Ветроэнергетическая установка

ветророторов, Каждый из которых состоит из верхнего И нижнего ветроколес, связанных желобчатыми геликоиднь 1 ми лопастями и приводными валами, соединенными через конические передачи и промежуточные валы с редукторами-мультипликаторами и электрогенераторами, установленными за внешним периметром вихреобразующего цилиндроида,по наружному периметру которого на каждом ярусе ветророторного каскада установлены пространственные Концентраторы, объединенные со шторками и створками в ветроприемнь 1 е экраны, установленные под острым углом к направлению вращения ветророторов.2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что ометаемая поверхность пространственных концентраторов уменьшается в диаметре поярусно с высотой вихреобразующего цилиндроида и пропорционально нарастанию скорости ветра с высотой ветроэнергетической установки.3. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что ветророторы объединены поярусно в двухкаскадные ветророторные агрегаты, причем приводные валы верхних ветророторов проходят через полые приводные валы нижних ветророторов, связанные через конические передачи и промежуточные валы с редукторами - мультипликаторами и контрроторными электрогенераторами.4. Установка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что экраны пространственного концентратора выполнены в виде строительных сооружений различного назначения,причем величина экранирования ветрового потока строительными сооружениями уменьшается с высотой ветроэнергетической установки по мере нарастания скорости ветра от цоколя до верхнего ветроротора.Изобретение относится к механике в области конструирования ветроэнергетических установок и может быть использовано в различных областях хозяйственной деятельности.Известны конструкции ветроэнергетических установок, содержащие воронкообразный конусный концентратор с формирователями вихря на выходе из воронки при входе в трубу,надстроенной над вершиной конуса, и установленные в зоне вихря крыльчатые ветроколеса вертикальной оси вращения, связанной с редуктором-мультипликатором и генератором 3, 4, 5, 6. Известны также ветроэнергетическое устройство, содержащее крыльчатые ветроколеса, к крыльям которых прикреплены геликоидальные желобчатые вихреобразующие лопасти 7, образующие цилиндроид вращения, и ветроэнергетическое устройство,содержащее составленный на опоре в вертикальный ряд комплект диафрагменных ветророторов, так называемых роторов Савониуса, связанных с редуктором-мультипликатором и генератором 8 определен оптимальный угол установки экрана, направляющего ветровой поток на диафрагмы ротора Савониуса 1, стр. 38 2.Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является ветроэнергетическая установка, так называемая башня Йена 1, стр. 52-53, содержащая конусный шатровый концентратор, в раструбе которого установлены крыльчатые ветроколеса вертикальной оси вращения, связанные с редуктором-мультипликатором и генератором, а над раструбом соосно установлен вихреобразующий цилиндроид с вертикальными щелевыми проемами и шторками.Достоинство известного устройства заключается в достаточно высоком значении коэффициента использования энергии ветрового потока, воздействующего на ометаемую поверхность, включая воронкообразный конусный концентратор и цилиндроид.Недостатки известной конструкции связаны с непропорционально развитыми габаритами ветроэнергетической установки, вынуждающими исключать из хозяйственного оборота значительные земельные территории, и экономически неоправданными затратами на чрезвычайно материалоемкое строительство. Эти отрицательные факторы привели к отказу от массового использования как прототипа, так и аналогичных ветроэнергетических устройств башенного или трубчатого типа с встроенными в раструб воронкообразного конусного концентратора крыльчатыми ветроколесами вертикальной оси вращения.В основу Изобретения положена задача повышения производительности ветроэнергетической установки при условии обеспечения рациональности использования материальных ресурсов в строительных конструкциях конусного концентратора, направляющих ветровой поток в проемы цилиндроида, и стабилизации устойчивого вихря, регулируемого по высоте цилиндроидь 1 и на выходе из нее.Поставленная задача решается за счет того, что ветроэнергетическая установка, включающая шатровь 1 й конусный концентратор, в раструбе которого установлены крь 1 льчать 1 е ветроколеса с вертикальной осью вращения, связана с редуктором-мультипликатором и электрогенератором расположенный над раструбом шатрового конусного концентратора вихреобразующий цилиндроид с вертикальными щелевыми проемами и шторками. Установка выполнена многоярусной и содержит каскад из расположенных внутри вихреобразующего цилиндроида ветророторов. Каждый ветроротор состоит из верхнего и нижнего ветроколес, связанных желобчатыми геликоидными лопастями и приводными валами, соединенными через конические передачи и промежуточные валы с редукторами-мультипликаторами и электрогенераторами, установленными за внешним периметром вихреобразующего цилиндроида. По наружному периметру цилиндроида на каждом ярусе ветророторного каскада установлены пространственные концентраторы, объединенные со шторками и створками в ветроприемные экраны, установленные под острым углом к направлению вращения ветророторов.