Комбинированная ветроэнергетическая установка

63 9/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Жлобич Анатолий Викторович Санкович Евгений Савельевич Хвесько Геннадий Михайлович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) 1. Комбинированная ветроэнергетическая установка, содержащая полую вертикальную башню на опорах, ветродвигатель с вертикальным валом и электрогенератором, по меньшей мере одну газотурбинную установку, газовый эжектор, редуктор, сообщенный с электрогенератором, отличающаяся тем, что содержит здание, снабженное теплоизоляцией стенок и размещенное по центру башни на плоских опорах, которые, как и опоры башни,установлены с возможностью поворота и эксцентрично башне, выполненный в грунте смежный отсек, в котором размещены редуктор и сообщенный с ним электрогенератор, а под зданием в каналах грунта размещена горизонтально газотурбинная установка, выход которой сообщен с газовым эжектором, выполненным криволинейным. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что включает две или более газотурбинные установки, расположенные в каналах симметрично между собой с выходом в газовый эжектор. 6039 1 Изобретение относится к области энергетики, а именно к силовым установкам с комбинированным использованием энергии ветра и газотурбинных двигателей. Известно применение автономной газотурбинной установки (ГТУ) для создания искусственного ветра и вентиляции пространства глубоких карьеров на открытых горных разработках 1. По данным 2 здесь использованы как турбовинтовой двигатель, так и турбореактивный - с эжекторным устройством. Известна также судовая энергетическая установка 3, содержащая поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и ветряной двигатель с валом отбора мощности для привода вспомогательных агрегатов или получения электрической энергии, накапливаемой в аккумуляторе. О широком распространении в мире комбинированных ветродизельных установок свидетельствуют труды конференции 4. В свою очередь в работе 5 дан анализ работы ветрогазотурбинных установок с горизонтальной осью вращения ротора при использовании пневмопередачи для привода электрогенератора. Характерными особенностями таких установок являются наличие полых лопастей, эжектора на периферии лопасти с подачей подогретого газа. Таким путем достигается газодинамическая связь между газовым трактом пневмопередачи и ГТУ (однопоточная схема). Аналогом заявляемого изобретения служит судовая ветроэнергетическая установка 6, которая содержит вертикальную вытяжную башню с ветродвигателем внутри нее, в верхней части. Установка не может максимально использовать все воздушные потоки, обдувающие судно, хотя это предполагается. Близким аналогом заявляемой разработки служит патент России 7, по которому газовая турбина ветроэнергетической установки работает на парогазовой смеси, поступающей из подземного сооружения, где источником теплоты служат окружающие породы. Установка отличается и тем, что газовая турбина размещена вертикально, снабжена на входе многоступенчатым эжектором, однако не имеет газодинамической связи с ветроколесом. Основной недостаток упомянутой установки - сложность конструкции, следовательно, трудность ее изготовления в связи с необходимостью бурить сверхглубокие скважины с размещением в них длинных трубопроводов. Разработки по патентам 6 и 7 приняты прототипами как ближайшие для предлагаемого изобретения, хотя каждая из них содержит свою идею. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности комбинированной ветроустановки в случае альтернативного использования ГТУ вместо поршневого ДВС. Задача решается тем, что комбинированная ветроэнергетическая установка, содержащая полую вертикальную башню на опорах, ветродвигатель с вертикальным валом и электрогенератором в здании по центру башни, а также, по меньшей мере, одну газотурбинную установку с газовым эжектором, редуктором и электрогенератором, оборудована таким образом, что газотурбинная установка и газовый эжектор на выходе из нее размещены в каналах грунта под зданием, а редуктор и электрогенератор - в смежном подземном отсеке. Здание по центру башни, снабженное теплоизоляцией стенок, размещено на плоских опорах, которые, как и опоры башни, установлены с поворотом и эксцентрично башне. В свою очередь газовый эжектор размещен вертикально, соосно башне, выполнен криволинейным и снабжен шумоизоляцией стенок. При одновременном использовании двух или более ГТУ последние расположены в каналах грунта горизонтально и симметрично между собой с выходом в газовый эжектор. Существенное отличие предлагаемой установки состоит в том, что кроме внешнего естественного ветра на башне используются внутренние потоки газов, благодаря которым обеспечивается газодинамическая связь между ветродвигателем и ГТУ как единой системы. За счет поворота опор создается закрутка газового потока перед лопастями ветродвигателя по сечению башни. 