Вітроенергетична установка

Вітроенергетична установка, що містить вітроколесо, розміщене усередині конфузорного обрамлення, вузол завихрювача вхідного потоку, встановлений на шляху течії перед вхідним розтрубом конфузора, а також електрогенератор і флюгерний вузол, яка відрізняється тим, що конфузорне обрамлення виконано у вигляді спарених розтрубних модулів - головного та службового, встановлених концентрично із зсувом по загальній осі, причому службовий модуль охоплює головний, утворюючи в своїй дифузорній частині камеру для ежекції потоку, що виходить з каналу головного модуля, виносний завихрювач позбавлений системи управління, електрогенератор укладений в обтічний кожух і розміщений уздовж осі в камері ежекції службового модуля, внутрішня поверхня обох конфузорів виконана макрошорсткою, причому шорсткість носить ямковий характер, що турбулізує контактний шар притискуваного до стінок вихрового потоку, суттєво зменшуючи тертя об стінки. Винахід відноситься до вітроенергетики, зокрема до конструювання та виробництва вітроенергетичних установок (ВЕУ) середньої потужності для використання в регіонах із слабкими вітрами. Пристрої, що експлуатують спосіб вихороутворення, звичайно є баштами, усередині яких виникають торнадоподібні вихрові течії. З гідродинамічної точки зору такі потоки складаються не тільки з продуктивних струменів, зв'язаних по всій довжині каналу з лініями струму, але і з достатньої частки нестаціонарних паразитних струменів. Це відбувається через неузгодженість формування складового потоку в аксіально-симетричному об'ємі. Барострук-тура торнадоподібних штучних формувань складна, але підтримується зовнішніми силовими підкачками (через систему багатоярусних шлюзів, наприклад), і стійкість вихору порушується в умовах осцилюючого градієнта. Більш стійкі вихрові течії з виразною баротопологією формуються в конфузорних концентраторах потоку. Для їх ініціації достатньо певного стійкого швидкісного натиску та пристрою завихорителя. Обтікання такого пристрою провокує в потоці спонтанний круговий рух, який, потрапляючи в канал обрамлення, прямує в ньому як у трубі змінного перетину. Динаміка руху вихору в каналі відрізняється від динаміки лінійного потоку істотно меншим опором і більшою швидкістю. Вихровий режим захоплених повітряних потоків у конфузорі можна викликати тільки штучно, за рахунок направляючих пластин, що закручують течію. Аналогія з водяними стоками в даній ситуації неможлива, оскільки у вітроенергоустановках не тільки відсутня сила відсмоктування, діюча згідно з силою швидкісного натиску, але сам канал має надмірно великий аеродинамічний опір, збільшений працюючим в ньому вітроколесом. Існуючі ВЕУ, в яких використовуються вихрові потоки, не ініціюють їх, а силовим шляхом закручують різнопрофільними площинами лінійні вітрові течії, що не збільшує їх енергію, а тільки створює більш ефективні умови руху а також енерговіддачі на роторах. Надати потоку інерцію обертання є можливість за допомогою направляючих каналів UA (11) 92663 (13) (21) a200902460 (22) 19.03.2009 (24) 25.11.2010 (46) 25.11.2010, Бюл.№ 22, 2010 р. (72) ДЗЕНЗЕРСЬКИЙ ВІКТОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, ТАРАСОВ СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, КОСТЮКОВ ІГОР ЮРІЙОВИЧ, БУРЯК ОЛЕКСАНДР АФАНАСІЙОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ТРАНСПОРТНИХ СИСТЕМ І ТЕХНОЛОГІЙ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ "ТРАНСМАГ" (56) SU 1502876, 23.08.1989 UA 2002021090, 15.03.2004 RU 2138683, 27.09.1999 RU 2147693, 20.04.2000 RU 2124142, 27.12.1998 RU 2078995, 10.05.1997 US 5464320, 07.11.1995 US 2330907, 05.10.1943 US 4021135, 03.05.1977 FR 866053, 16.06.1941 EP 0045202, 03.02.1982 C2 2 (19) 1 3 або системи обтічних перешкод, але зробити це можна тільки відбиранням енергії у нього ж. Так, відома «Вітросилова установка» з вертикальним каналом проводки робочого потоку (баштового типу) за пат. РФ № 2024781, МПК6 F03D 3/04, 9/00, Боцвин B.C., пріор, від 28.03.91, опубл. 