2420-302300RU/032

ВЕТРОГЕНЕРАТОР ТУРБИННОГО ТИПА

Изобретение относится к ветроэнергетике , направлено на повышение эффективности ветрогенераторов турбинного типа , использующих эффект Бернулли , и на упрощение их конструкции .

Предшествующий уровень техники .

Несмотря на все -более возрастающий интерес к ветроэнергетике, ее достижения не слишком велики прежде всего из-за трудностей в работе ветрогенераторов при слабом ветре . Поэтому одной из важнейших задач ветроэнергетики является искусственное увеличение скорости ветра , подаваемого на лопасти воздушной турбины. Известен ветрогенератор, позволяющий значительно увеличить скорость ветра , подаваемого на лопасти воздушной турбины, за счет использования эффекта Бернулли ( см . , например, патент US 2004 0183310 А) . В этом патенте используется эффект Бернулли, когда воздушный поток, переходя из широкой части трубы в узкую, увеличивает скорость своего движения . Поэтому в данном патенте в узкой части трубы установлены воздушная турбина и генератор электрического тока . В результате ускорившийся воздушный поток заставляет лопасти воздушной турбины вращаться с большей скоростью, что приводит к выработке большей электрической энергии . Однако диаметр узкого участка трубы недостаточен для размещения в нем воздушной турбины и генератора электрического тока промышленных размеров . В патенте US 2011 0156403 А1 раскрыта трубка Бернулли с более протяженным каналом, по которому с высокой скоростью перемещается воздушный поток . Это сделано для того , чтобы последовательно разместить в канале две воздушных турбины и два генератора и, тем самым, вдвое увеличить выработку электроэнергии . Но понимая , что и этого недостаточно для выработки электроэнергии в промышленном масштабе , авторы патента предложили создать блок из ста трубок Бернулли, содержащий двести воздушных турбин и двести генераторов электрического тока (фиг . 10 ) . В патенте JP 5258774В2 , который можно считать ближайшим аналогом изобретения, авторы пошли по такому же пути , предложив собирать в блоки трубки, ускоряющие проходящие через них потоки воздуха (фиг . 8 ) . В данном конкретном случае речь идет о блоках из трубок Бернулли , оснащенных соплами Лаваля, разгоняющими воздушный поток до еще больших скоростей . Но и такие высокие скорости движения воздушного потока не смогут существенно увеличить выработку электроэнергии прежде всего из-за ничтожно малых размеров воздушной турбины, которую необходимо размещать внутри узкой трубы.

Возможность увеличивать в трубке Бернулли не только скорость движения воздушного потока , но и плотность воздуха в этом потоке , породили множество аналогичных патентов ( см. , например, патент US 8598730В2 ) . Но все эти изобретения касаются лишь усовершенствования различных деталей таких трубок, оставляя неизменным сам принцип сборки блоков из множества воздушных турбин и генераторов электрического тока .

Следовательно, существует необходимость в создании ветрогенератора, способного устранить недостатки ветрогенераторов предшествующего уровня техники .

Сущность изобретения .

В основу изобретения поставлена задача создания простого и высокопроизводительного ветрогенератора турбинного типа , способного вырабатывать электроэнергию в промышленном масштабе, который за счет устройства для ускорения подаваемого на турбину входного потока позволяет осуществлять его эффективное использование в широком диапазоне воздушных потоков , включая слабые воздушные потоки .

Поставленная задача согласно одному аспекту изобретения решается за счет ветрогенератора турбинного типа , содержащего установленную на валу с возможностью вращения воздушную турбину и расположенную выше по потоку перед входной стороной турбины панель для ускорения подаваемого на турбину входного потока , включающую в себя множество трубок Бернулли, содержащих имеющие большие диаметры входные отверстия и имеющие меньшие диаметры выходные сопла , причем панель расположена так, что выходные сопла трубок размещены на стороне панели, выходящей к входной стороне турбины, а входные отверстия трубок расположены на противоположной стороне панели .

Предпочтительно, чтобы концы выходных сопел трубок были расположены по существу в одной плоскости .

