Ветроэнергетическая установка

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Военная академия Республики Беларусь(72) Авторы Борушко Игорь Владимирович Лаврентьев Николай Алексеевич Мацкевич Артур Николаевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Военная академия Республики Беларусь(57) 1. Ветроэнергетическая установка, состоящая из аэростата-носителя с ветроагрегатом,содержащим вертикально осевой ветродвигатель, оснащенный вертикально-осевыми крыльчатыми ветроколесами, связанными геликоидными лопастями и приводным валом с редуктором-мультипликатором и электрогенератором, где вертикально-осевой ветродвигатель оснащен пространственным концентратором с ветроприемными экранами по периметру ветродвигателя под углом к направлению вращения геликоидных лопастей, а пространственный концентратор снизу оснащен коническим концентратором, закрепленным тросовыми растяжками к фундаментным блокам и лебедке на земле и связанным подвесным токопроводом с трансформаторной подстанцией и электрической сетью, отличающаяся тем, что аэростат-носитель выполнен в виде многогранного аэростатного подъемника, под которым на подвеске через промежуточный вертлюг закреплен ветроагрегат, связанный снизу другим вертлюгом с тросовыми растяжками к фундаментным блокам, а ось вращения ветроагрегата на промежуточном и нижнем вертлюгах ветроприемными экранами вынесена к фронту ветрового потока за пределы периметра ветродвигателя ветроприемные экраны пространственного концентратора с флангов к фронту набегающего ветрового потока оснащены флюгерными экранами. 2. Ветроэнергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что многогранный аэростатный подъемник выполнен из сцепленных торцами аэростатов, закрепленных на жестком основании.(56) 1. А.с. СССР 31413371, 1989. 2. Патент 4323 С 1, 1998. 3. Патент 2138684 С 1, 1998. 4. Патент 5270 С 1, 1998. 5. Патент 4323 С 1, 1998. 6. Ветроэлектрическая станция А-44 ПРИ на базе дискового аэростата. Паспорт и Техническое описание. КБ Термоплан (РФ), 2004. 7. Ветроэлектрическая станция АЛА-6 на базе дирижабля. Паспорт и Техническое описание. КБ Термоплан (РФ), 2003. Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к конструкциям ветроэнергетических установок, и может быть использована в различных областях хозяйственной деятельности. Общеизвестны конструкции подвесных на аэростатах ветроэнергетических установок,содержащие лопастные горизонтально-осевые ветродвигатели с горизонтально осевыми воронкообразными конфузорами для создания дополнительного крутящего момента на оси лопастного ветродвигателя 1. Известны также ветроэнергетические устройства, содержащие вертикально-осевой ветродвигатель в составе двух крыльчатых ветроколес на одном вертикальном приводном валу, связанных с редуктором-мультипликатором и электрогенератором крылья ветроколес связаны в цилиндроид геликоидными желобчатыми лопастями вдоль вертикального приводного вала, снижающими сопротивление турбулентного шлейфа рабочему ветровому потоку, за счет формирования взамен турбулентности вертикального вихревого шлейфа 2, 3, 4. Известна также конструкция ветроэнергетической установки, значительно усиливающая вертикальный вихревой шлейф и соответственно увеличивающая производительность ветроэнергетической установки формирования устойчивого вихря, подобного смерчу, в которой вертикально-осевой ветродвигатель в составе двух крыльчатых ветроколес на одном вертикальном приводном валу установлен над коническим концентратором и внутри пространственного концентратора с экранами, закрепленными на коническом концентраторе 5. Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является подвешенная на аэростате ветроэнергетическая установка, содержащая лопастные горизонтально-осевые ветродвигатели с горизонтально осевыми воронкообразными конфузорами для создания дополнительного крутящего момента на оси лопастного ветродвигателя. Достоинство этого устройства заключается в достаточно высоком уровне использования ветрового потока, направленных с ускорением к ветроколесу высокоскоростных с высотой по сравнению с поверхностью земли воздушных масс большего объема, чем ометаемое ветроколесом сечение потока 6. Недостатками известной конструкции являются пониженная выработка энергии в связи с высоким сопротивлением турбулентного шлейфа за ветроколесом, высокая инертность конструкции для переориентации ветроколеса при смене направления ветра, потеря части энергии ветрового потока по причине наклонов конструкции закрепленной на однотросовой растяжке. Эти указанные недостатки свойственны всем конструкциям, описанным в последующих