Ветроэнергетическая установка и способ управления отбором мощности ветрового потока, ометаемого ветроротором ветроэнергетической установки

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОТБОРОМ МОЩНОСТИ ВЕТРОВОГО ПОТОКА, ОМЕТАЕМОГО ВЕТРОРОТОРОМ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ(71) Заявитель Лаврентьев Николай Алексеевич(72) Авторы Лаврентьев Николай Алексеевич Пекелис Всеволод Григорьевич(73) Патентообладатель Лаврентьев Николай Алексеевич(57) 1. Ветроэнергетическая установка, содержащая трубчатую опору, ветроротор вертикальной оси вращения с крыльчатыми ветроколесами, связанными по вертикали желобчато Фиг. 3 15187 1 2011.12.30 геликоидными лопастями и приводным валом с электрогенератором, пространственным концентратором с принудительно-поворотными регулирующими захват ветрового потока ветроприемными экранами, причем трубчатая опора выполнена в виде восходящего к ветроротору тягового паропровода с охладительным водным бассейном градирни, содержащего под ветроротором устройство охлаждения паровоздушной смеси и устройство охлаждения воздушных масс, а электрогенератор оснащен устройством преобразования электрогенератора в электродвигатель вращения ветроротора в попутном или реверсивном направлении ветровому потоку с регулятором скоростей вращения ветроротора. 2. Способ управления отбором мощности ветрового потока, ометаемого ветроротором ветроэнергетической установки по п. 1, включающий захват ометаемого ветроротором ветрового потока, формирование вихревой воронки, уплотненной по периметру в зоне,примыкающей к ветроротору, и формирование воздушного потока непрерывными восходящими геликоидными воздушными струями с принудительным подсосом по периметру ветроротора от наветренной к подветренной зоне, при этом снизу вдоль разреженной вертикально-осевой зоны пониженного давления воздуха вихревую воронку пополняют созданными работающим в режиме производства электроэнергии ветроротором непрерывными восходящими геликоидными воздушными струями паровоздушной смеси, уплотненной в трубчатой опоре от переполняемого водой охладительного водного бассейна градирни,сверху в трубчатой опоре в зоне взаимодействия вихревой воронки с восходящими геликоидными воздушными струями уплотненной паровоздушной смеси регулируют интенсивность этого взаимодействия при регламентированном уровне охлажденной воды в охладительном водном бассейне градирни, причем при недостатке воды в охладительном водном бассейне градирни сверху в трубчатой опоре в зоне взаимодействия захватываемого ветрового потока с восходящими геликоидными воздушными струями уплотненной паровоздушной смеси для регулирования интенсивности взаимодействия изменяют направление воздействия геликоидных воздушных струй ветроротора на обратное и направленное вниз, при этом в зоне, примыкающей к ветроротору снизу, создается нисходящий воздушный поток в виде опрокинутой вихревой воронки, насыщенной и искусственно охлажденной паровоздушной смесью из атмосферы. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что захватываемый ветровой поток направляют под изменяемым углом к геликоидным воздушным струям, при этом расширяют зону захвата ветрового потока в периметре от наветренной стороны к подветренной, и в расширенной зоне захвата ветрового потока с наветренной стороны изменяют направление его воздействия на ветроротор из-за пределов наветренной зоны в вертикально-осевую зону к сформированному восходящему или к сформированному нисходящему воздушным потокам, а затем направленный к восходящим геликоидным воздушным струям уплотненной паровоздушной смеси сформированный воздушный поток охлаждают до уровня образования в нем конденсата и пополнения этим конденсатом охлаждаемой воды в водном бассейне градирни. Изобретение относится к механике в области конструирования ветроэнергетических установок и может быть использовано в различных областях хозяйственной деятельности. Известен способ получения электроэнергии на входе в вертикальную трубу под воздействием восходящего в трубе воздушно-тягового подогретого