Для дальнейшего повышения эффективности работы желательно , чтобы входные отверстия трубок были расположены по существу в одной плоскости . Целесообразно, чтобы сопла в панели были расположены рядами по радиусам, отходящим от расположенной напротив вала точки панели к периферии панели .

Для создания равномерного усилия на лопасти желательно, чтобы углы между смежными рядами сопел в панели были равны углам между смежными рядами лопастей воздушной турбины .

При таком выполнении ветрогенератора все трубки Бернулли в панели одновременно направляют высокоскоростные воздушные потоки сразу на все лопасти воздушной турбины, обеспечивая резкое увеличение скорости их вращения .

Для улучшения технологичности предпочтительно , чтобы по меньшей мере часть трубок Бернулли представляли собой полости со стенками из материала панели .

В этом случае панель с множеством расположенных в ней трубок Бернулли становится одной деталью, что резко упрощает конструкцию ветрогенератора и стоимость его изготовления .

Поставленная задача согласно другому аспекту изобретения достигается за счет панели для ускорения подаваемого на турбину ветрогенератора турбинного типа входного потока , располагаемой перед входной стороной турбины ветрогенератора , содержащей множество трубок Бернулли с имеющими большие диаметры входными отверстиями и с имеющими меньшие диаметры выходными соплами, причем при размещении панели в рабочем положении выходные сопла трубок выходят к входной стороне турбины, а входные отверстия трубок расположены выше по потоку от входной стороны турбины, чем выходные сопла трубок .

Предпочтительно, чтобы концы выходных сопел трубок были расположены по существу в одной плоскости .

Для дальнейшего повышения эффективности работы желательно, чтобы входные отверстия трубок были расположены по существу в одной плоскости .

Целесообразно, чтобы сопла в панели были расположены рядами по радиусам, отходящим от расположенной напротив вала точки панели к периферии "панели .

Для создания равномерного усилия на лопасти желательно, чтобы углы между смежными рядами сопел в панели были равны углам между смежными рядами лопастей воздушной турбины .

Для улучшения технологичности предпочтительно , чтобы по меньшей мере часть трубок Бернулли представляли собой полости со стенками из материала панели . Краткое описание чертежей .

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного , но не ограничивающего настоящее изобретение варианта осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых :

Фиг . 1 - изображает вид спереди панели с множеством входных отверстий для прохода потока воздуха в трубки Бернулли ;

Фиг . 2 - изображает вид сбоку ветрогенератора с панелью в разрезе по линии А-А на фиг. 1 , показывающий взаимодействие выходящих из трубок Бернулли высокоскоростных воздушных потоков с лопастями воздушной турбины;

Фиг . За и ЗЬ - изображают геометрическую модель с расчетной сеткой для примера расчета потоков ветрогенератора для двух диаметров трубки Бернулли ( 15мм и 10мм) ;

Фиг . 4а и 4Ь - изображают результаты расчета скорости воздушного потока для диаметра трубки Бернулли 15мм;

Фиг . 5а и 5Ь изображают результаты расчета скорости воздушного потока для диаметра трубки Бернулли 10мм;

Фиг . ба и 6Ь - изображают результаты расчета скорости воздушного потока на выходе из трубки Бернулли диаметром 15мм;

Фиг . 7а и 7Ь изображают результаты расчета скорости воздушного потока на выходе из трубки Бернулли диаметром 10мм;

Фиг . 8 - изображает результаты расчета скорости воздушного потока в поперечном сечении на выходе из трубки на различных расстояниях от ее края для трубки Бернулли диаметром 15мм;

Фиг . 9 - изображает результаты расчета скорости воздушного потока в поперечном сечении на выходе из трубки на различных расстояниях от ее края для трубки Бернулли диаметром 10мм;

Детальное описание изобретения .

