Вітроелектростанція

Реферат: Вітроелектростанція містить концентратор потоку повітря, виконаний у вигляді кругового намету з піднятими краями, що опирається на опори, на горловині намету встановлена вертикальна витяжна труба, у порожнині якої встановлене вітроколесо на вертикальному валу, кінематично зв'язаному з валом генератора електроструму, і акумулятор. Намет виготовлений зі світлопрозорого матеріалу. Під наметом покладені покриття з зачерненою зовнішньою поверхнею. Навколо намету встановлена стінка. Чотири дефлектори з'єднані з індивідуальними електродвигунами, керованими комп'ютером. UA 73566 U (54) ВІТРОЕЛЕКТРОСТАНЦІЯ UA 73566 U UA 73566 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вітроенергетики, а саме до вітрових двигунів, що перетворять кінетичну енергію вітру в механічну, і може бути використана при створенні вітроелектростанцій і міні-ГЕС для електропостачання невеликих селищ, окремих ферм, готелів і т.д. Відомий вітродвигун Колобушкіних [1], що містить вежу з вікнами, усередині якої встановлений поворотний апарат із флюгерною лопатою, що направляє потік вітру, що потрапив у вікна, нагору до вітроколеса. Вітроколесо являє собою комбіновану конструкцію з горизонтального вітроколеса з ободом, на якому встановлені вертикальні лопати, що сприймають потоки повітря, що потрапили у верхні вікна вежі. Вітроколесо встановлено на вертикальному валу, що передає обертання на вал генератора електроструму. До недоліків вітродвигуна Колобушкіних варто віднести відносну громіздкість і складність конструкції як поворотної частини вітродвигуна, так і самого вітроколеса, що значно знизить і загальний ККД електродвигуна й річний ресурс його роботи, тому що вітер при малих швидкостях не зможе включити його в роботу. Відомий вітроелектричний агрегат [2], що містить генератор, вітроколесо й концентратор енергії вітру. Недоліком цього винаходу є те, що ефективність концентратора низька, тому що він забезпечує часткову концентрацію потоку повітря. Минаючий же з боків і зверху вітроколеса потік повітря йде, не працюючи, не віддаючи своєї енергії агрегату. Відомий вітроелектричний агрегат [3]. Вітроагрегат являє собою зрізаний конус у вигляді намету з піднятими над землею краями для вільного проходу повітря під конусом у будь-якому напрямку. У горловині конуса встановлені вітроколеса на вертикальному валу, що передає від вітроколеса обертання на генератор електроструму або інерційний акумулятор (типу маховика). Над конусом установлені поворотні напрямні лопати для завихрення потоку повітря. Частина вільно минаючого під конусом повітря піднімається нагору в горловину до вітроколеса. Проходячи через установлені під кутом лопати, потік завихрюється й додатково засмоктує повітря з конуса. При цьому величина потоку повітря і його швидкість збільшуються, що підвищує ефективність роботи вітроагрегата. До недоліків описаного вітроагрегату належить те, що основна частина потоку повітря, що потрапило під піднятий намет (відкритий вільно в усі сторони), пройде наскрізь без віддачі своєї енергії. І тільки частина потоку піднімається нагору в горловину до вітроколіс. Найбільш близьким по конструкції до пропонованої вітроелектростанції є технічне рішення, опубліковане в [4]. Вітроелектростанція містить концентратор потоку повітря, виконаний у вигляді кругового намета з піднятими краями, що опирається на опори, вітроколесо з вертикальним валом, генератор електроструму й інерційний акумулятор, на горловині намету концентратора встановлена вертикальна витяжна труба, у порожнині якої установлене одне або декілька вітроколіс на вертикальних валах, кінематично зв'язаних з валом генератора електроструму й інерційним акумулятором, а усередині намету розташований конус із увігнутою поверхнею, причому внутрішня поверхня намету й зовнішня поверхня конуса з'єднані між собою