в солнечном тепловом аккумуляторе-парнике потока воздуха 1. Известен также способ управления отбором мощности ветрового потока путем создания вихревого потока во внутренней полости ветроротора 3, 4, обеспечивающего подтягивание ветрового потока внутрь ветроротора по принципу ветряного турбонасоса с дополнительным формированием вихря, уплотненного по своему периметру, в зоне, примыкающей к ветроротору, а вихрь формируют геликоидными непрерывными ветровыми 2 15187 1 2011.12.30 струями в форме вихревой воронки. Во внутренней полости ветроротора принудительно создают разрежение 2, 3, 4, а на входе во внутреннюю полость ветроротора образуют принудительный подсос воздушной массы с разрежением вдоль оси вихря. Перечисленные способы действуют избирательно преобразуют в энергию пользования или энергию тягового потока, или энергию ветра. Целью изобретения является объединение способов переработки потоков как отдельно каждого тягового или ветрового, так и объединенного тягового и ветрового. Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ получения энергии под воздействием восходящего в трубе воздушно-тягового подогретого потока воздуха воздушно-вакуумной электростанцией 5. Достоинство известного способа заключается в достаточно высоком значении коэффициента использования энергии восходящего воздушного тягового потока, воздействующего на воздушную турбину. Недостаток известного способа связан с нерациональными реализацией нагрева тяговых воздушных масс, не совмещенных с другими источниками подогрева воздуха, а также использованием энергии ветрового потока, отсутствием оптимизации способов и реализации такого совмещения. В основу изобретения положена задача реализации способа и технического решения выработки электроэнергии под совместным воздействием ветра и подъемной силы нагретых тяговых воздушных масс различными источниками подогрева воздуха и оптимизации способов и технической реализации такого совмещения. Поставленная задача решается за счет того, что способ управления отбором мощности ветрового потока, ометаемого ветроротором ветроэнергетической установки, включает формирование вихревой воронки, уплотненной по периметру в зоне, примыкающей к ветроротору, и формирование геликоидными непрерывными восходящими воздушными струями с принудительным подсосом по периметру ветроротора от наветренной к подветренной зоне ветрового потока, ометаемого ветроротором. Вихрь снизу вдоль разреженной вертикально-осевой зоны пониженного давления пополняют теплым восходящим потоком уплотненной газовоздушной смеси, а сверху в зоне взаимодействия ветрового потока с теплым восходящим потоком регулируют интенсивностью воздействия ветрового потока на зону взаимодействия восходящего тягового и ветрового потоков. Целесообразно, если ветровой поток направляют под углом к геликоидным ветровым струям ометаемую поверхность расширяют относительно сформированного вихря в периметре ветроротора от наветренной к подветренной зоне, а в зоне расширения захвата ветрового потока с наветренной стороны изменяют направление ветрового потока к ветроротору за пределами наветренной зоны в вертикально-осевую зону. Технологично, если тепловой восходящий поток и вихрь снизу вверх вдоль разреженной вертикально-осевой зоны пониженного давления удлиняют, а регулируют интенсивность удлинения поярусно. Техническая реализация способов рассмотренных аналогов и прототипа осуществляется известными конструкциями ветроэнергетических установок, содержащих воронкообразный конусный концентратор с формирователями вихря на выходе из воронки при входе в трубу, надстроенной над вершиной конуса 2, и установленных в зоне вихря крыльчатых ветроколес вертикальной оси вращения, связанных с редуктором-мультипликатором и генератором 3, 4, 5. Известны также ветроэнергетическое устройство, содержащее крыльчатые ветроколеса, к крыльям которых прикреплены геликоидальные желобчатые вихреобразующие лопасти 7, образующие цилиндроид вращения. Известны воздушно-тяговые устройства, преобразующие в электрический ток подъемную силу тяговых потоков нагретых воздушных масс 1 и 6, восходящих в трубе высотой 0,5-1,0 км,и содержащие электрогенератор с приводом от воздушной турбины, установленной внутри трубы. Недостатком рассматриваемых устройств является избирательность преобразования преимущественно одного из видов воздушных потоков. 