Предпочтительно, чтобы ометаемая поверхность пространственных концентраторов уменьшалась в диаметре поярусно с высотой вихреобразующего цилиндроида пропорционально нарастанию скорости ветра с высотой ветроэнергетической установки.Целесообразно чтобы ветророторы объединить поярусно в двухкаскадные ветророторнь 1 е агрегаты, причем приводные вала верхних ветророторов должны пройти через полые приводные валы нижних ветророторов, связанные через конические передачи и промежуточные валы с редукторами-мультипликаторами и контрроторными электрогенераторами.Технологично, если экраны пространственного концентратора выполнены в виде строительных сооружений различного назначения, причем величина экранирования ветрового потока строительными сооружениями уменьшается с высотой ветроэнергетической установки по мере нарастания скорости ветра от цоколя до верхнего ветроротора.На фиг. 1 приведен общий вид ветроэнергетической многоярусной установкина фиг. 2 - схема работы ветрового потока В продольном сечении ветроэнергетической многоярусной установкина фиг. 3 - продольное сечение верхнего яруса ветроэнергетической многоярусной установкина фиг. 4 - схема работы ветрового потока В сечении по Б-Бна фиг. 5 - общий вид исполнения ветроэнергетической многоярусной установки с использованием строительных конструкций производственного, административного или гражданского назначенияна фиг. 6 - вид сверху по фиг. 5 и схема работы ветрового потока Вна фиг. 7 - общий вид вершинной ветроэнергетической установки по фиг. 4на фиг. 8 - схема работы ветрового потока В в продольном сечении Е-Е по фиг. 5.Ветроэнергетическая многоярусная установка состоит из шатрового конусного концентратора 1, в раструбе 2 которого установлены крь 1 льчать 1 е ветроколеса 3 вертикальной оси вращения, связанные с редуктором-мультипликатором 4 и электрогенератором 5 вихреобразующего цилиндроида 6 с вертикальными щелевыми проемами 7 и шторками 8,расположенного над раструбом 2 шатрового конусного концентратора 1. Ветроэнергетическая многоярусная установка, содержит ветророторный каскад 9 из расположенных внутри вихреобразующего цилиндроида 6 ветророторов 10, 11, 12, 13, 14, 15 с редукторамимультипликаторами 16 и электрогенераторами 17, размещенными за периметром вихреобразующего цилиндроида 6. По наружному периметру вихреобразующего цилиндроида6 на каждом ярусе 18, 19, 20 ветророторного каскада 9 установлены пространственные Концентраторы 21, 22, 23, объединенные со шторками 8 И створками 24 в ветроприемнь 1 е экраны 25, установленные под острым углом В к ветророторам 10, 11, 12, 13, 14, 15 в направлении их вращения. Каждый ветроротор 10, 11, 12, 13, 14, 15 состоит из крь 1 льчать 1 х ветроколес, верхнего 26 и нижнего 27, связанных в ветророторы 10, 11, 12, 13, 14, 15 желобчатыми геликоиднь 1 ми лопастями 28 и приводными валами 29, соединенными коническими передачами 30 и промежуточными валами 31 с редукторами-мультипликаторами 16 и электрогенераторами 17, установленными за внешним периметром вихреобразуюЩего цилиндроида 6. Ветророторы 10, 11, 12, 13, 14, 15 объединены поярусно в двухкаскадные ветророторные агрегаты 32, 33, 34, каждый верхний ветроротор 10, 12, 14 которого приводными валами 35, 36, 37 пропущены сквозь полые приводные валы 38, 39, 40 нижних ветророторов 11, 13, 15, связанных через конические передачи 41, 42 и промежуточные валы 43, 44 с редукторами-мультипликаторами 45, 46 и контрроторными электрогенераторами 47. Ветроприемнь 1 е экраны 25 пространственных концентраторов 21, 22, 23 вь 1 полнены строительными конструкциями 48 в виде сооружений различного назначения гражданского, производственного или административного. Величина экранирования ветрового потока строительными конструкциями с высотой ветроэнергетической установки уменьшается по мере нарастания скорости ветра от цоколя 49 до верхнего ветроротора 50.Для повышения эффективности работы шатрового конусного концентратора 1 на его поверхности установлены ребра 51. Каждый ярус 18 и 19, последующий за нижним ярусом 20, также оснащен дополнительными конусными концентраторами 52 (по фиг. 2) и 53По фиг. 3 верхний конец приводного вала 35 ветроротора 10 закреплен в вертлюге 10 на растяжках 59 и талрепах 60 к верхней 61 и нижней 62 обечайкам вихреобразующего цилиндроида.Привод 63 обеспечивает разворот створок 24 на шарнирах 64.