п.21, отличающаяся тем, что указанные, по меньшей мере, две лопасти установлены с вращательной симметрией относительно наружного кожуха, связанного с ротором, индуцирующим ток.

23. Ветровая турбина, устанавливаемая на верхнюю наружную часть стационарной цилиндрической мачты или вблизи указанной части и содержащая:
индуцирующий ток ротор, содержащий комплект индуцирующих ток постоянных магнитов, установленных с возможностью вращения относительно верхней наружной части указанной мачты вокруг оси, по существу, совпадающей с главной осью указанной мачты;
генерирующий ток статор, содержащий, по меньшей мере, одну обмотку, относительно которой вращается указанный ротор, генерирующий магнитное поле и проходящий при своем вращении в непосредственной близости от указанной, по меньшей мере, одной обмотки; и,
по меньшей мере, две воспринимающие поток ветра лопасти ротора, выступающие вертикально из втулки ротора, связанной с индуцирующим ток ротором, причем каждая из указанных лопастей является подвижной при восприятии ею преобладающего ветра;
при этом генерирующий ток статор содержит группу комплектов распределенных по окружности обмоток, расположенных вокруг цилиндрической мачты и жестко закрепленных на ней, а ротор, индуцирующий ток, содержит группу комплектов распределенных по окружности постоянных магнитов, расположенных вокруг цилиндрической мачты и связанных с ней с возможностью вращения, причем обмотки указанного комплекта обмоток послойно чередуются с постоянными магнитами указанного комплекта постоянных магнитов и находятся в непосредственной близости от указанных комплектов.

24. Турбина по п.23, отличающаяся тем, что указанные, по меньшей мере, две лопасти установлены с вращательной симметрией относительно втулки ротора, связанной с ротором, индуцирующим ток.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для энергоснабжения объектов, расположенных на удалении от линий электропередач. .

Изобретение относится к ветроволновой энергетике и может быть использовано для получения электрической энергии. .

Изобретение относится к ветроэнергетике и позволяет при малой скорости ветра получить необходимую скорость вращения потребителя механической энергии, например электрогенератора.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для производства электроэнергии. .

Изобретение относится к возобновляющимся источникам энергии. .

Изобретение относится к ветроэнергетике, касается ветроэнергетических установок и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую в производственных целях.

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для преобразования энергии ветра в электрическую или механическую энергию. .

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэлектрических станциях высокой мощности. .

Изобретение относится к ветротехнике. .

Изобретение относится к энергетике, к автономным ветроэлектрическим станциям как экологически чистым и наиболее дешевым источникам энергии. .

Изобретение относится к ветряным двигателям, в частности, к таким, у которых ось вращения ротора перпендикулярна направлению ветра

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при создании установок для получения электрической энергии из энергии ветра, а именно для создания ветроагрегата и ветроэнергетической установки

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для производства электроэнергии

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в ветроэнергетических установках

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии без использования топлива

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для преобразования кинетической энергии потока воздуха (воды) в механическую энергию вращения генератора и/или другого устройства

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в ветроэнергетических установках с вертикальной осью вращения

Изобретение относится к инфраструктуре ветроэнергетики - обеспечению стабильной работы ветроэнергетических установок (ВЭУ) карусельного типа [1-6] в суровых климатических условиях путем использования естественной вентиляции теплого воздуха внутри вращающихся элементов ВЭУ, возникающей вследствие центробежных сил

Изобретение относится к ветроэнергетике
Наверх