3 15187 1 2011.12.30 Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа для реализации способа получения энергии под воздействием восходящего в трубе воздушно-тягового подогретого потока воздуха, является воздушно-вакуумная электростанция 5 для производства электроэнергии, содержащая вертикальную трубу, установленную на опоре, размещенную на входе в трубу воздушную турбину с электрогенератором, трансформатором и теплоэлектронагревательными элементами для подогрева воздушного потока в трубе опора трубы выполнена в виде помещения с двумя этажами. Достоинство известного устройства заключается в достаточно высоком значении коэффициента использования энергии восходящего воздушного тягового потока, воздействующего на воздушную турбину. Недостатки известной конструкции связаны с нерациональной реализацией нагрева тяговых воздушных масс, не совмещенных с другими источниками подогрева воздуха, а также с отсутствием устройства преобразования энергии ветрового потока в энергию пользования, как и оптимизации способов и технической реализации такого совмещения. Согласно поставленной задаче ветроэнергетическая установка для реализации способа должна содержать трубчатую опору, ветроротор вертикальной оси вращения с крыльчатыми ветроколесами, связанными по вертикали желобчато-геликоидными лопастями и приводным валом с редуктором-мультипликатором, электрогенератором, пространственным концентратором с принудительно-поворотными регулирующими захват ветрового потока ветроприемными экранами, оснащенными по наружному периметру сдвоенными флюгарками. Ветроэнергетическая установка установлена на шатровом фундаментном концентраторе с энергоприемными гранями на освещенной солнцем стороне, а от энергоприемных граней выполнен восходящий к ветроротору воздуховод, соединенный с проточной полостью от источника пополнения теплого восходящего потока уплотненной газовоздушной смеси, подведенной вдоль фундаментного шатрового концентратора к трубчатой опоре в виде восходящего к ветроротору тягового воздуховода. Целесообразно в ветроэнергетической установке тяговый воздуховод выполнить из каскада горизонтально-поворотных регулирующих захват ветрового потока ветроприемных экранов, в раструбе которого установлен каскад из расположенных внутри ветророторов,из которых каждый содержит верхнее и нижнее крыльчатое ветроколесо, связанных желобчато-геликоидными лопастями и приводными валами, соединенными через конические передачи и промежуточные валы с редукторами-мультипликаторами и электрогенераторами. На фиг. 1 приведен общий вид ветроэнергетической установки на фиг. 2 - схема работы тягового потокапри отсутствии ветра в продольном сечении ветроэнергетической установки на фиг. 3 - схема совместной работы ветровогои тяговогопотоков в продольном сечении ветроэнергетической установки на фиг. 4 - продольное сечение ветроротора с пространственным концентратором ветроэнергетической установки по фиг. 1 на фиг. 5 - схема работы ветрового потокав сечении Г-Г по фиг. 4 на фиг. 6 - продольное сечение ветроротора с пространственным концентратором,оснащенным флюгарками на фиг. 7 - схема работы ветрового потокав сечении Ф-Ф по фиг. 6 на фиг. 8 - поперечное сечение Н-Н геликоидно-желобчатой лопасти по фиг. 5 на фиг. 9 - развертка геликоидно-желобчатой лопасти на фиг. 10 - поперечные сечения Е-Е и К-К крыльчатой лопасти в крутке крыльчатого ветроколеса по фиг. 5 на фиг. 11 - общий вид ветроэнергетической установки многоярусного исполнения на фиг. 12 - продольное сечение ветроэнергетической установки по фиг. 11 на фиг. 13 - продольное сечение вершинной ветроэнергетической установки по фиг. 11 на фиг. 14 - схема работы ветрового потокав поперечном сечении Я-Я по фиг. 13. 