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, содержащая аэростат с ветроагрегатом, отличающаяся тем, что ветроагрегат включает вертикально-осевой ветродвигатель, оснащенный вертикально-осевыми крыльчатыми ветроколесами, связанными геликоидными лопастями и приводным валом с редуктором-мультипликатором и электрогенератором, вертикальноосевой 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,при этом аэростат выполнен в виде вертикально-осевого открытого тора, под которым на подвеске закреплен ветроагрегат, или в виде дирижабля, присоединенного на вертлюге к опрокинутому коническому концентратору, на котором подвешен ветроагрегат. 12649 1 2009.12.30 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что ветроприемные экраны содержат флюгарки. Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к конструкциям ветроэнергетических установок, и может быть использовано 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. Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является ветроэнергетическая установка подвесных на аэростатах ветроэнергетических установок, содержащих 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. 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, подвесная на аэростате ветроэнергетическая установка 5. В основу изобретения положена задача увеличения производительности ветроэнергетической установки, повышения эксплуатационной надежности, экономической и конструктивной целесообразности путем выполнения ветроэнергетической установки,состоящей из аэростата с ветроагрегатом, содержащим вертикально-осевой ветродвигатель, оснащенный вертикально-осевыми крыльчатыми ветроколесами, связанными геликоидными лопастями и приводным валом с редуктором-мультипликатором и электрогенератором. Вертикально-осевой ветродвигатель оснащен пространственным концентратором с ветроприемными экранами по периметру ветродвигателя под углом к направлению вращения геликоидных лопастей. 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 выполнен в виде вертикальноосевого открытого тора, под которым на подвеске закреплен ветроагрегат, или в виде дирижабля, присоединенного на вертлюге к опрокинутому коническому концентратору, на котором подвешен ветроагрегат. Ветроприемные экраны содержат флюгарки. На фиг. 1 представлен общий вид ветроэнергетической установки с тороидным аэростатом на фиг. 2 - поперечное сечение фиг. 1 ветроэнергетической установки 2 12649 1 2009.12.30 на фиг. 3 - общий вид ветроэнергетической установки с дирижаблем на фиг. 4 - общий вид ветроэнергетической установки с дирижаблем на причале на фиг. 5 - вид по фиг. 1 ветроэнергетического агрегата в поперечном сечении на фиг. 6 - вид сверху на ветроагрегат на фиг. 7 - вид желобчатого геликоида на фиг. 8 - крыльчатая лопасть ветроколеса в сечениях Е-Е и Д-Д на фиг. 9 - развертка желобчатого геликоида с нервюрами на фиг. 10 - вариант оснащения пространственного концентратора со сдвоенными флюгарками, вид сверху на фиг. 11 - общий вид ветроэнергетической установки с тороидным аэростатом для реферата. Ветроэнергетическая установка по фиг. 1 и 2 состоит из аэростата 1 с ветроагрегатом 2, содержащим вертикально-осевой ветродвигатель 3, оснащенный вертикально-осевыми 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 оснащен пространственным концентратором 10 с ветроприемными экранами 11 по периметру ветродвигателя 3 под углом к направлению вращения геликоидных лопастей 6. Пространственный концентратор 10 снизу оснащен коническим концентратором 12, закрепленным тросовыми растяжками 13 к фундаментным блокам 14 и лебедке 15 на земле и связанным подвесным токопроводом 16 с трансформаторной подстанцией 17 и электрической сетью 18. Аэростат 1 выполнен в виде вертикально-осевого открытого тора 19, под которым на подвеске 20 закреплен ветроагрегат 2. Ветроэнергетическая установка по фиг. 4 и 5 с аэростатом в виде дирижабля 21, присоединенного на вертлюге 22 к опрокинутому коническому концентратору 23, на котором подвешен ветроагрегат 2 с пространственным концентратором 10, оснащенным ветроприемными экранами 11 с флюгарками 24 и связанным тросовыми растяжками 13 с фундаментными блоками 14. Конический концентратор 12 выполнен с ребрами 25, направленными по касательной к вертикально-осевому ветродвигателю 3 вдоль направления его вращения. К ребрам 25 вертикально присоединены экраны 11 пространственного концентратора 10 по его внутреннему периметру с зазором К к геликоидным лопастям 6. В верхней части пространственного концентратора 10 по его внутреннему периметру к экранам 11 сверху присоединена обечайка 26, к которой по нижнему периметру последовательно прикреплены скругленными краями 27 грани 28, связывающие экраны 11. Внутренние ребра граней 28 связаны с низом обечайки 26, а вершины наружных ребер каждой грани 28 последовательно присоединены от вершины предыдущего экрана 11 с наклоном к последующему по периметру экрану 11, образуя треугольные