Область техники

Заявляемое изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к устройствам для преобразования энергии ветра и восходящих воздушных потоков, протекающих в вертикальных трубах, в электрическую или механическую энергию.

Предшествующий уровень техники

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая используемую в качестве генератора воздушной тяги вертикальную трубу, сформированную из следующих одна за другой секций: установленной на фундаменте нижней конфузорной части с проёмами для захода воздуха; средней цилиндрической части и верхней диффузорной части; а также размещенные в средней цилиндрической части трубы турбина и связанный с ней электрогенератор (авторское свидетельство СССР N°1134771, приоритет от 09.04.1981 г., опубл. 15.01.1981 г., бюл. N°2).

Эта известная установка позволяет увеличить свою мощность за счёт увеличения скорости воздуха, поступающего в конфузорную часть трубы через её проёмы.

Недостатком этой известной ветроэнергетической установки является её ненадёжность, вызываемая нестабильностью скорости ветрового потока над устьем её трубы, создающего непостоянную во времени разницу давления воздуха на входе-выходе трубы, обуславливающую нестабильность воздушной тяги в трубе, нестабильность её мощности, нестабильность работы установки в целом, и, как следствие, нестабильность нагрузки на турбину и электрогенератор, понижающую их надёжность и срок службы, а также надёжность и срок службы ветроэнергетической установки в целом. При этом используемая в этой установке вертикальная труба не обеспечена узлом, надёжно удерживающим её по высоте, поэтому она не может иметь большую, требующую её надёжной устойчивости, высоту.

Наиболее близкой к заявленному техническому решению является ветроэнергетическая установка, содержащая вертикальную трубу, сформированную из следующих одна за другой секций: установленной на фундаменте нижней конфузорной секции с проёмами для захода воздуха, а также средней цилиндрической и верхней диффузорной секций; турбину и электрогенератор, размещенные в средней цилиндрической секции трубы, а также дефлектор с патрубком, расположенный над её выходным устьем трубы (Патент на полезную модель N° 96 401, приоритет от 09.02.2010 г., опубл. 27.07.2010 г., бюл. JV» 21).

Эта наиболее близкая к заявляемому изобретению ветроэнергетическая установка позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра и, как следствие, эффективность этой установки.

Недостатком этой наиболее близкой ветроэнергетической установки, тем не менее, является её неэффективность, вызываемая нестабильностью скорости ветрового потока над устьем её трубы, создающего непостоянную во времени разницу давления воздуха в зоне расположения турбины и обуславливающего нестабильность тяги в трубе и, как следствие, нестабильность нагрузки на турбину и электрогенератор, понижающую их надёжность, а также надёжность ветроэнергетической установки в целом. При этом, используемая в этой установке вертикальная труба также как и известная, приведенная выше установка, не обеспечена узлом, надёжно удерживающим её по высоте, поэтому она не может иметь большую, требующую её надёжной устойчивости, высоту.

5 Раскрытие изобретения

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении надёжности конструкции стабилизированием могцно- сти воздушного потока в трубе, обеспечивающим в ней стабильно 10 мощную вертикальную тягу, способствующую удержанию трубы в устойчивом вертикальном положении, а также стабилизированию нагрузки на турбину и связанный с ней электрогенератор, и, кроме то- го, упрочнением конструкции в целом за счёт охвата её трубы сило- вым, удерживаемым тросовой системой, каркасом, сформирован- 15 ным в несущую башню.

Указанный технический результат достигается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая вертикальную трубу, сформированную из следующих одна за другой секций: установленной на фундаменте нижней конфузорной секции с 20 нагревательным элементом и с проёмами для захода воздуха, средней цилиндрической и верхней диффузорной секций, турбину и электрогенератор, размещенные в средней цилиндрической секции трубы, а также дефлектор с патрубком, расположенный над выходным устьем трубы, ... дополнительно снабжена профилированными 25 элементами, охватывающими секции трубы и формирующими в сборе закреплённую на фундаменте несущую секционно-сборную решётчатую башню, являющуюся силовым каркасом установки; тросами, связывающими центральную часть несущей башни с фундаментом, регулятором скорости выходящего из трубы воздушного потока, выполненным в форме дискового кольца с управляемыми сервоприводом подвижными сегментами и установленным в устье диффузорной секции трубы с закреплением к профилированным элементам, охватывающим диффузорную секцию трубы, датчиком скорости потока воздуха, установленным в средней цилиндрической секции трубы перед турбиной, блоком управления, связанным с сервоприводом регулятора скорости воздушного потока, выходящего из трубы, и с датчиком скорости потока воздуха, а также конфузорными вставками, установленными в воздушных проёмах нижней конфузорной секции трубы, при этом, турбина имеет лопасти и вал, установленный в подшипниках, закреплённых к профилированы^ элементам средней секции несущей башни, и связанный с валом электрогенератора, а секции трубы выполнены разъёмными и скрепляемыми между собой и с секциями несущей башни, при этом, труба установлена на фундаменте с возможностью расположения её выходного устья на высоте 50-150 м, причём дефлектор закреплен к профилированным элементам несущей башни.