4 15187 1 2011.12.30 Ветроэнергетическая установка по фиг. 1, 2, 3 содержит трубчатую опору 1, ветроротор 2 вертикальной оси вращения с крыльчатыми ветроколесами 3, связанными по вертикали геликоидно-желобчатыми лопастями 4 и приводным валом 5 с коническим редуктором 6. Конический редуктор 6 по горизонтали соединен главным валом 7, электрогенератором 8,пространственным концентратором 9 с принудительно-поворотными регулирующими захват ветрового потокаветроприемными поворотными экранами 10. Экраны 10 оснащены по наружному периметру (фиг. 6 и 7) сдвоенными флюгарками 11. Ветроэнергетическая установка установлена на шатровом фундаментном концентраторе 12 с гелионагревательными энергоприемными гранями 13 и с остеклением 14 над воздушными массами шатрового фундаментного концентратора на освещенной солнцем стороне. В шатровом фундаментном концентраторе 12 выполнен восходящий к ветроротору 2 тяговый воздуховод 15 в виде трубчатой опоры 1, соединенный с проточными полостями 16 для подвода уплотненной газовоздушной смеси Г от источника газовоздушной смеси, например котельной топки 17. Ветроэнергетическая установка по фиг. 11, 12, 13 состоит из шатрового конусного концентратора 18, над раструбом 19 которого установлен ветророторный каскад 20 с расположенными внутри пространственными концентраторами 9 и попарно ветророторами 2 и 21 через приводные торсионные 22 и трубчатые 23 валы. Эти валы соединены через конические передачи 24 и промежуточные валы 25 и 26 с редуктором-мультипликатором 27 и контрроторным электрогенератором 28. По наружному периметру на каждом ярусе 29,30, 31 ветророторного каскада 20 пространственные концентраторы 9, объединенные ветроприемными поворотными экранами 10, установлены под острым угломв направлении вращения ветророторов 2. Регулирующее устройство 32 ступенчатого удлинения зоны П пониженного давления восходящего вихря Е выполнено в виде восходящего к ветроротору 2 тягового воздуховода 33, составленного из принудительно-поворотных регулирующих захват ветрового потока ветроприемных поворотных экранов 10 на каждом ярусе 29, 30, 31 ветророторного каскада 20. По фиг. 4 обечайка 36 соединена с нижним кольцевым основанием 37 и бандажом 38 тягового воздуховода 15 боковинами 39, ребрами 40 и покрытием 41 пространственного концентратора 9. К обечайке 36 крепятся тяги 42 с талрепами 43 и вертлюгом 44, центрирующими приводной вал 5 ветроротора 2. Пространственный концентратор 9 оснащен приводом 45 управления 46 вращением ветроприемных поворотных экранов 10. Для повышения эффективности работы шатрового конусного концентратора 9 по фиг. 11 на его поверхности установлены поребрики 47. Каждый ярус 29, 30 и 31, следующий за нижним ярусом 20, также оснащен дополнительными конусными концентраторами 48 с поребриками 49 и 50. Привод 45 обеспечивает разворот ветроприемных поворотных экранов 10 на шарнирах 51. Величина экранирования ветрового потока пространственными концентраторами 9 на каждом ярусе с высотой ветроэнергетической установки уменьшается по мере нарастания скорости ветра , начиная от цокольного 29 к верхнему ярусу 31. По фиг. 9 и 10 флюгарки 11 ветрозахватами 52 и 53 сверху и снизу через перемычки 54 и шарниры 55 присоединены к кронштейнам 56 боковин 39. По фиг. 6 в сечении Н-Н изображена желобчато-геликоидная лопасть 4 с желобом 57,а на фиг. 7, приведена развертка желобчато-геликоидной лопасти 4 с установленными в желобе 57 стрингерах 58 проемами 59 для истечения по желобу геликоидных струй Ж. В слабоветреных зонах используются двужелобчато-геликоидные лопасти 60 стреловидного профиля (фиг. 10). Крыльчатые лопасти 61 с круткой по сечениям К-К и Н-Н (фиг. 8) имеют каплевидный аэродинамический профиль. Вершинный пространственный концентратор 62 составлен из ветрозахватов 63, объединенных обечайкой 36 и кольцевым основанием 37 (фиг. 13). Кольцевые основания межярусно соединены патрубками 64, 65, 66. 