15.12.94, в якій додаткова тяга з боку виходу з каналу створюється за допомогою кінцевої насадки. В таких ВЕУ структура потоку по всій траєкторії його руху визначається формою робочого органу. Оскільки в даному випадку він має вид шнекової турбіни, то втрати потужності виникають через те, що не вихровий потік подається на вітроколесо, а вітроколесо закручує потік, одержуючи енергію у вигляді реактивної віддачі з боку потоку, напрям якого безперервно міняється площиною шнека. До недоліків установки слід віднести істотні втрати енергії на шнеку, а також використовування приземних потоків, які характеризуються нестійкістю і великомасштабною турбулентністю. Більш раціонально влаштованою в цьому відношенні є відома вихрова вітроенергетична установка "Ялинка" (пат. РФ №2285149 МПК7 F03D 3/04, Пріоритет від 16.06.2004, Опублікований 10.10.2006, автори Гусак С.И., Ган-зелинський С.Н., Дементієнко А.Д.). В цьому пристрої вертикальний направляючий канал (у вигляді башти) є об'ємом для сполучення численних потоків, що поступають в нього через спіралеподібні конфузорні концентратори, розміщені ярусами по висоті каналу. В кожному конфузорі потік ущільнюється під дією тангенціальних сил, що підвищує сталість вихору. Вихороподібні формування легко виникають в плинних середовищах і для підтримки не вимагають великих енерговитрат. Тому енергія струменів кожного ярусу йде не стільки на стабілізацію форми вихору, скільки на розгін його в режимі висхідного потоку у напрямі гирла. Локальні струмені, потрапляючи в широкий об'єм тракту, ежектують весь стовп повітря, створюючи злагоджений закручений потік. Окремі маси, зливаючись, викидаються в розтвір гирла ущільненим струменем. На виході з каналу встановлена турбіна, що уловлює струмені, які можуть змінювати напрям як по румбу, так і по висоті. Башта створює безструктурний тракт для оформлення і стабілізації вихору, який має конусоподібну форму, що збільшує опір проходу потоку. Ущільнені закручені струмені втікають в тракт несиметрично (тільки з навітряного боку), але відбиті від увігнутих і плавно зв'язаних площин, практично не мають осередків турбулізації, і таким чином одна з компонент фрикційних втрат вибуває з енергетичного балансу. Закручування потоку є прийомом, перешкоджаючим руйнуванню режиму ламінарності. Недоліком такого пристрою є складність вітроприймального вузла, унаслідок підтримки потоку за допомогою злагодженої роботи системи заслінок, а також великий опір вхідній течії, розтятої на окремі струмені. Відомі пристрої з горизонтальними каналами проводки потоку. Корисні властивості вихрових процесів в повітряних потоках використана в оригінальному технічному рішенні, описаному в а.с. SU № 1523707, 92663 4 МПК7 F03D 1/06, автор Вікторук В.А., Опубл. 23.11.89, бюл. № 43. В ньому розроблено модифікований конфузорний концентратор потоку. По кромці вхідного зрізу розтруба встановлені серповидні лопатки, створюючі багато-заходну гвинтову поверхню. Дія косих периферичних струменів переводить прискорюваний в конфузорі потік у вихровий режим. В результаті аеродинамічний опір каналу зменшується і ефективність пристрою зростає. Недоліків у цього пристрою декілька. Поперше, допущена помилка в перерозподілі енергії. Розрахувавши одержати надбавку потужності від обертання самого конфузору, розробники забрали енергію у вихроутворювача. І тому потік сформував малошвидкісну воронку із слабким центральним розрідженням. По-друге, реалізація ідеї використання самого короба конфузору в ролі додаткового ветроколеса невиправдано переускладнило конструкцію пристрою. Крім того, метод збільшення вітроприймальної здатності за рахунок розширення перетину робочого потоку - це дуже прямолінійне рішення. Найближчим до технічного рішення, що заявляється, узятим як прототип, є відома «Вітроенергетична установка» за а.с. № 1502876 МІЖ6 F03D 3/01, М.В.Ерохин і ін., пріоритет від 21.12.87, опубл. 23.08.89, бюл. № 31. Даний пристрій містить вітроколесо, розміщене усередині конфузорного обрамлення, а також вузол завихорителя. Установка дає можливість розширити діапазон робочих швидкостей вітру за рахунок завихорителя вхідного потоку, встановленого на шляху течії перед вхідним розтрубом конфузора. Завихоритель забезпечений парасолькою, розчин якої впливає на потік, а сервоуправління розкриттям здійснюється шляхом зворотного зв'язку механізму парасольки з генератором вітроколеса. На холостому ходу структура робочого потоку раціональна, тобто має вхідну воронку і центральний шнур. Але при роботі турбіни, що відбирає енергію у потоку, воронка зникне, унаслідок чого швидкість потоку зменшується. До недоліків пристрою слід віднести знижену економічність, що є слідством великого аеродинамічного опору конфузора, а також нераціональної структури робочого потоку. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача збільшення ефективності і економічності енергетичної установки шляхом створення вітроенергетичної установки з підвищеною чутливістю до слабких вітрових потоків. Поставлена задача вирішується тим, що у вітроенергетичній установці, що патентується, вітроколесо, яке містить розміщене усередині конфузорного обрамлення вузол завихрителя вхідного потоку, встановленого на шляху течії перед вхідним розтрубом конфузора, а також електрогенератор і вузол флюгера, конфузорное обрамлення виконано у вигляді спарених розтрубних модулів головного і службового, встановлених концентричне із зсувом по загальній осі, причому службовий модуль охоплює головний, утворюючи в своїй дифузорній частині камеру для ежекції потоку, що виходить з каналу головного модуля, виносний 5 завихоритель позбавлений системи управління, електрогенератор укладений в обтічний кожух і розміщений уздовж осі в камері ежекції службового модуля, внутрішня поверхня обох конфузорів виконана макрошорсткою, причому шорсткість носить ямковий характер що турбулізує контактний шар притискуваного до стінок вихрового потоку, істотно зменшуючи тертя об стінки. Проаналізуємо відмінні ознаки на предмет оцінки їх ефективності та можливостей реалізації. Конфузорне обрамлення ВЕУ установки виконано у вигляді спарених розтрубних модулів - головного та службового, встановлених концентричне із зсувом по загальній осі. Особливістю динаміки рідинних течій є те, що при входженні в стислі об'єми утворюються вхідні вихорові воронки, що впливають як на динаміку, так і на структуру робочого потоку. Особливий інтерес мають системи напірно-відсмоктувального типу, моделлю яких можуть служити стічні процеси. Якщо рідина з великого об'єму зливається по тонкій трубі в нижню судину під дією сили тяжіння, то при деякому співвідношенні вхідного тиску і тиску відсмоктування (в даному випадку цей тиск створюється унаслідок прискорення струменя в тонкій трубі) у вхідному пертині слива формується воронка, наявність якої є індикатором надкритичного (вище за рівноважне значення) збільшення швидкості зливу. Такою ж структурною особливістю відмінні природні вихори. В них також формується вхідна повітряна воронка, тобто, зона радіального розшарування потоку з утворенням шнура низького тиску по осі вихору. Основний ефект, що гарантує зростання ККД ВЕУ, полягає в збільшенні пропускної спроможності розтруба, що в поєднанні з падінням пристінного тертя виводить ступінь прискорення потоку ближче до теоретичних величин навіть при відносно слабких вітрах. Збільшення росходу у вихідному перетині визначається помітно збільшеною швидкістю основного шару вихору в структурі воронки. Оптимальні умови збільшення росходу створюються тоді, коли штучний вихровий потік приймає структуру, близьку до природних вихорових утворень. Тестом на повний набір необхідних параметрів служить те, що у відкритому об'ємі розтруба формується воронка з виразним розділенням областей по бародинаміці. Така поведінка вихорів відповідає властивостям середовища. І хоча ці процеси в набагато меншому ступені піддаються примусовому управлінню та силовому перетворенню, їх природні параметри можуть бути з успіхом використані для підвищення ефективності пристроїв. Дослідження і аналіз показують, що можливість утворення вхідної во-ронки в повітряному потоці вимагає створення тиску відсмоктування з вихідного перетину, а також певного співвідношення фронтального тиску і тиску відсмоктування. Здвоєний конфузор, застосований в даному пристрої, один з яких працює на ротор, а інший тільки на зміну умов перебігу основного потоку, діє набагато ефективніше ізольованого конфузора, навіть із збільшеним перетином захоплення пото 92663 6 ку. Це пояснюється тим, що швидкість потоку в каналі конфузора стимулюється не стільки зібраною енергією, скільки провідністю системи по відношенню до течії. У вітровому потоці, на відміну від водяного, переважають неконсервативні сили, і робота, вироблювана потоком, залежить від траєкторії проводки і змішування окремих струменів. Тому створюваний в конфузорі перетвір захопленого потоку з динамічного стану в потенціальний не призводить до лінійного підсумовування енергії. Тут слід пояснити, що на відміну від існуючої аналогової моделі, що описує динаміку повітряного потоку в параметрах рідинної течії, швидкість течії в каналі конфузора визначається в більшій частині перепадом статичного тиску зупиненого фронту. І лише в несуттєвій частині - надбавкою від динамічного тиску