Вітротурбіна з кільцевим концентратором енергії повітряного потоку

Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно к вопросам создания ветродвигателей. Так как целью изобретения является создание конструкции для захвата и концентрации энергии воздушного потока и повышение эффективности ветроустановок, в качестве прототипа можно принять аналогичное предлагаемому устройство, описанное в [1]. Оно состоит из двух элементов (а, б). Элемент (а) фиксирован, образует цилиндр (верх и низ закрыты) с периферийными открытыми частями вдоль всей длины и прогрессирует в сходящуюся спираль. Элемент (б) вращающийся, состоящий из преобразующей турбины, расположенной в середине первого элемента (а) вдоль всей длины с осью, совпадающей с осью цилиндра и закрепленного на ней лопастями турбины. В основу изобретения поставлена задача повысить эффективность ветротурбины путем усовершенствования конструкции кольцевого направляющего аппарата (концентратора) и барабанного ветроколеса. 1. Ветротурбина с кольцевым концентратором энергии воздушного потока, содержащая кольцевой направляющий аппарат (воздухозаборник) и расположенное внутри барабанное ветроколесо согласно изобретению, направляющие лопатки на периферии концентратора установлены строго радиально для захвата потока воздуха в 180° окружности с любого горизонтального направления, а со средины длину они выполнены криволинейными с поворотом, обеспечивающим ускоренному в сужающихся каналах воздушному потоку движение в направлении, перпендикулярном радиусу вращения ветроколеса и одновременную встречу с половиной его рабочих поворачивающихся лопаток. 2. Ветротурбина, построенная по п.1 отличается тем, что рабочие лопатки ветроколеса выполнены поворачивающимися под воздействием центробежной силы вокруг вертикальной оси и подпружинены пружинами разной жесткости, что при вращении ветроколеса автоматически меняет эффективную площадь лопаток в зависимости от скорости вращения и обеспечивает стабильную работу турбины при большом диапазоне изменения потребляемой мощности и скорости ветра, а также защищает турбину от черезмерных нагрузок. При полном совпадении цели изобретения и способа ее достижения предлагаемая конструкция имеет существенные конструктивные отличия, составляющие сущность изобретения и заключающиеся в следующем. 1. Фронтальная поверхность (см. фиг.2) проходных сечений каналов кольцевого направляющего аппарата составляет 180° окружности, т.е. предлагаемый концентратор позволяет "захватить" поток воздуха в 180° его поверхности, обращенной к ветру. Как видно из фиг.1 в [1] фронтальная поверхность составляет не более 120°, поэтому при одинаковых размерах и условиях предлагаемая конструкция сможет принять на 1/3 большую массу (энергию) воздуха, чем в прототипе. 2. Вышедший из криволинейных каналов воздушный поток (см. фиг.2) на все задействованные при данном направлении ветра лопатки 50% от их общего числа/поступает одновременно и перпендикулярно к радиусу вращения ветроколеса, тогда как суживающийся поток по спиралям в [1] одновременно может встретить не более 25% лопаток турбины. Это обстоятельство в [1] значительно снижает к.п.и. энергии ветра и повышает нагрузку на отдельные лопатки. Как видим, согласно приведенным выше п.1 и 2 предлагаемый концентратор способен принять на 30% большую массу движущегося воздуха и с большим КПД передать на рабочие лопатки ветроколеса его кинетическую энергию. Следовательно, суммарная эффективность предлагаемой ветроустановки примерно на 30 50% выше, чем устройства прототипа. 3. В предлагаемой конструкции направляющего аппарата лопатки 1 сужаются до оптимальных размеров ветроколеса и по высоте, что позволяет увеличивать (уменьшать) площадь вертикального сечения захватываемого потока (необходимую для проектируемой мощности) за счет изменения как горизонтальных так и вертикальных размеров концентратора и найти оптимальные и компактные для конкретных условий его габариты. 4. С целью сохранения постоянной частоты вращения роторов генераторов 6 при внезапном изменении нагрузки на них и часто меняющейся скорости ветра, рабочие лопатки 2 ветроколеса выполнены поворачивающимися вокруг вертикальной оси под воздействием центробежных сил. Кроме того, горизонтальным диском 3 ветроколесо разделено на две половины, где верхние (сплошные) и нижние (пунктир) лопатки (см. фиг.2) подпружинены пружинами различной жесткости. Это обстоятельство дает возможность автоматически менять эффективную площадь лопаток 2 в зависимости от частоты вращения колеса, т.е. скорости ветра и подобрать оптимальную и постоянную скорость вращения роторов генераторов. Рабочие лопатки 2 выполнены вогнутыми со стороны потока с радиусом кривизны, равном расстоянию к осям поворота от центра вращения, что позволяет свести к минимуму сопротивление потоку при повернутых до упора лопатках, т.