5 15187 1 2011.12.30 Работает ветроэнергетическая установка следующим образом. При отсутствии ветра (по фиг. 1, 2) под воздействием восходящего тягового потока Т,сформированного под остеклением 14 над гелионагревательными энергоприемными гранями 13 нагретого воздушного потока Ю и газовоздушной смеси Г от источника тепла 17,поставляемого тяговым воздуховодом 15 к крыльчатым лопастям 61 ветроротора 2, создается крутящий момент М 1 на приводном валу 5. Электрический ток формируется в электрогенераторе 8 при вращении приводного вала 5, воздействующего через конический редуктор 6 на главный вал 7 электрогенератора. Вращение ветроротора 2 создает подсос воздушных масс из зоны У за счет эжекции между желобчато-геликоидными лопастями 4,ребрами 40 и поворотными экранами 10. Причем часть этих масс на выходе из геликоидно-направленных желобов 57 в виде геликоидных струй Ж формирует вихревой шлейф С над ветроротором 2. Чем выше вероятность высоких скорости и температуры тягового потока , тем вероятнее переход вихревого шлейфа в смерч и, соответственно, повышения крутящего момента на приводном валу 5 ветроротора 2, за счет лавинообразно увеличивающегося (особенно в теплое время суток) подсоса воздушных масс из-за пределов пространственного концентратора. При этом инерционность смерчеподобного вихря С вызовет подкручивание индуктивного тягового потока Е снизу на походе к ветроротору 2. Под воздействием ветра (по фиг. 1 и 3, 4, 5) отбор мощности ветрового потокаосуществляется ветроротором 2 ветроэнергетической установки из уплотненного ветрового потока в зоне У пространственным концентратором 9. Ометающий пространственный концентратор 9 ветервдоль боковин 39 поворотных экранов 10 и ребер 40, увеличивая скорость и уплотняясь в зоне У, воздействует на желоба 57 желобчато-геликодных лопастей 4, создает крутящий момент М 2, приплюсованный к крутящему моменту М 1 на приводном валу 5 (тогда ММ 1 М 2), формируя вихревую воронку С, уплотненную по периметру пространственного концентратора 9 в зоне, примыкающей к ветроротору, и формируемого геликоидными непрерывными восходящими от желобчато-геликоидных лопастей 4 воздушными струями Ж с принудительным подсосом по периметру ветроротора 2 от наветренной к подветренной зоне ветрового потока , ометающего ветроротор 2. Вихрь С снизу вдоль разреженной вертикально-осевой зоны Р пониженного давления пополняют теплым восходящим потоком Е, уплотненного газовоздушной смесью Г от восходящего тягового потока Т и сформированного под остеклением 10 над гелионагревательными энергоприемными гранями 13 нагретого солнечными лучами Л воздушного потока Ю в смеси с газовоздушной смесью Г от источника тепла 17 через полости 16 к тяговому воздуховоду 15. Управление мощностью ветроэнергетической установки в зоне взаимодействия ветрового потокас теплым восходящим потокомрегулируют интенсивностью воздействия ветрового потокавращением поворотных экранов 10, а в зоне взаимодействия восходящего тяговогои ветровогопотоков в воздуховоде 15 через проемы 68 трубчатой опоры 1 открытием заслонок 67. При этом зона расширения захвата ветрового потокаотносительно сформированного вихря С в периметре ветроротора 2 от наветренной к подветренной с наветренной стороны обеспечивается боковинами 39, поворотными экранами 10 и ребрами 40, а величина воздействия ветрового потока в зоне У ометаемой поверхности ветроротора 2 управляется совмещенным изменением направления ветрового потока В к ветроротору 2 по фиг. 6 и 7 флюгарками 11 и поворотными экранами 10. Управление мощностью при работе ветроэнергетической установки многоярусного исполнения по фиг. 11, 12, 13, 14 в условиях безветрия обеспечивается регулированием интенсивности удлинения теплового восходящего потока Т к нижней части зоны Е снизу вверх вдоль разреженной вертикально-осевой зоны Р пониженного давления. Регулировка интенсивности поярусного удлинения осуществляется увеличением высоты воздуховода 33 путем перекрытия поворотными экранами 10 поступления воздушных масс от пространственных концентраторов 9 последовательно на каждом ярусе 29, 30, 31. При этом 6 15187 1 2011.12.30 каждый каскад ветророторов 2 и 21 работает под воздействием восходящего тягового потокав воздуховоде 