Пристрій для перетворення кінетичної енергії теплих повітряних потоків в електричну енергію

Реферат: Пристрій для перетворення кінетичної енергії теплих повітряних потоків в електричну енергію належить до вітроенергетики, а саме до використання енергії вітру і висхідних повітряних потоків і може бути використаний в діючих димових трубах промислових підприємств для електропостачання окремих об'єктів за допомогою енергосистем, що працюють на поновлюваних джерелах енергії у всіх кліматичних зонах. UA 75121 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ПЕРЕТВОРЕННЯ КІНЕТИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ ТЕПЛИХ ПОВІТРЯНИХ ПОТОКІВ В ЕЛЕКТРИЧНУ ЕНЕРГІЮ UA 75121 U UA 75121 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вітроенергетики, направлена на використання енергії вітру і висхідних повітряних потоків і може бути використана в діючих димових трубах промислових підприємств для електропостачання окремих об'єктів за допомогою енергосистем, що працюють на поновлюваних джерелах енергії у всіх кліматичних зонах. Відомі способи і пристрої, в яких електроенергія, що виробляється установками на поновлюваних джерелах енергії (вітрові, хвильові, фотоелектричні станції тощо), віддається безпосередньо в навантаження споживачу. Відоме технічне рішення (патент UA 54123, МПК F03D5/00, 17.02. 2003, Бюл №2, Спосіб розташування вітрогенератора у вертикальній трубі, Горохов Є.В., Корсун В.І., Василев В.М.) полягає у тому, що в середині труби природної тяги на окремій від нуля висоті спеціальним образом в горизонтальному положенні встановлюється один або декілька вітрогенераторів, при цьому потік повітря, що рухається нагору, доходить до вітрогенератора та приводить в рух його лопаті; дозволяє розширити область використання вітрогенераторів, особливо у достатньо високих діючих або вже не діючих димових та інших вертикальних трубах. Суттєві ознаки, що збігаються з корисною моделлю, що заявляється: у вертикальній трубі, на окремій від нуля висоті, встановлюється в спеціальному кріпленні вітрогенератор. Недоліками даного технічного рішення є: порушення первинної цілісності конструкції вертикальної груби; низький потенціал природної самотяги, що призводить до невисокого коефіцієнта корисної дії (ККД) установки; недостатнє використання внутрішнього робочого простору труби, що зменшує ефективність віддачі енергії повітря. Відоме технічне рішення (патент RU 2395003, МПК F03G7/04, 10.04.2010, Спосіб та пристрій для отримання електричної енергії на відновлюваних джерелах енергії, Крохалев В.В.), в якому автономна повітряна енергетична установка, яка містить конічний повітровід і турбогенератор, змонтований на верхньому кінці повітроводу, при цьому з боку забірної частини повітроводу розміщений нагрівальний елемент атмосферного повітря, додатково оснащена циліндричним повітроводом, причому циліндричний повітровід співвісно розміщений у внутрішній порожнині конічного повітроводу, утворюючи при цьому двопотоковий повітровід для роздільного переміщення висхідних потоків повітря до турбогенератора, причому торець циліндричного повітроводу з боку вихідного отвору розташований нижче торця вихідного отвору конічного повітроводу, а нагрівальний елемент атмосферного повітря розташований в основі установки нижче забірних частин обох повітроводів. В зоні забірної частини установки забезпечують подачу і переміщення попередньо нагрітого атмосферного повітря одночасно за двома співвісно розташованими повітроводами і виведення цих потоків з повітроводів за рахунок різниці перепаду тисків при ежекційному режимі впливу одного висхідного потоку повітря на інший, при цьому один потік нагрітого повітря спрямовують у повітровід з циліндричною формою його поперечного перерізу, а інший потік нагрітого повітря - в кільцеву порожнину між конічним і циліндричним повітроводами, потім окремо переміщувані потоки повітря на виході з повітроводів об'єднують і здійснюють подачу загального потоку повітря на виконавчий орган енергетичної установки. Суттєві ознаки, що збігаються з корисною моделлю, що заявляється: наявність двопотокового повітроводу (конічного та циліндричного) для роздільного переміщення висхідних потоків повітря до генератора; в основі пристрою забірна частина атмосферного повітря радіально розташовані вхідні канали. Дана автономна енергетична установка і реалізований при цьому спосіб отримання електроенергії на поновлюваних джерелах енергії має недолік: додаткові витрати на розміщення пальника (конвертора), необхідного для його роботи палива та недостатнє використання робочого простору напірної труби, що знижує її енергетичну ефективність, зокрема відбір потужності. Найбільш близьким за технічною сутністю і досягненому позитивному ефекту до корисної моделі що заявляється є пристрій (патент RU 2138684, 23.06.1998, Пристрій для перетворення повітряних потоків в електричну енергію, Рожков А.