2 6039 1 В то же время размещение ГТУ и эжектора в каналах грунта обеспечивает звукоизоляцию, а наличие смежного подземного отсека позволяет размещать и вспомогательные системы (топливо- и маслоснабжения, автоматического регулирования, электрические аппараты и др.). На фиг. 1 показан общий вид комбинированной ветроэнергетической установки на фиг. 2 - вид сверху, сечения А-А и Б-Б. Установку размещают на высоком участке пересеченной местности. Она представляет собой вертикальную полую башню 1 конфузорно-диффузорного типа, оборудованную нижними плоскими опорами 2. Над башней 1 расположены удлиненные лопасти 3 пропеллерного типа или другой известной конструкции, а внутри башни - укороченные лопасти 4 на общем вертикальном валу 5. Опорный и упорный подшипники вала закреплены в здании 6, расположенном по центру башни 1. Через механизм передач 7 и муфту 8 вал 5 связан с электрогенератором 9, питающим аккумулятор 10 или другие потребители энергии. Здание 6 расположено на плоских опорах 11, установленных с поворотом, тангенциально по отношению к башне 1, но в стыке с нею. Верхний пояс башни 1 и корпус здания 6 соединены между собой траверсами 12 (системой растяжек). Газотурбинная установка 13 снабжена воздухоочистителем 14 и размещена горизонтально в пространстве кольцевого канала 15, сообщенного с криволинейным эжектором 16,оборудованном в грунте по оси башни 1. Вал ГТУ передает вращение через редуктор 17 на электрогенератор 18, установленный в смежном теплоизолированном отсеке 19 с отдельным входом (не показан). Подземное помещение 19 предназначено также для размещения систем топливоснабжения ГТУ, автоматического регулирования, других систем и сообщено вентиляционным каналом 20 с эжектором 16. Стенки эжектора 16 выполнены из звукоизоляционного материала, пол здания 6 покрыт жаростойкой изоляцией 21, а снаружи здания оборудовано теплозащитное ограждение 22. Комбинированная ветроэнергетическая установка действует следующим образом. При благоприятных условиях, когда на склонах возвышенности дует сильный восходящий местный ветер 8, воздушный поток направляется в нижнюю часть башни 1 и получает начальную закрутку с помощью нижних опор 2. После дополнительной закрутки в опорах 11 поток движется в диффузорную часть башни 1 на укороченные лопасти 4, а также на лопасти 3 ветродвигателя, которые в совокупности создают большое геометрическое заполнение ротора. Опоры 2 и 11 выполняют роль направляющего аппарата для лопастей ветродвигателя в условиях неравномерности потока внутри башни. Горизонтальные потоки ветра притормаживаются снаружи башни 1, изменяют направление на вертикальное перед удлиненными лопастями 3. Формированию вертикального движения ветра способствует нагрев и плавучесть воздуха на поверхности башни 1 при солнечной погоде, а также при работе ГТУ. Вал 5 ветродвигателя через механизм передач 7 и муфту 8 вращает вал электрогенератора 9, вырабатывающего ток для аккумулятора 10. При среднем ветре, когда есть недовыработка электрической энергии ветродвигателем, автоматически запускается ГТУ 13, работающая с постоянной частотой вращения на частичных нагрузках. При этом через редуктор 17 синхронно подключается электрогенератор 18, покрывающий дефицит энергии. Воздух на входе ГТУ поступает в воздухоочиститель 14 и отдельным потоком движется в канал 15 за счет подсоса отработавшими газами в эжекторе 16. Объединенный газовый поток получает закрутку на опорах 11, и,будучи нагретым, движется в диффузоре башни 1 на лопасти 3 и 4 ветродвигателя. Таким образом, отработавшие газы ГТУ благодаря газодинамической связи создают искусственный ветер и тем самым частично поддерживают суммарную мощность ветроэнергетической установки. 3 6039 1 При очень слабом ветре или при полном штиле электрогенератор 9 с помощью муфты 8 отключен, также отключен и ветродвигатель или вращается в потоке отработавших газов ГТУ (режим авторотации). ГТУ работает с номинальной мощностью, и газовый эжектор 16 интенсивно охлаждает корпус ГТУ, вентилирует по каналам 20 отсек 19, снижает шум газового потока благодаря перемешиванию 9, звукоизоляции своих стенок и грунта. Нормальное тепловое состояние в здании 6 поддерживается благодаря теплоизоляции 21 и ограждению 22, а также эжекции воздуха в пространстве башни 1. В свою очередь нагрев лопастей ветродвигателя, особенно если они выполнены из пористого материала, с наличием каналов или полыми, препятствует обледенению 10. Предлагаемая ветроэнергетическая установка, будучи комбинированной, готова к эксплуатации в любое время года, обеспечивает энергосбережение вследствие периодичности работы ГТУ и экономии жидкого и газообразного топлива, удовлетворяет экологическим требованиям по шуму и токсичности отработавших газов. Ветродвигатель легко запускается в холодных условиях равно как и ГТУ, снабженная системой автоматики в теплоизолированном помещении. В целом ветроэнергетическая установка представляет стратегический объект, поскольку ГТУ может работать автономно в подземных условиях питаясь из крупного топливохранилища. Источники информации 1. Васильев М.В. Транспорт глубоких карьеров. - М. Недра, 1983. 2. Ушаков К.З., Михайлов В.А. Аэрология карьеров. - М. Недра, 1975. 3. А.с. СССР 1703856 А 1, МПК 03 9/00,02 5/00, 1992. 4. Труды конференции .. , 10-14 ., 1990. , 1990. 5. Янсон Н.Я. Ветрогазотурбинные установки с пневмопередачей для привода электрогенератора. Вестник МГТУ. - Серия машиностроение, 1999. -3. 6. Патент Российской Федерации 2139225 С 1, МПК 6 В 63 Н 9/00,03 3/04, 1999. 7. Нестеров Г.И., Тихомиров А.Г., Тихомиров А.А. Ветроэнергетическая установка. Патент РФ 2042046 С 1, МПК 603 9/02, 1995. 8. Скорер Р. Аэрогидродинамика окружающей среды. - М. Мир, 1980. - С. 383. 9. Погодин А.С. Шумоглушащие устройства. - М. Машиностроение, 1973. - С. 132-139. 10. Заявка Германии 19621485, МПК 603 11/00, В 615/18, 1998. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.