у вхідному перетині каналу. Звідси і домінуючий вплив аеродинамічного опору каналу. Ці особливості вихрового руху створюють передумови тому, що вихрова установка с горизонтальним каналом може працювати на слабкому вітрі, який присутній постійно в будь-якій відкритій місцевості, а установка з вертикальним каналом за рахунок висхідних конвективних потоків повітря. Тип обрамлення, що патентується, створює вітроперетворюючу систему з малим ступенем закритості (ізоляції від зовнішнього середовища). Цим вона вигідно відрізняється від трубоподібних стовбурних систем, що формують каналізовані потоки, в яких наявність опору самого каналу, а також неусувної перешкоди з боку робочого органу погіршує умови існування стійкого вихору з розрідженим «сердечником». На базі цих посилок і розроблена установка з узлом-завихорителем потоку. Службовий модуль вітроенергетичної установки охоплює головний кон-фузор, утворюючи в своїй дифузорній частині камеру для ежекції потоку, що виходить з каналу головного модуля. Вихід відпрацьованого повітря з головного конфузора в пристрої, що патентується, провадиться в камеру, утворену обрамленням службового конфузора. Тут, потік, що втратив енергію і швидкість, захоплюється швидкісною течією, що сформувалася в службовому конфузорі. Закон безперервності потоку створює в даній ситуації умови для появи сил, що форсують робочу вихідну течію. Таким чином, енергія непродуктивних струменів в службовому конфузорі витрачається на прискорення відпрацьованого потоку. Вплив відсмоктування на структуру і динамічні параметри потоку розповсюджується не тільки на середню його зону, але і на зону вхідного перетину. В заздалегідь закрученому робочому потоці, направленому в камеру ежекції, при будь-якому опорі руху струменів вхідний меніск розсмоктується і утворюється воронка, визначаючи більш динамічну структуру потоку усередині каналу. З цієї причини, швидкість вітрового потоку в каналі головного конфузора буде підвищена. Крім того розрідження, що утворюється в осьовій частині вихору, утримує вихор від розширення габаритів і збільшення тиску на стінки конфузора. Таким чином, в даній моделі завдяки додатковій енергетичній підтримці з боку службового кон 7 фузора, робочий потік зберігається навіть у разі недостатнього швидкісного натиску на вході головного конфузора. Як це здійснюється при стоці води, коли рівень, що впав, вже не дає тиску, але швидкість витікання не падає завдяки відсисаючим силам. Виносний завихоритель вітроенергетичної установки позбавлений системи управління. Завихоритель, що патентується, нерухомий і не має площинних насадок, оперативно змінюючих його профіль у зв'язку із зміною режиму вітроприймання. Він розрахований тільки на закручування робочого потоку. Обвідний потік залишається лінійним. Їх сходження в камері ежекції дає позитивний ефект у вигляді взаємного обміну імпульсами. Як вже пояснювалося вище, у разі виникнення режиму запору каналу (зупинки потоку), тобто порушення балансу між гальмуючими та рушійними силами, оточуючі головний конфузор струмені посилюють течію в службовому конфузорі і відновлюють позитивний баланс сил. Таким чином, йде автостабілізація режиму. Тому процес вихороутворення не вимагає штучної параметричної корекції. Електрогенератор вітроенергетичної установки укладений в обтічний кожух і розміщений уздовж осі в камері ежекції службового модуля. Кожух електрогенератора виконує функції обтічника, створюючого усередині камери ежекції кільцевий зазор, і повертаючий відпрацьований потік в зону швидкісних струменів, які течуть в периферійних шарах камери. Конфігурація вихідного дифузора поліпшується цим сердечником в аеродинамічному відношенні. Внутрішня поверхня конфузорів вітроенергетичної установки виконана макрошорсткою, причому шорсткість носить ямковий характер що турбулі-зує контактний шар притискуваного до стінок вихрового потоку, істотно зменшуючи тертя об стінки. Це додаткова міра для зменшення загального аеродинамічного опору комбінованого пристрою, що патентується. За відомостями, які є у авторів, запропоновані істотні ознаки, що характеризують суть винаходу, не відомі ні в даному, ні в суміжних розділах техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні ВЕУ для регіонів із слабкими вітрами. Схема пристрою приведена на фіг. 1 Вітроенергетична установка (фіг. 1) містить ротор 1, укріплений на трансмісійному валу 2 і забезпечений обрамленням, що складається з двох нерухомих розтрубних модулів - головного 3 і службового 4, концентричне встановлених на загальному стовбурі 5. Виносний завихоритель 6 з гвинтовою закруткою площин, змонтований концентричне розтрубу 3 на винесенні стовбура 5 і розкріплений тягами 7. На валу 2 укріплений електрогенератор 8, поміщений в обтічний кожух і встановлений в об'ємі, яка є камерою 9 ежекції. Кіль 10 на консолі 11 утворює вузол флюгування. Площини завихорите-ля 6 мають гладку поверхню. 