к. в этом случае они располагаются по концентричной образующим цилиндра 3 окружности и не препятствуют движению воздуха. Предположим, что оптимальная скорость вращения ветроколеса соответствует открытым полностью верхним (более жесткие пружины) и повернутым центробежными силами до упора нижним (мягкие пружины) лопаткам 2. Тогда при увеличении (по отношению к оптимальной) скорости вращения ветроколеса (уменьшилась нагрузка и (или) усилился ветер) верхние лопатки начнут поворачиваться вокруг вертикальной оси, уменьшая силу давления на них потока и скорость вращения колеса, уменьшаясь, приблизится к оптимальной. При уменьшении же скорости верхние лопатки 2 остаются в исходном положении, а нижние в связи с уменьшением центробежных сил будут стремиться в исходное положение, увеличивая силу давления воздуха и скорость вращения ветроколеса до оптимальной. Не трудно видеть, что поворачивающиеся лопатки, ориентированные так, как показано на фиг.2, будут реагировать и на внезапные порывы ветра при штормовой погоде, предохраняя барабанное ветроколесо от чрезмерных нагрузок. Несколько по иному вопросы использования энергии ветра в большом диапазоне изменения его скорости и защиты установок от чрезмерных нагрузок решены в патентах [2], [3], [4]. Так в [2] барабанная установка с направляющим аппаратом "одета" в вертикальные выдвигающиеся цилиндры, приводимые в движение для изменения количества поступающего воздуха к барабану гидравлическими или пневматическими устройствами. В [3] чрезмерный доступ воздуха ограничивается внешней подпружиненной поворотной частью лопатки направляющего аппарата под действием напора ветра. В зависимости от скорости ветра уменьшается (увеличивается) эффективная площадь ветроколеса при помощи специальной вертушки и механической передачи в [4]. Как следует из описания основное отличие предлагаемого способа обеспечения работы ветротурбины в широком диапазоне изменения скорости ветра и защиты установки от способов в [3], [4], [2] состоит в следующем. а) Используется не сила давления ветра, а ее следствие, т.е. центробежные силы, возникающие при вращении колеса, скорость которого зависит не только от скорости ветра, но и от нагрузки на электрогенераторы. б) Поворачивающиеся лопатки 2 автоматически поддерживают постоянной скорость вращения ветроколеса несмотря на скачки потребляемой мощности и непостоянную скорость ветра. в) Все операции по стабилизации скорости вращения и защите ветроколеса выполняются лопатками 2 без каких-либо вспомогательных механизмов. Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы, определяющие причинноследственные связи между совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом. 1. Предлагаемый кольцевой направляющий аппарат позволяет за счет скоростного напора ветра в постепенно сужающихся каналах увеличить скорость потока воздуха перед колесом согласно уравнению (5), т.е. сконцентрировать располагаемую энергию захваченного концентратором потока и преобразовать ее в электрическую с помощью ветроколеса меньшего чем направляющий аппарат размера. 2. Кинетическая энергия ускоренного в сужающихся каналах воздушного потока используется эффективно, т.к. направлен он перпендикулярно к радиусу вращения ветроколеса и поступает одновременно на рабочую поверхность половины его лопаток под углом, близким к 90°. 3. Поворачивающиеся и подпружиненные в разной степени лопатки 2 могут обеспечить оптимальную скорость вращения ветроколеса независимо от колеблющейся нагрузки на генераторы и в широком диапазоне изменения скорости ветра. Конструкция концентратора проста (см. фиг.1, 2) и при его построении могут быть использованы доступные материалы: металл, дерево, пластмасса и бетон. Обтекаемые поверхности направляющих лопаток 1 должны быть гладкими без выступов и шероховатостей. На фиг.1 и 2 показаны соответственно вертикальный (А - А) и горизонтальный (Б - Б) разрезы предлагаемого устройства, где цифрами обозначены его детали: 1 - радиальнокриволинейные лопатки концентратора, 2 рабочие лопатки ветроколеса, 3 - цилиндр барабана (ветроколеса), 4 - диск ветроколеса, на котором крепятся лопатки 2 и цилиндр 3, 5 ведущая шестерня, 6 -электрогенераторы, 7 ограничительные поверхности концентратора. Неподвижные лопатки 1 на периферии концентратора прямолинейны и установлены строго радиально для захвата воздуха в 180° окружности с любого горизонтального перемещения. Со средины длины лопатки 1 плавно переходят в криволинейные с поворотом, обеспечивающим воздушному потоку движение в направлении, перпендикулярным к радиусу вращения ветроколеса и одновременную встречу с половиной его рабочих лопаток 2. Вместе с плоской и конической поверхностями 7 концентратора лопатки 1 образуют каналы, сужающиеся по направлению к центру в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В соответствии с законом постоянства расхода, т.е. неразрывности потока, скорость V на выходе из сужающихся каналов и V0 на входе связаны условием: где r0 и r - соответствующие входному (S0) и выходному (S) сечениям плотности воздуха. При скоростях меньше 100м/сек воздух можно считать несжимаемым, т.