вертикальними перегородками, що утворять повітряні канали, що звужуються, спрямовані від периферії намету до центру й знизу нагору до вертикальної витяжної труби й лопат вітроколіс, а на верхній частині перегородок установлені шарнірно заслінки, що регулюють величину потоку повітря, що рухається до вітроколіс, причому в повітряних каналах концентратора розміщені пристрої спалювання газу для подачі потоків гарячого повітря. Вітроелектростанція працює в такий спосіб. Потік вітру будь-якого напрямку, зустрічаючи на своєму шляху відкритий з усіх боків намет, входить через вікна в канали й, звужуючись між вертикальними перегородками,внутрішньою поверхнею намету й увігнутою поверхнею конуса, спрямовується до центра й знизу нагору в порожнину вертикальної витяжної труби. При звуженні потоку повітря швидкість його руху зростає в кілька разів. Величина прискорення залежить від величини співвідношення фронтальної площі загального потоку повітря, що задувається в намет, і площі внутрішнього перерізу вертикальної витяжної труби. Необхідно враховувати втрати швидкості потоку від тертя часток повітря між собою, тертя їх об стінки каналів (від якості їхніх поверхонь), об виступи. Потім прискорений потік повітря попадає на лопаті нижнього вітроколеса, обертає його, створюючи крутний момент на валу (на зовнішній його частині), що кінематично пов'язаний з валом генератора. Ротор генератора одержує обертання й починає виробляти електрострум для споживача. Далі потік повітря, віддавши частину енергії нижньому вітроколесу, спрямовується до лопат верхнього вітроколеса. Кут розвороту площин лопат верхнього й нижнього вітроколіс регулюється залежно від швидкості потоку повітря й найбільш оптимального режиму роботи. Крутний момент від верхнього вітроколеса передається на вал (на внутрішню його незалежну 1 UA 73566 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 обертову частину) і від нього на вал інерційного акумулятора. Але внутрішній вал має можливість перемикатися на інший генератор або інший який-небудь механізм. Для підвищення ефективності роботи вітру (особливо в регіонах з низькою середньорічною його швидкістю) і для підвищення ступеня регулювання й стабільності роботи вітроагрегатів у канали намету в пристрої по газоводу й трубі подається утилізований газ, наприклад від факелів нафтопромислів або нафтопереробних заводів, що, згоряючи в потоках повітря, нагріває його, поліпшує конвекцію й тягу у витяжній трубі, а також створює кращі умови для регулювання й підтримки стабільності роботи вітроагрегатів. Якщо відсутній факельний газ, але поблизу від вітроелектростанції є відходи біомас (міські смітники, відходи лісозаготівель, відходи ферм і т.п.), то можна, спалюючи ці відходи в печах, подавати в канали через газоводи й пристрої гаряче повітря. Недоліками відомої вітроелектростанції, узятої як найближчий аналог, є відносна громіздкість і складність конструкції, наявність пристроїв для спалювання утилізованого газу або відходів біомас у печах для подачі гарячого повітря (міські смітники, відходи лісозаготівель, відходи ферм і т.п.), що погіршує екологічну обстановку. Крім того, у вітроелектростанції виникають паузи в роботі при відсутності вітру (особливо в літню пору). В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалити вітроелектростанцію шляхом усунення турбулентних пульсацій при горизонтальному приземному вітрі й збільшення швидкості потоку повітря, що дозволяє спростити конструкцію вітроелектростанції, усунути наявність пристроїв для спалювання утилізованого газу або відходів біомас у печах для подачі гарячого повітря (міські смітники, відходи лісозаготівель, відходи ферм і т.