На фиг . 1 и 2 показан ветрогенератор турбинного типа 1 согласно изобретению . Ветрогенератор 1 содержит ■ воздушную турбину 8 , установленную на валу 9 с возможностью вращения, которая связана цепной передачей 10 с генератором электрического тока 11 . Перед входной стороной турбины 8 расположена панель 2 с множеством выполненных в ее теле трубок Бернулли 3 , причем для упрощения не все трубки Бернулли показаны . Каждая из трубок Бернулли 3 имеет широкое входное отверстие 4 на одной стороне панели 2 и суженное выходное отверстие ( сопло) 5 на противоположной стороне панели 2 . Выходные сопла 5 трубок 3 расположены на входной стороне турбины 8 , а входные отверстия 4 трубок расположены на противоположной стороне панели 2 . Концы выходных сопел 5 трубок 2 желательно располагать по существу в одной плоскости . Аналогично, входные отверстия 4 трубок 2 также предпочтительно должны быть расположены по существу в одной плоскости .

Сопла 5 трубок Бернулли 3 в панели 2 предпочтительно располагать рядами 6 по радиусам, отходящим от расположенной напротив вала ветрогенератора точки панели 2 к периферии панели 2 . Углы между смежными рядами сопел в панели 2 желательно должны быть равны углам между смежными рядами лопастей 7 воздушной турбины 8 . При этом количество радиально расположенных рядов 6 в панели 2 предпочтительно выбирают равным числу лопастей 7 воздушной турбины 8 с тем, чтобы обеспечить одновременное воздействие всех выходящих из сопел 5 воздушных потоков на все лопасти 7 воздушной турбины 8 . Это позволяет создавать наиболее равномерные высокоскоростные потоки для лопастей 7 турбины 8 .

Технологически значительно проще изготавливать панель 2 с трубками Бернулли 3 , выполненными за одно целое с панелью 2 , т . е . когда трубки 3 представляют собой полости со стенками из материала панели .

Панель 2 с трубками Бернулли 3, воздушной турбиной 8 и генератором электрического тока 11 предпочтительно выполнены так, что они имеют возможность поворачиваться на валу 12 для ориентации по направлению ветра .

Понятно , что наличие панели с трубками Бернулли позволяет не только осуществлять эффективное использование ветрогенератора в широком диапазоне воздушных потоков , включая слабые воздушные потоки , но и защищает птиц от травм и гибели, исключая их попадание на лопасти воздушной турбины .

Б одном из вариантов осуществления изобретения панель 2 может , например, иметь 46 трубок Бернулли . Это значит , что в данном конкретном случае лопасти 7 воздушной турбины 8 будут одновременно раскручивать 46 плотных высокоскоростных воздушных потоков , которые обеспечивают их вращение с высокой скоростью . В результате резко увеличивается вырабатываемая генератором электрическая энергия .

В реальности число таких трубок Бернулли 3 , выполненных в панели 2 , может быть значительно большим, что позволит еще больше увеличить скорость вращения воздушной турбины и еще больше увеличить вырабатываемую электрическую энергию . Для специалиста в данной области техники будет понятно каким образом рассчитать конкретное количество трубок Бернулли 3 для конкретного ветрогенератора турбинного типа .

Важно отметить , что в предлагаемом ветрогенераторе турбинного типа не нужно , как в технических решениях , относящихся к предшес вующему уровню техники , помещать в каждую из таких трубок Бернулли воздушные турбины и генераторы электрического тока, а затем собирать блоки из таких трубок .

Более того, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения нет необходимости в отдельном изготовлении каждой трубки Бернулли 3 , так как каждая из них является полостью в панели 2 в виде внутренней поверхности такой трубки, созданной в процессе изготовления самой панели 2 , например, методом литья под давлением . При этом полости в панели 2 в виде трубок будут образованы за счет закладных деталей, удаляемых из панели после завершения ее отливки .

Ветрогенератор турбинного типа работает следующим образом . Скорость воздушного потока , проходящего через широкие входные отверстия 4 в трубки Бернулли 3 , выполненные в теле панели 2 , значительно увеличивается за счет эффекта Бернулли . В результате из сопел 5 этих трубок, обращенных к лопастям 7 воздушной турбины 8 , вырываются плотные высокоскоростные воздушные потоки, направленные одновременно на все лопасти 7 воздушной турбины 8 . При этом на каждую лопасть 7 воздушной турбины 8 одновременно будут направлены несколько плотных высокоскоростных воздушных потоков . В результате множество таких потоков одновременно раскручивают лопасти 7 воздушной турбины 8 , увеличивая скорость ее вращения . Ниже приведены примеры расчета скоростей поступающего на турбину входного потока для предложенного ветрогенератора с учетом длины и диаметра используемых трубок Бернулли .