источниках, например ветроэлектрическая станция А-44 ПРИ на базе дискового аэростата или АЛА-6 на базе дирижабля. Обе ветроэлектрические станции разработаны КБ Термоплан (РФ) 6, 7. В основу полезной модели положена задача увеличения производительности ветроэнергетической установки, повышения эксплуатационной надежности, экономической и конструктивной целесообразности путем выполнения ветроэнергетической установки, состоящей из аэростата-носителя с ветроагрегатом, содержащим вертикально осевой ветро 2 48492008.12.30 двигатель, оснащенный вертикально-осевыми крыльчатыми ветроколесами, связанными геликоидными лопастями и приводным валом с редуктором-мультипликатором и электрогенератором, где вертикально-осевой ветродвигатель оснащен пространственным концентратором с ветроприемными экранами по периметру ветродвигателя под углом к направлению вращения геликоидных лопастей, а пространственный концентратор снизу оснащен коническим концентратором, закрепленным тросовыми растяжками к фундаментным блокам и лебедке на земле и связанным подвесным токопроводом с трансформаторной подстанцией и электрической сетью. Аэростат-носитель выполнен в виде многогранного аэростатного подъемника, под которым на подвеске через промежуточный вертлюг закреплен ветроагрегат, связанный снизу другим нижним вертлюгом с тросовыми растяжками к фундаментным блокам, а ось вращения ветроагрегата на промежуточном и нижнем вертлюгах ветроприемными экранами вынесена к фронту ветрового потока за пределы периметра ветродвигателя. Ветроприемные экраны пространственного концентратора с флангов к фронту набегающего ветрового потока оснащены флюгерными экранами. Технологично многогранный аэростатный подъемник выполнен из сцепленных торцами аэростатов, закрепленных на жестком основании. На фиг. 1 представлен общий вид ветроэнергетической установки с многогранным аэростатным подъемником фиг. 2 - общий вид сверху ветроэнергетической установки фиг. 3 - общий вид ветроагрегата фиг. 4 - продольное сечение ветроагрегата по фиг. 3 фиг. 5 - поперечное сечение ветроагрегата по фиг. 3 фиг. 6 - профиль одножелобчатый геликоидной лопасти в сечении Б-Б фиг. 7 - профиль двухжелобчатый (стреловидный) геликоидной лопасти в сечении Б-Б фиг. 8 - крыльчатая лопасть ветроколеса в сечениях Д-Д и Е-Е фиг. 9 - общий вид ветроэнергетической установки для реферата. Ветроэнергетическая установка по фиг. 1 состоит из аэростата-носителя 1 с ветроагрегатом 2, содержащим вертикально осевой ветродвигатель 3, оснащенный вертикальноосевыми крыльчатыми ветроколесами верхним 4 и нижним 5, связанными геликоидными лопастями 6 и приводным валом 7 с редуктором-мультипликатором 8 и электрогенератором 9. Вертикально-осевой ветродвигатель 3 к фронту ветрового потока В по фиг. 3 и 4 оснащен пространственным концентратором 10 с ветроприемными экранами внешними 11 и 12 и внутренними 13 и 14 по периметру ветродвигателя 3 под углом к направлению вращения геликоидных лопастей 6. Пространственный концентратор 10 снизу оснащен коническим конпентратором 15, закрепленным тросовыми растяжками 16 по фиг. 1 к фундаментным блокам 17 и лебедке 18 на земле и связанным подвесным токопроводом 19 с трансформаторной подстанцией 20 и электрической сетью 21. Аэростат-носитель 1 по фиг. 1 и 2 выполнен в виде многогранного аэростатного подъемника 22, под которым на подвеске 23 через промежуточный вертлюг 24 закреплен ветроагрегат 2, связанный снизу нижним вертлюгом 25 с тросовыми растяжками 16 к фундаментным блокам 17, а ось вращения ветроагрегата 2 на промежуточном 24 и нижнем 25 вертлюгах относительно ветрового потока В вынесена к ветроприемным экранам 13 и 14 за пределы периметра ветродвигателя 3. Внешние ветроприемные экраны 11 и 12 пространственного концентратора с флангов к фронту набегающего ветрового потока оснащены флюгерными экранами 26 и 27. Аэростатный подъемник по фиг. 1 и 2 выполнен в виде сцепленных торцами аэростатов 28, закрепленных на жестком основании 29, к которому прикреплен вертлюгом 24 ветроагрегат 2 с пространственным концентратором 10. Ветроприемные экраны 11, 12, 13 и 14 направлены по касательной к вертикально осевому ветродвигателю 3 вдоль направления его вращения с зазором К по его внутреннему периметру к геликоидным лопастям 6. В верхней части пространственного концентратора 3 48492008.12.30 10 по его внутреннему периметру к ветроприемным экранам 11, 12, 13, 14 сверху присоединена обечайка 30, к которой по нижнему периметру последовательно прикреплены скругленными краями грани 31, связывающие ветроприемные экраны. Геликоидные лопасти 6 для климатических зон повышенной влажности