Включение в работу ветроэнергетической установки нагрева- тельного элемента, размещенного в конфузорной части аэродина- мической трубы, позволяет с его помощью подогревать окружаю- щий его входящий воздушный поток, который, ускоряясь, поднима- ется к турбине, увлекая за собой основной воздушный поток возду- ха, поступивший в конфузорную секцию трубы, позволяя, тем са- мым, дополнительно увеличить эффективность работы турбины.

Краткое описание чертежей

Предлагаемое изобретение иллюстрируются чертежами:

Fig.1 - Ветроэнергетическая установка в сборе, аксонометрия; Fig.2 - Вид А на фиг.1.

Fig.3 - Вид В на фиг.1.

Fig.4 - Регулятор скорости потока в полностью открытом

положении;

Fig.5 - Регулятор скорости потока в промежуточном положении; Fig.6 - Регулятор скорости потока в крайне-закрытом положении.

Лучший вариант осуществления изобретения Ветроэнергетическая установка содержит:

- Вертикальную трубу 1 (Fig.1 ), сформированную из следующих одна за другой секций: установленной на фундаменте 2 нижней конфузорной секции 3 с проёмами 4 и установленными в них с ориентацией в сторону устья трубы конфузорными вставками 5 (Fig.2), а также средней цилиндрической 6 (Fig.1 ) и верхней диффузорной 7 секций. При этом, по своей высоте труба 1 рассчитана с учётом расположения её выходного устья на высоте 50

- 150 м в зависимости от широты места её установки, т.е. в прилегающем к земной поверхности слое атмосферы, характеризующегося высокой плотностью воздуха и стабильной скоростью ветра.

- Несущую секционно-сборную решётчатую башню 8 из профили- рованных элементов 9, охватывающих секции трубы 1.

- Турбину 10 (Fig.3) с валом 11 , установленным в подшипниках 12, закреплённых с помощью кронштейнов 13 на профильных элементах 9 средней секции 6 несущей башни 8.

- Электрогенератор 14, связанный с валом 11 турбины 10.

- Дефлектор 15 с патрубком 16, расположенный над выходным устьем трубы 1. - Регулятор скорости потока воздуха 17 (Fig.4 - 6), выходящего из трубы 1, выполненный в виде дискового кольца с подвижными, управляемыми сервоприводом 18, сегментами 19 и установленного в устье диффузорной секции 7 трубы 1 с закреплением к профилиро- ванным элементам 9 несущей башни 8, охватывающим эту диффу- зорную секцию 7 трубы 1.

- Тросы 20 (Fig.1), связывающие среднюю секцию 6 несущей башни 8 с фундаментом 2.

- Датчик скорости потока воздуха 21, установленный в средней цилин- дрической секции 6 трубы 1 перед входом потока воздуха в турбину 10.

- Блок управления 22 (Fig.2), связанный и с сервоприводом 18 регулятора скорости воздушного потока 17, выходящего из трубы 1 , и с датчиком скорости потока воздуха 21 ;

- Нагревательный элемент 23 установленный на фундаменте 2 в конфузорной секции 3 трубы 1.

Промышленная применимость

Ветроэнергетическую установку монтируют следующим образом. Вначале на установленном горизонтально сборочном стапеле (не показан), состоящем из трёх секций, соответствующих секциям несущей башни 8, собирают нижнюю секцию несущей башни 8 из профилированных элементов 9 для охвата ею конфузорной секции 3 трубы 1. Затем в неё монтируют изготовленную в заводских условиях конфузорную секцию 3 трубы 1, оснащённую конфузорными вставками 5, установленными в её проёмах 4 с ориентацией в сторону устья трубы, и стягивают профилированные элементы 9 несущей башни 8 между собой, скрепляя, таким образом, секции башни 8 и трубы 1 друг с другом.