92663 8 Він нерухомий і встановлений з невеликим винесенням так, що при повністю сформованій воронці потрапляє в зону розрідження і в цій фазі практично не має вирішального впливу на режим, здійснюючи тільки оперативну підтримку. Якщо вихор руйнується через нестійкість швидкісного натиску, то густина повітря в зоні завихорителя зростає, і його відбиті гвинтові струмені стають потужнішими, визначаючи відновлення звичайного характеру руху повітря в каналі. Таким чином, цей вузол здійснює стабілізацію режиму. Внутрішня поверхня конфузорів виконана макрошорсткою. Шорсткість носить ямковий характер що турбулізує контактний шар притискуваного до стінок вихрового потоку, істотно зменшуючи тертя об стінки. Цей захід істотний, оскільки вихороподібна течія має найбільшу густину і лінійну швидкість саме в цьому шарі. Робочий процес у вітроенергетичній установці, що патентується, протікає наступним чином. Вузол флюгера виставляє подвійний розтрубний модуль на вітер. Після чого починається захоплення набігаючого потоку. При цьому одночасною роботою відразу двох конфузорів формується два потоки - прямий і відтіч-ний. Оскільки напрям рушійних сил цих потоків співпадає, то наступає синергія течії. Енергія відсмоктування збільшує швидкість притоку повітря. Завихоритель ініціює закрутку струменів. Причому в головний конфузор поступає не весь завихорений потік, а частина його, обтікаючи вхідний меніск підвищеного статичного тиску, приєднується до струменів, захоплюваних в кільцевий канал службового модуля. Цей сумарний потік, проходячи в камеру ежекції, створює тягу у вихідній течії, яка, змінюючи структуру робочого потоку, збільшує пропускну спроможність головного модуля. Внаслідок цього розсмоктується вхідний меніск та утворюється воронка. Одержуючи структуру смерча, стислого обрамленням, потік швидшає. Цьому сприяє також зменшення фрикційних втрат в зовнішньому шарі вихору, обумовлених характером структурованої поверхні. Діаметр центрального шнура залежить від швидкості вітрового фронту в зворотному відношенні. Причому шнур збільшується при падінні тиску, даючи можливість зберігати швидкість зовнішнього шару, який стоншується, внаслідок чого зменшується витрата повітря. Проте, оскільки продуктивність вітроколеса залежить від швидкості потоку, то воно не зупиняється між піками поривів вітру. При надмірно сильних поривах вітру шнур воронки прагне зменшитися, сходячись до центру каналу конфузора. Але нерухомий завихоритель затінює центральний перетин, створюючи буферну обмежувальну зону. До достоїнств пристрою слід віднести можливість автостабілІзації вітрового навантаження на ротор. Вона здійснюється наступним чином. Опір конфузора є величиною змінною і залежить від того, яка частка кинетичної енергії потоку утилізована ротором. Чим більше швидкість потоку, тим більше енергії відбирає робочий орган. У момент початку обертання він не впливає на цей параметр. Але конструктивні особливості при 9 92663 строю, що патентується, створюють ще один канал утилізації у вигляді службового конфузора. Його геометричні зв’язки з головним конфузором сприяють раціоналізації функціональних зв'язків. Якщо, з енергетичних причин, потік не може повністю увійти до головного конфузору, то частина його обтікає розтруб, але при подальшому русі приєднується до потоку, що входить в розтруб службового конфузора, опір якого не лімітований рівнем утилізації енергії. Таким шляхом упущені Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 10 струмені повертаються в пристрій і спрацьовують, опосередковано збільшуючи продуктивність ВЕУ (посилюючи відсмоктування). При підтримці відсисаючого вузла динаміка основного потоку відрізняється придушенням підвихорів і протитечій. Електрогенератор окрім основної функції виконує ще і роль аеродинамічного вузла, що збільшує ефективність роботи службового розтруба, створюючи кільцевий канал в дифузорній завуженій його частині. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601