По фиг. 2 и 8 крыльчатое ветроколесо 3 установлено в раструбе шатрового конусного концентратора на полом приводном валу 65, связанном через коническую передачу 66 и промежуточный вал 43 с редуктором-мультипликатором 4 и электрогенератором 5.По фиг. 6 и 7 строительные конструкции 48 оснащены створками 67 на шарнирах 68 с приводом 63, а шатровый конусный концентратор 1 в цоколе 49 оснащен арочными каналами 69, связанными с раструбом 2 и вихреобразующим цилиндроидом 6.Работает ветроэнергетическая многоярусная установка следующим образом.Ветровой поток В воздействует через пространственные концентраторы 21, 22, 23,шатровый конусный концентратор 1 и дополнительные конусные концентраторы 52 и 53 на желобчатые геликоидальные лопасти 28 ветророторов 10, 11, 12, 13, 14, 15, создавая крутящий момент М 1 на приводных валах 29 (по фиг. 7) или приводных валах 35, 36, 37,38, 39, 40 (по фиг. 2 и 3). Величина крутящего момента М 1 и скорость вращения приводных валов 29, 35, 36, 37, 38, 39, 40 регулируется подачей воздушных масс ветрового потока В к желобчатым геликоидальным лопастям 28 через вертикальные щелевые проемы 7 за счет разворота на шарнирах 64 створок 24, управляемых приводами 63 (фиг. 4). Уровень концентрации воздушных масс и соответственно скорости набегающего ветрового потока Г на вертикальные щелевые проемы 7 и затем на желобчатые геликоидальные лопасти 28 зависит от угла В установки шторок 8 и угла ос установки створок 24. На фиг. 4 при максимальном угле ос установки створок 24 скорость набегающего потока Г минимальна, потому что ветровой поток В обтекает створки 24 пространственных концентраторов 21, 22, 23 в следовый шлейф Ш. При этом крутящий момент М 1 - минимальный.В рабочем режиме набегающий поток Г, попадая в желобчатые геликоидальные лопасти 28 по спирали скользит вверх и сходит с лопастей в форме вихря С. Последовательно перетекая от яруса к ярусу 20, 19, 18 вдоль каскада ветророторов 15, 14, 13, 12, 11, 10 ско 4рость И плотность вихря увеличивается И на выходе из ветроротора 10 при определенных условиях может достигнуть состояния смерча, т.е. устойчивости работы вихря, создавая при этом саморегуляцию работы ветроэнергетической многоярусной установки в целом. Естественно восходящий воздушный поток П вихря С обеспечивает подсос воздушных масс Ж по арочным каналам 69 через раструб 2 К вихреобразующему цилиндроиду 6. Восходящий поток П воздействует на нижнем ярусе 20 на ветроколесо 3, создавая крутящий момент М 3 на полом приводном валу 65, от которого вращение передается через коническую передачу 66 и редуктор-мультипликатор 4 К электрогенератору 5. Затем восходящий поток П последовательно с ускорением за счет вихря С воздействует на ветроколеса 26 и 27 ветророторов 10, 11, 12, 13, 14, 15, создавая крутящие моменты М на приводных валах 40,39, 38, 37, 36, 35, связанных через конические передачи 41, 42, промежуточные валы 43,44 и редукторы-мультипликаторь 1 45, 46 с контророторными электрогенераторами 47,обеспечивая противовращение якоря 57 и контрротора 56 и соответственно увеличивая скорость взаимодействия электромагнитных полей обмоток контрроторного электрогенератора 47 с более высокой эффективностью по сравнению с обычным электрогенератором 5 или 17 по фиг. 2, 5, 7.За счет восходящего вихря С в цилиндроиде 6 приращение скорости ветра и соответственно крутящего момента М 2 каждого последующего поярусно вверх ветроротора 15,14, 13, 12, 11, 10 весьма существенно. Поэтому помимо регулировок створками 24 подсоса воздушных масс и воздействий ветрового потока В, ограничение объемов воздуха, проходящих через ветророторы 10, 11, 12, 13, 14, 15 достигается уменьшением с высотой геометрических размеров пространственных концентраторов 23, 22, 21. В строительных конструкциях 48 этот эффект достигается за счет поэтажного уменьшения диаметра строения и регулировкой размеров вертикальных щелевых проемов 7 вращением створок 67 под воздействием приводов 63.Суммарный крутящий момент М М 1 М за счет устойчивого поярусного вихреобразования может обеспечить максимальную эффективность преобразования энергии ветра ветроэнергетической многоярусной установкой на уровне 8595 при скорости ветра 57 мс и выше по сравнению с традиционной ветроэнергетикой 3545 на скоростях ветра 10. . . 15 мс. Проведенные испытания элементов натурных моделей ветроэнергетической многоярусной установки на кафедрах Белорусского национального технического университета подтвердили приведенные выше технико-энергетические параметры заявляемого объекта.1. Шибалова А.М. и др. О роли нетрадиционных возобновляемых энергоисточников в развитии энергетики. Обзорная информация. Сер. 44.09. Энергоресурсы. Вып. 1. Ветроэнергетика. - Мн. БелНИИНТИ, 1991. - С. 38, 52-53, рис. 8.2. Оапа Т., Уо 1 ога У., Уозшба П. Зшбу оГ Не Когоу Ке 3111 айоп оГ Не Бах/отпив туре // Тгапз. АЗМЕ. 161311116 Еп. - 1989. - Не 1. - Р. 53-58.