п.) і тим самим поліпшити екологічну обстановку, виключити паузи в роботі вітроелектростанції при відсутності вітру. Поставлена задача вирішується тим, що у вітроелектростанції, що містить концентратор потоку повітря, виконаний у вигляді кругового намету з піднятими краями, що опирається на опори, на горловині намету встановлена вертикальна витяжна труба, у порожнині якої встановлене вітроколесо на вертикальному валу, кінематично пов'язаному з валом генератора електроструму, і акумулятор, намет виготовлений зі світлопрозорого матеріалу, вертикальна витяжна труба виконана конічною, яка звужується нагору, під наметом покладені покриття з малим коефіцієнтом теплопровідності (наприклад, очеретяне) і із зачерненою зовнішньою поверхнею, причому навколо намету встановлена стінка, знову введені чотири дефлектори, з'єднані з індивідуальними електродвигунами, керованими комп'ютером, закріплені по окружності в області нижнього кінця вертикальної витяжної труби, а вітроколесо розміщено в порожнині у верхньому кінці вертикальної витяжної труби. Таким чином, у вітроелектростанції намет виготовлений зі світлопрозорого матеріалу, вертикальна витяжна труба виконана конічною, яка звужується нагору, під наметом покладене покриття з малим коефіцієнтом теплопровідності (наприклад, очеретяне) і із зачерненою зовнішньою поверхнею, причому навколо намету встановлена стінка, знову введені чотири дефлектори, з'єднані з індивідуальними електродвигунами, керованими комп'ютером, закріплені по окружності в області розбіжного кінця вертикальної витяжної труби, а вітроколесо розміщено у верхньому кінці порожнини вертикальної витяжної труби, що дозволяє спростити конструкцію вітроелектростанції, усунути наявність пристроїв для спалювання утилізованого газу або відходів біомас у печах для подачі гарячого повітря (міські смітники, відходи лісозаготівель, відходи ферм і т.п.) і тим самим поліпшити екологічну обстановку, виключити паузи в роботі вітроелектростанції при відсутності вітру. Суть корисної моделі пояснюється ілюстративним матеріалом, на якому представлена структурна схема запропонованого пристрою. Вітроелектростанція складається з вітроколеса 1, розміщеного у верхньому кінці порожнини вертикальної витяжної труби 2, на вертикальному валу 3, кінематично пов'язаному з валом генератора електроструму 4, розташованими в круговому наметі 5 з піднятими краями, що опирається на опори 6, виготовленого зі світлопрозорого матеріалу. Генератор електроструму 4 через перетворювач напруги 7 з'єднаний з акумулятором 8, у якому накопичується електроенергія. Під наметом 5 покладене покриття 9 з малим коефіцієнтом теплопровідності і з зачерненою зовнішньою поверхнею. Навколо намету 5 розміщена стінка 10 під кутом до горизонту. Дефлектори 11, з'єднані з індивідуальними електродвигунами 12, керованими комп'ютером 13, закріплені рівномірно по окружності в області нижнього кінця вертикальної витяжної труби 2. Вітроелектростанція працює в такий спосіб. Під дією вертикального потоку повітря вітроколесо 1, розміщене у верхньому кінці порожнині вертикальної витяжної труби 2, приводиться в обертання. Виникаючий крутний момент на вертикальному валу 3 приводить в 2 UA 73566 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 обертання генератор електроструму 4, розташований у наметі 5 з піднятими краями, що опирається на опори 6. Генератор електроструму 4 виробляє електричну енергію, що через перетворювач напруги 7 накопичується в акумуляторі 8. Вертикальний потік повітря конвективного типу у вертикальній витяжній трубі 2 і наметі 5 створюється за рахунок нагрівання сонячним випромінюванням світлопрозорого покриття 9 з малим коефіцієнтом теплопровідності й із зачерненою зовнішньою поверхнею. Надходження повітря в намет 5 здійснюється через його нижній край, піднятий над покриттям 9. Стінка 10, установлена навколо намету 5, перешкоджає проникненню приземного вітру, що може прохолоджувати покриття 9. Дефлектори 11, з'єднані з індивідуальними електродвигунами 12, керованими