е. r = r0 и выражение (1) принимает вид Однако, выражение (2) справедливо для несжимаемого воздуха в закрытых каналах с постоянным избыточным давлением. В случае свободного потока воздуха (ветра), поступающего в криволинейные каналы концентратора ограниченных размеров условие (1) строго не выполняется, т.к. транзитная струя в сужающемся канале по инерции сжимается, возрастают потери напора и ускорение потока замедляется. Чтобы исключить влияние аэродинамических процессов при определении выходной скорости потока воспользуемся уравнением количества движения: важная особенность которого состоит в том, что с его помощью можно получить достаточно точно параметры потока (например, скорость) по его состоянию без проникновения в сущность процессов, происходящих внутри потока. Выразив массы m0 и m через соответствующие сечениям плотности и скорости движения, получим уравнение (3) в виде При r = r0 скорость определится из выражения потока на выходе Как видно из уравнения (5), скорость потока при сужении канала может быть увеличена пропорционально не отношению S0/S = k, как это следует из уравнения (2), а корню квадратному из k раз. Такое этого отношения, т.е. в расхождение в значениях показателя ускорения объясняется тем, что условие неразрывности (1) не учитывает потерь напора при сужении канала за счет гидравлического сопротивления, коэффициент которого согласно [1] для несжимаемой жидкости (газа) равен: где x - эмпирический коэффициент, зависящий от угла схождения конфузора. Поскольку отношение квадратов выходных скоростей, полученных из (5) и (2) равно 1/k, то естественно предположить, что эта величина (1/k) определяет потери и равна коэффициенту сопротивления при сужении потока, т.е. Полученное уравнение (7) дает возможность определить значение k, при котором в предлагаемой конструкции сужающихся каналов ускорение потока компенсирует потери скоростного напора при его сужении. Из решения уравнения (7) при x = 0,2 (для углов схождения b = 20°) находим, что к, т.е. максимальное отношение размеров, концентратора (S0) и ветроколеса (S) равно 6, что соответствует увеличению начальной 6 = 2,4 раза. Результаты скорости ветра в одновременных измерений скорости потока на входе и выходе из конфузора (макета предлагаемых каналов) подтвердили наличие соответствующего ускорения. Лопатки 1 предлагаемого концентратора направляют ускоренный сужающимися каналами поток воздуха (см. фиг.2) одновременно на поверхность половины рабочих лопаток 2 и перпендикулярно к радиусу вращения ветроколеса. Без направляющего аппарата в барабанном ветроколесе число "задействованных" лопаток в два раза меньше (четверть колеса) и угол встречи потока с лопатками меняется от 90° на одном краю потока до 0° на его оси. Кроме того, закрытые концентратором "свободные" лопатки 2 не испытывают дополнительного сопротивления при движении "против" ветра. Таким образом, в барабанных ветродвигателях, коэффициент полезного использования энергии ветра которых h = 0,15, с помощью предложенного направляющего аппарата можно существенно его увеличить (удвоенное число задействованных лопаток с более эффективным углом встречи с потоком плюс отсутствие дополнительного сопротивления), т.е. приблизить к.п.и. барабанных ветродвигателей к пропеллерным и крыльчатым, где h = 0,5. Ветротурбины с таким концентратором (круглой, квадратной или многоугольной формы) можно установить на естественных возвышениях и склонах гор, на плоских крышах зданий и высотных сооружений, в море на башнях маяков, плавучих бакенах и больших кораблях. Построенную из легких материалов ветротурбину (фиг.1, 2) можно подвесить на тросах между высокими домами и скалами, над узким ущельем, а в безветренных районах поднять с помощью аэростата на высоту постоянных воздушных течений. Для повышения мощности отдельной турбины достаточно увеличить размеры неподвижного направляющего аппарата, сохранив при этом оптимальные размеры ветроколеса, что намного проще и дешевле, чем в той же степени увеличивать размеры вращающихся барабанов или лопастей без концентратора. Большой мощности ветроэлектростанцию целесообразно собирать из нескольких турбин, поставленных друг на друга в виде башни (пирамиды) с соответствующими проектируемой мощности размерами, которые зависят только от реально выполнимых размеров ветроколеса. Простые расчеты показывают, что ветроэлектростанция из трех концентраторов в виде башни высотой 10м и диаметром основания 12м при скорости ветра V0 = 10м/сек сможет выработать мощность более 180кВт. Так как вопрос об использовании экологически чистых и возобновляемых источников энергии актуален, ветровые энергоустановки желательно строить не только там, где нет централизованного электроснабжения, но и в местах, где есть для этого условия с целью экономии топлива традиционных электростанций. В этой связи ветротурбины с предлагаемым концентратором являются наиболее удобными, т.к. они могут найти не только горную, степную, водную но и городскую "прописку" и автор надеется, что и его предложение заинтересует специалистов в этой области энергетики.