33, составленном из закрытых от внешнего воздействия воздушных масс шестигранных экранированных отрезков 69 (фиг. 14) и патрубков 64, 65, 66, связанных кольцевыми основаниями 37. Воздействие ветрового потокачерез пространственные концентраторы на каждом ярусе 64, 65, 66 на желобчато-геликоидные лопасти 4 ветророторов 2 и 21 создает крутящий момент М 1 на торсионных 22 и трубчатых 23 приводных валах (по фиг. 13). Величина крутящего момента и скорость вращения приводных валов регулируются подачей воздушных масс ветрового потокак желобчатым геликоидальным лопастям 4 через вертикальные щелевые проемы У за счет разворота поворотных экранов 10, управляемых приводами 45. Уровень концентрации воздушных масс и, соответственно, скорости набегающего ветрового потокана вертикальные щелевые проемы У и затем на желобчатые геликоидальные лопасти 4 зависит от углаустановки ребер 40 и величины разворота поворотных экранов 10. В зоненабегающий ветровой поток, попадая в желобчато-геликоидные лопасти, по спирали скользит вверх и сходит с лопастей в форме вихря С. Затем, последовательно перетекая от яруса 29 к ярусу 31 вдоль каскада ветророторов 2 и 21, скорость и плотность вихря увеличивается и на выходе из яруса 31, при определенных условиях, может достигнуть состояния смерча, т.е. устойчивости работы вихря С, создавая при этом саморегуляцию работы ветроэнергетической многоярусной установки в целом. Восходящий поток П последовательно с ускорением за счет вихря С воздействует на ветроколеса 20 и ветророторов 2 и 21 на каждом ярусе 64, 65, 66, создавая крутящие моменты М 2 и М 3 на приводных валах 22 и 23, связанных через конические передачи 24 и промежуточные валы 25 и 26 с якорем 70 и через редуктор-мультипликатор 27 с контрротором 71 контрроторного электрогенератора 28. При этом обеспечивается противовращение якоря 70 и контрротора 71 и, соответственно, увеличивается скорость взаимодействия электромагнитных полей обмоток контрроторного электрогенератора 28 с более высокой эффективностью по сравнению с обычным электрогенератором 8. За счет восходящего вихря С в цилиндроиде 6 приращение скорости ветра и, соответственно, крутящего момента М 2 каждого последующего поярусно вверх ветроротора весьма существенно. Поэтому, помимо регулировок створками 24 подсоса воздушных масс и воздействий ветрового потока , ограничение объемов воздуха, проходящих через ветророторы, достигается уменьшением с высотой геометрических размеров пространственных концентраторов. Суммарный крутящий момент ММ 1 М 2 за счет устойчивого поярусного вихреобразования может обеспечить максимальную эффективность преобразования энергии ветра ветроэнергетической многоярусной установкой на уровне 85-95 даже при скорости ветра 5-7 м/с вследствие смерчеподобного шлейфа и выше по сравнению с традиционной ветроэнергетикой 35-45 на скоростях ветра 10-15 м/с. Проведенные испытания элементов натурных моделей ветроэнергетической многоярусной установки на кафедрах Белорусского национального технического университета подтвердили приведенные выше технико-энергетические параметры заявляемого объекта. Источники информации 1. Солнечная башня. Чудесавека. // Комсомольская правда в Белоруссии. 22.09.2002. 2. Шибалова А.М. и др. О роли нетрадиционных возобновляемых энергоисточников в развитии энергетики Обзорная информация. Серия 44.09. Энергоресурсы. Выпуск 1. Ветроэнергетика. - Мн. БелНИИНТИ, 1991. - С. 38, 52-53, рис. 8. 3. Патент 10426, доп. к 1654, 88 с, 1 и 21 С, 50 (30.09.1926). Ветроэнергетическое устройство. 7 15187 1 2011.12.30 4. Патент 9025, МПК 703 3/ 00. Ветроэнергетическая установка. 5. Патент 2111381 1, МПК 603 3/04 (05.04.1994). Воздушно-вакуумная электростанция для производства электроэнергии. 6. Патент 2138684, МПК 603 7/00 (23.06.1998). Устройство для переработки воздушных потоков для производства электроэнергии. 7. Патент 2178830 2, МПК 703 /00 (09.09.1999). Способ управления отбором мощности ветрового потока и ветроэнергетическое устройство. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 10