комп'ютером 13, дозволяють здійснювати або припиняти доступ горизонтального потоку повітря у вертикальну витяжну трубу 2. Позитивний ефект за допомогою запропонованої вітроелектростанції пояснюється наступними причинами. У літню пору нагрівання поверхні землі велике (у Криму на поверхні землі температура досягає 60…65 °C). Тому що альбедо на 1 % веде до зміни температури на 2,2°, а підвищення потоку тепла в поверхні на 1 % збільшує її температуру на 1,5° [5], то застосоване покриття з малим коефіцієнтом теплопровідності і з зачерненою зовнішньою поверхнею. При цьому вже при різниці температур системи "поверхня-атмосфера" в (15…20)°С виникає вертикальний потік зі швидкістю до 20 м/с і вище [6]. Якщо горизонтальний вітер великий (що в північній півкулі буває взимку [7]), то дефлектори відкриті командою з комп'ютера, і цей потік повітря в основному й служить для виробітку електроенергії. Вертикальна конічна витяжна труба збільшує швидкість потоку вітру [8]. Стінка навколо намету перешкоджає проникненню приземного вітру, що може прохолоджувати покриття й виводити тепло з об'єму намету. Тому стінка розташовується кільцем навколо намету на відстані (1,5…2) метри від нього під кутом (35…45)° до горизонту й висотою (1,5…2) метри. Кут нахилу визначений з умови усунення турбулентних пульсацій за нею при горизонтальному приземному вітрі до швидкостей (20…30) м/с і вище [9]. Кут звужування нагору вертикальної витяжної труби можна взяти рівним (15…20)°, край намету піднятий над землею на висоту 0,5 метра. Запропоноване технічне рішення дозволяє використовувати вітроелектростанції для ефективного виробітку електроенергії в літню пору, а коефіцієнт корисної дії перетворення енергії підвищити на (20…25) % у середньому в інші пори року. Так, наприклад, для Карадагу 2 2 місячні суми сонячної радіації в березні рівні 150 МДж/м , у липні - 540 МДж/м , у листопаді - 145 2 МДж/м [10]. Джерела інформації: 1. Авт. свид. СССР № 1211448, МПК F 03D 1/04. 2. Авт. свид. СССР № 1307078, МПК F 03D 1/04. 3. Д. де Рензо "Ветроэнергетика", Москва, 1982 г. перевод с английского В.В.Зубарева, под редакцией Я.И. Шефтера, с. 32. 4. Патент РФ 2062353, Ветроэлектростанция, МПК F 03D 1/04, опубликован 1993.04.28прототип. 5. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы.-Л.: Гидрометеоиздат, 1975.- С.320, 343. 6. Бибилашвили Н.Ш. и др. Руководство по организации и проведению противоградовых работ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - С. 10. 7. Вайсберг Д. Погода на Земле. - М.: Мир, 1980. 8. Абрамович Г.Н.Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1976.-203. 9. Ландау Л.Д. К проблеме турбулентности//ДАН СССР, 1944. - С.339. 10. Гуральник И.И. и др. Сборник задач по метеорологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - С. 36. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Вітроелектростанція, що містить концентратор потоку повітря, виконаний у вигляді кругового намету з піднятими краями, що опирається на опори, на горловині намету встановлена вертикальна витяжна труба, у порожнині якої встановлене вітроколесо на вертикальному валу, кінематично зв'язаному з валом генератора електроструму, і акумулятор, яка відрізняється тим, що намет виготовлений зі світлопрозорого матеріалу, вертикальна витяжна труба виконана конічною, яка звужується догори, під наметом покладені покриття з малим коефіцієнтом теплопровідності (наприклад, очеретяні) і з зачерненою зовнішньою поверхнею, причому навколо намету встановлена стінка, знову введені чотири дефлектори, з'єднані з індивідуальними електродвигунами, керованими комп'ютером, закріплені по окружності в 3 UA 73566 U області нижнього кінця вертикальної витяжної труби, а вітроколесо розміщено в порожнині у верхньому кінці вертикальної витяжної труби. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4