проемы 29 между радиальными ребрами предыдущей и по периметру последующей граней 28. На геликоидных лопастях 6 выполнены желоба 30, вдоль которых под острым углом к его образующей прикреплены ступенчато нервюры 31, в зоне соединения которых с кромкой желоба 30 образован проем 32. По периметру, фиг. 5 и 10, пространственного концентратора 10 установлены шарнирно сдвоенные перемычками 33 флюгарки 24 на кронштейнах 34, прикрепленные сверху к экранам 11, а снизу к ребрам 25 конического концентратора 12. Вершины внутренних ребер по фиг. 1 и 2 экранов 11 соединены приводным валом 7,вертлюгом 35, обечайкой 26, растяжками 36 и талрепами 37. Грани 28 с целью стока талых вод имеют перегиб 38 и козырек 39 над треугольным проемом 2. В козырьках 39 выполнены отверстия 40 для крепления подвески 20 аэростата 1. 12649 1 2009.12.30 Электрогенератор 9 и редуктор-мультипликатор 8 связаны главным валом 41 и установлены на платформе 42. Работает ветроэнергетическая установка следующим образом. Ветровой поток В по фиг. 1, 2 и 10, воздействуя на пространственный концентратор 10 и конический концентратор 12, размещенный на подвеске 20 тороидного аэростата 1, разделяется на струи Г и Н. Струи Н снизу направлены вдоль ребер 25 и конического концентратора 12 к крыльчатым лопастям 43 ветроколес 4 и 5, а струи Г, двигаясь вдоль экранов 11, уплотняются и ускоряются в зазоре К. При этом часть ветровых струй Г обеспечивает возникновение крутящего момента 1 на приводном валу 7, приплюсовываясь к крутящему моменту сил М 2, созданному подъемной силой крыльчатых лопастей 43 ветроколес 4 и 5 под воздействием струй Н и части проникших внутрь ветродвигателя 3 струй Г. Суммарный крутящий момент М 1 М 2 преобразуется через редуктормультипликатор 8 электрогенератором 9 в электрический ток. При отсутствии турбулентности геликоидные лопасти 6 на противоходе к В с подветренной стороны от ветродвигателя 3 за счет эжекции подсасывают часть воздушных масс с подветренной стороны пространственного концентратора 10 из инертных воздушных масс Я. Инертные воздушные массы Я внутри ветродвигателя 3 откачиваются через обечайку 26 ветроколесом 4. При этом присоединенные вихри П, перемещаясь вдоль крыльчатых лопастей 43, заполняют желоба 30 геликоидных лопастей 6 и совместно со струями Ж 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 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 завихренного потока повышенного давления, что также способствует сохранению формы и структуры вихря С на выход вверх за пределы ветродвигателя 3. Поддержание плотности воздушной массы в нижней оболочке вихря С обеспечивается поддувом сквозь треугольные проемы 29 и переориентацией части ветрового потока В вдоль направления вращения вихря С через перегибы 38 граней 28. При достаточно высоких скоростях ветрового потока В, а также вращения вихря С над ветродвигателем 3 внутри тороидного аэростата 1 и выше возникает устойчивый вихрь (смерч). Этот вихрь способствует подсосу на себя дополнительных воздушных потоков, что вызывает на приводном валу 6 приращение момента М 3 к суммарному моменту, М 123, и соответственно повышения выработки электроэнергии ветроэнергетической установкой. Устойчивый вихрь сохраняется вплоть до снижения рабочей скорости ветра в зазоре К ниже 8 м/с. Увеличение воздействия ветрового потока В пространственного концентратора 10 обеспечивается разворотом флюгарок 24 под давлением ветрового потока, фиг. 10, в позицию переориентации ветрового потока В из пассивного потока в активный и соответственно усиления воздействия ветра ветродвигателя 3, т.е.12 М 3 М 4. В низкоскоростных ветровых условиях поддержание высокой скорости вращения ветродвигателя 3 обеспечивается применением нервюр 31, прикрепленных к геликоидным лопастям 6 под острым углом к желобам 30 и соответственно под тупым или прямым углом к ветровому потоку Г в зоне К. Ветровой поток Г, более концентрированно воздействуя через нервюры 31 на ветродвигатель 3, уплотняется в проемах 32, обеспечивая на выходе из желобов 30 высокую интенсивность вихря С геликоидальными струями Ж. Ветроэнергетическая установка по фиг. 3 с дирижаблем 21 переориентирует направление вихря С на создание дополнительной подъемной силы дирижаблю. Чем выше скорость ветра, тем выше устойчивость дирижабля склонения к направлению ветрового потока и от сноса. 12649 1 2009.12.30 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. Источники информации 1. А.с. 31413371. Ветроэнергетическая установка. Описание в статье Калюжный В.В. Аэростат для проветривания города // Изобретатель и рационализатор. - 1989. 2. Патент 4323 С 1. Ветроэнергетическая установка. - 23.11.1998. 3. Патент 2138684 С 1. Способ преобразования энергии ветра и ветроэнергетическая установка. - 23.06.1998. 4. Патент 5270 С 1. Способ преобразования энергии ветра и ветроэнергетическая установка. - 01.09.1998. 5.1413371 А 1, 1188. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7