оснащены по фиг. 6 одним желобом 32, для сухого климата - по фиг. 7 двумя желобами 33. Внутренние ветроприемные экраны 13 и 14 выполнены с проемами 34 и поворотными на шарнирах 35 створками 36, присоединенными к приводу 37, управляемому блоком 38 по сигналам анемометра 39 и электрогенератора 9. Приводной вал 7 ветродвигателя 3 связанный крыльчатыми лопастями 40 с геликоидными лопастями 6, вертлюгом 41 прикреплен к обечайке 30, растяжками 42 и талрепами 43. Электрогенератор 9 и редуктор-мультипликатор 8 связаны главным валом 44 и установлены на платформе 45 конического концентратора 15, оснащенного нижним вертлюгом 25 соосно промежуточному вертлюгу 24. Нижний вертлюг 25 выполнен с токосъемником 46, связывающим через электропроводку 47 электрогенератор 9 с подвесным токопроводом 19, прикрепленным серьгами 48 к тросовой растяжке 16. Работает ветроэнергетическая установка следующим образом. Ветровой поток В, воздействуя на пространственный концентратор 10 и конический концентратор 15, размещенный на подвеске 23 многогранного аэростатного подъемника 22 разделяется на струи Г и Н. Струи Н снизу направлены вдоль ветроприемных экранов 11, 12, 13, 14 и конического концентратора 12 к крыльчатым лопастям 40 ветроколес 4 и 5,а струи Г, двигаясь вдоль ветроприемных экранов, уплотняются и ускоряются в зазоре К. При этом часть ветровых струй Л обеспечивает возникновение крутящего момента М 1 на приводном валу 7, приплюсовываясь к крутящему моменту сил М 2, созданному подъемной силой крыльчатых лопастей 40 ветроколес 4 и 5 под воздействием струй Н и части проникших внутрь ветродвигателя 3 струй Г. Суммарный крутящий момент М 012 преобразуется через редуктор-мультипликатор 8 электрогенератором 9 в электрический ток, поставляемый по электропроводке 47 через токосъемник 46 к токопроводу 19. Качество электрической энергии обеспечивается регулировкой подачи ветровых струй Л в зазор К за счет разворота створок 36 под воздействием привода 37. Формирование регулирующей функции осуществляется в блоке управления 38 в сравнении с предписанным нормативами качеством электроэнергии, фактическими показателями электрогенератора 9 и скорости ветра по анемометру 37. Устойчивость приема ветрового потока В ветроагрегатом обеспечивается смещением оси вращения ветроагрегата 2 на соосных промежуточном 24 и нижнем 25 вертлюгах относительно ветроприемных экранов 13 и 14 за пределы периметра ветродвигателя 3. Дополнительное усиление устойчивости приема ветрового потока В обеспечивается оснащением внешних ветроприемных экранов 11 и 12 пространственного концентратора с флангов к фронту набегающего ветрового потока флюгерными экранами 26 и 27. Присоединенные вихри П, перемещаясь вдоль крыльчатых лопастей 43, заполняют желоба 30 геликоидных лопастей 6 и совместно со струями Ж, перемещающимися в желобе по всей длине лопасти 6, на выходе из ветродвигателя 3 образуют периметрический поток С высокой плотности, завихренный по направлению вращения ветродвигателя 3. Вдоль и на выходе из желобов 30 завихренный воздушный поток С охватывает зону Т пониженного давления, так называемую вакуумную трубку. При сходе вверх за пределы ветродвигателя 3 завихрение струй С и вакуумная трубка Т сохраняются. Частичная закрытость от ветрового потока В гранями 28 в зоне обечайки 26 обеспечивает возникновение внешней от завихреного потока зоны повышенного давления, что также способствует сохранению формы и структуры вихря С на выход вверх за пределы ветродвигателя 3. При достаточно высоких скоростях ветрового потока В, а также вращения вихря С над ветродвигателем 3 внутри аэростатного подъемника 1 и выше возникает устойчивый вихрь (смерч). Этот вихрь способствует подсосу на себя дополнительных воздушных по 4 48492008.12.30 токов, что вызывает на приводном валу 6 приращение момента М 3 к суммарному моменту, М 01 М 2 М 3, и соответственно повышение выработки электроэнергии ветроэнергетической установкой. Устойчивый вихрь сохраняется вплоть до снижения рабочей скорости ветра в зазоре К ниже 8 м/с. Авторами разработан, изготовлен и испытан поэлементно экспериментальный образец заявленного устройства. Результаты испытаний в аэродинамической трубе кафедры Юнеско Белорусского национального технического университета показали высокую эффективность преобразования энергии ветровых потоков в электроэнергию. Применение заявленных технических решений поэлементно и в комплексе значительно снижает себестоимость ветроэнергетической установки, одновременно повышая ее выработку, соответственно сокращая срок окупаемости. Фиг. 8 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6