После этого на этом стапеле производят сборку средней секции несущей башни 8 из профилированных элементов 9, предназначенной для охвата средней секции 6 трубы 1, а затем в неё монтируют изготовленную в заводских условиях среднюю секцию 6 трубы 1, стягивая её профилированными элементами 9 несущей башни 8. Далее на профилированных элементах 9 закрепляют специализированные кронштейны 13 для установки на них турбины 10 с датчиком скорости потока воздуха 21 и с электрогенератором

14, пропуская их через технологические, герметизируемые в дальнейшем, проёмы (не показаны) трубы 1. Затем осуществляют монтаж турбины 10 с датчиком скорости потока воздуха 21 и с электрогенератором 14 в полной комплектации заводской сборки с опорными подшипниками 12 на кронштейны 13.

Таким же образом на этом стапеле монтируют диффузорные секции несущей башни 8 и трубы 1, стягивают профилированные элементы 9 несущей башни 8 между собой, скрепляя, таким образом, секции башни 8 и трубы 1 друг с другом.

Затем, все предварительно собранные секции трубы 1 и несущей башни 8 стягивают между собой в единую конструкцию и производят демонтаж собранной установки со сборочного стапеля.

После этого с помощью специальной полиспастной системы и лебёдок (не показаны) устанавливают собранную конструкцию на фундамент 2 с возможностью расположения её выходного устья на высоте 50 - 150 м в зависимости от широты места её установки, закрепляют на нём и монтируют к профильным элементам 9 средней секции несущей башни 8 тросы 19, закрепляя их с натяжением на фундаменте 2. Далее в устье диффузорной секции 7 трубы 1 устанавливают регулятор скорости воздушного потока 17 и дефлектор 15, закрепляя их к профильным элементам 9 верхней секции несущей башни 8.

После этого внутрь конфузорной части аэродинамической трубы 1 через технологические проходы (не приведены) устанавливают блок управления 21 и нагревательный элемент 22.

Ветроэнергетическая установка готова к работе.

Установка работает следующим образом.

Генерация восходящего воздушного потока в трубе 1 складывается из ряда взаимосвязанных параметров воздушной среды, окружающей установку:

- перепада давлений на разных горизонтах трубы 1 ;

- разницы температур на разных горизонтах трубы 1 ;

- объёма воздушной массы, поступающей через конфузорные вставки 5 в конфузор-ную секцию 3 трубы 1 ;

- отсоса ветропотоком воздушной массы из диффузорной секции трубы 1 за пределы установки.

Благодаря установке регулятора скорости потока 17 осуществляют управление режимами работы турбины 10 для оптимизации её работы, исключающей нештатные аварийные ситуации.

Вследствие постоянного движения восходящего воздушного потока в трубе 1 осевая турбина 10 начинает вращаться, а электрогенератор 14 вырабатывать электроэнергию. При этом поток ветра, протекая над устьем вертикальной трубы 1, производит отсос воздуха из зоны диффузорной секции 7, создавая в ней зону пониженного давления, увеличивающую скорость восходящего потока в трубе и производительность турбины 10. Наружный воздух при любом направлении ветра прежде посту- пает в конфузорные вставки 5 конфузорной секции 3 трубы 1 , уско- ряется в них и, вследствие расположения конфузорных вставок с ориентацией в сторону устья трубы 1 , направляется вверх на турби- ну 10, воспринимающую его ускоренный напор и увеличивающую скорость своего вращения. Ускоренно вращаемый воздушным пото- ком вал 1 1 турбины 10, связанный с валом 14 электрогенератора 13, заставляет последний вращаться быстрее и вырабатывать электро- энергию. Пройдя через лопатки турбины 10, ускорившийся в трубе поток направляется в диффузорную секцию 7 трубы и попадает под воздействие регулятора скорости 17, который с помощью своего сервопривода 18, получившего сигнал от блока управления о скоро- сти потока воздуха, измененной датчиком 21 , сдвигает, либо раз- двигает между собой свои сегменты 19 в зависимости от скорости потока в рабочей зоне трубы 1 , изменяя, таким образом, его интенсив- ность, определяющую скорость вращения турбины 10 с требуемым ре- гулируемым числом оборотов и выработку электрогенератором 13 электроэнергии требуемой мощности.

Таким образом, заявляемое изобретение за счёт совокупности своих существенных признаков позволяет обеспечить надёжность конструкции стабилизированием мощности воздушного потока в вертикальной трубе, обеспечивающим в ней стабильно мощную вертикальную тягу, способствующую удержанию трубы в устойчивом вертикальном положении, а также стабилизированию нагрузки на турбину и связанный с ним электрогенератор, и кроме того, упрочнением конструкции в целом за счёт охвата её трубы силовым, удерживаемым тросовой системой, каркасом, сформированным в несущую башню. Заявляемое изобретение в настоящее время проходит стадию рабочего проектирования для последующего возведения и использования.