С помощью метода ' конечных элементов в программе Comsol Mult iphysics решалось стационарное уравнение Навье-Стокса для ламинарного потока : где v- коэффициент кинематической вязкости

Р~ плотность р- давление векторное поле скорости 7 f- векторное поле массовых сил

Уравнение неразрывности : 0

На входе в трубу диаметром 50мм задавалась скорость потока г = 3 м/с ( ПО шкале Бофора эта скорость соответствует 2 баллам и на суше характеризуется движением ветра, ощущаемого лицом, а также вызывает шелест листьев и приводит в движение флюгер) .

У стенки v = 0

Параметры среды:

Плотность воздуха 1 . 22 кг/м ³

Динамическая вязкость воздуха 1 . 85*10~ ⁵ Па*с

Для выполнения расчета была создана геометрическая модель и задана расчетная сетка для двух диаметров трубки Бернулли ( 10мм и 15мм) , приведенная на фиг . За и ЗЬ , соответственно .

Результаты расчета приведены на фиг . 4а и 4Ь для диаметра трубки Бернулли 15 мм и на фиг . 5а и 5Ь для диаметра трубки Бернулли 10 мм, соответственно . На графиках фиг . 4а и 5а диаметр трубки Бернулли приведен по оси абсцисс, а продольный размер трубки Бернулли по оси ординат . Различными тонами показано значение скорости воздушного потока по длине трубки Бернулли, соответствие тона и значения скорости приведены на шкале справа от фиг . 4а и 5а . На фиг . 4Ь -и 5Ь приведен график значений скорости воздушного потока по длине трубки Бернулли .

Результаты расчета , приведенные на фиг . 4а и 4Ь и на фиг . 5а и 5Ь, показывают, что при переходе воздушного потока из трубы с диаметром 50 мм в трубку с диаметром 15 мм, его скорость возрастет до 11 м/сек, а при переходе в трубку с диаметром 10 мм скорость воздушного потока достигнет 16 , 7 м/сек (что по шкале Бофора составляет 7 баллов и на суше характеризуется качанием стволов деревьев и вызывает затруднение при ходьбе против ветра) .

Результаты расчета скорости воздушного потока после его выхода из трубки Бернулли диаметром 15 мм и 10 мм приведены на Фиг . 6а и 6Ь и Фиг . 7а и 7Ь, соответственно . На графиках Фиг . 6а и 7а диаметр трубки Бернулли приведен по оси абсцисс, а продольный размер трубки Бернулли по оси ордина . Различными тонами показано значение скорости воздушного потока по длине трубки Бернулли и за ее пределами на выходе из трубки Бернулли, соответствие тона и значения скорости приведены на шкале справа от фиг . 6а и 7 а . На фиг . 6Ь и 7Ь приведен график значений скорости воздушного потока по длине трубки Бернулли и за ее пределами на выходе из трубки Бернулли .

Длины этих трубок составляют 50 мм . Их конец отмечен вертикальными пунктирными линиями .

Из графиков видно, что для трубок Бернулли диаметром 15 мм, на расстоянии до 20 мм за пределами трубки скорость воздушного потока в продольном сечении не падает ниже 11 , 5 м/сек, а для трубки диаметром 10 мм, не падает ниже 16 м/сек, т . е . также характеризуется 7 баллами по шкале Бофора .

Фиг . 8 и 9 демонстрируют скорость воздушного потока в поперечном сечении на выходе из трубки на различных расстояниях от ее края ( 0мм, 5мм, 10мм и 15мм) для трубки Бернулли диаметром 15мм и 10 мм, соответственно . Горизонтальная ось трубки соответствует значению 40мм . Результаты вычислений демонстрируют достаточную равномерность скоростей на сравнительно небольшом удалении от края трубки .

Промышленная применимость .

Предложенный ветрогенератор турбинного типа позволяет, при значительном упрощении его ¹ конструкции, резко повысить выработку электроэнергии при слабом ветре , что обеспечит его широкое использование в промышленности и быту .