А.), що містить напірну трубу, співвісно з центральним стовбуром шахти встановлено вітровий електричний генератор з вітровим лопатевим колесом, а в основі напірної труби розміщений накопичувач енергії, вітрове лопатеве колесо електричного генератора забезпечене приєднувальною інерційною масою, яка розміщена в периферійній частині вітрового лопатевого колеса, пристрій забезпечений щонайменше двома співвісними автономними інерційними нижнім і верхнім вітровими лопатевими колесами, осі обертання електричних генераторів розташовані співвісно та/або перпендикулярно відповідним їм вітровим лопатевим колесам, нижнє вітрове лопатеве колесо кінематично не пов'язане з електричним генератором, забезпечене пневмодвигуном, змонтованим співвісно з нижнім вітровим лопатевим колесом і виконаним у вигляді 1 UA 75121 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пневмокамери, в периферійній зоні якої розміщено струменевий апарат у вигляді діаметрально розташованих двох сопел зустрічного напрямку. Суттєві ознаки, що збігаються з корисною моделлю, що заявляється: встановлений співвісно з центральним стовбуром шахти вітровий електричний генератор з вітровим лопатевим колесом; установка обладнана щонайменше двома співвісними нижнім і верхнім вітровими лопатевими колесами. Недоліком відомого пристрою є ускладнення конструкції через встановлення додаткового обладнаній - пневмодвигуна, змонтованого співвісно з нижнім вітровим лопатевим колесом і виконаного у вигляді пневмокамери, в периферійній зоні якої розміщено струменевий апарат у вигляді діаметрально розташованих двох сопел зустрічного напрямку, що призводить до підвищення витрат на розробку, експлуатацію та обслуговування пристрою. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення коефіцієнта корисної дії пристрою, за рахунок збільшення його потужності шляхом розширеного використання корисного робочого простору і двопотокового повітроводу установки, підвищення рівномірності розподілу маси вітроустановки, розташування лопатей вітроколіс під різними кутами. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для перетворення кінетичної енергії теплих повітряних потоків в електричну енергію, який містить встановлений співвісно з центральним стовбуром шахти вітровий електричний генератор з вітровим лопатевим колесом, пристрій забезпечений щонайменше двома співвісними нижнім і верхнім вітровими лопатевими колесами, згідно з корисною моделлю додатково в робочий простір встановлюється циліндричний повітровід, який співвісно розміщений у внутрішній порожнині конічного повітроводу, утворюючи при цьому двопотоковий повітровід для роздільного переміщення висхідних потоків повітря у напрямку розрахункової кількості вітроколіс, лопаті яких розташовані під різними кутами, що забезпечує максимальний тиск на лопаті при мінімальній втраті швидкості потоку повітря, в основі конічного повітроводу є забірна частина атмосферного повітря, яка виконана у вигляді радіально розташованих вхідних каналів. Корисна модель пояснюється кресленням, на якому наведено повздовжній розріз пристрою, на якій прийняті позначення: 1 - конічний повітропровід; 2 - циліндричний повітропровід; 3 забірна частина атмосферного повітря, яка виконана у вигляді радіально розташованих вхідних каналів; 4 - вітроколесо; 5 - електричний генератор; 6 - нижнє вітроколесо; 7 - спеціальне кріплення вітроколеса. Пристрій для перетворення кінетичної енергії теплих повітряних потоків в електричну енергію, складається з: конічного повітроводу 1, усередині якого встановлений циліндричний повітровід 2, в основі пристрою є забірна частина атмосферного повітря, яка виконана у вигляді радіально розташованих вхідних каналів 3, щонайменше двох співвісних нижнього 6 і верхнього 4 вітрових лопатевих коліс, які встановлюються в спеціальному кріпленні 7 та електричного генератора 5, що може співвісного приєднуватися до вітроколеса 4 або горизонтально встановлюватись по відношенню до вітроколеса 4, або розташовуватися в будь-якій комбінації кінематичного і електричного зв'язку з вітроколесами 4. Корисна модель, що заявляється функціонує наступним чином. Теплий потік нагрітого повітря надходить в забірні отвори конічного і циліндричного повітроводів 1 і 2, в кожному з яких утворюється перепад тисків за рахунок різниці температур повітря, нагрітого у забірних нижніх отворах повітроводів, і холодного - у випускних верхніх отворах повітроводів. При перепаді тисків відбувається рух потоку повітря, направленого в бік випускних отворів обох повітроводів. Конусність повітроводу 1 при ежекційному режимі впливу висхідного з його вихідного отвору кільцевого потоку повітря на потік повітря циліндричного повітроводу 2 дозволяє створити середовище підвищеного тиску, забезпечити стійкий швидкісний режим переміщення потоку повітря в циліндричному повітроводі і збільшити його рушійну силу, при цьому реалізувати в вихідному отворі повітроводу поле швидкостей потоку з максимумом. Зовнішній повітровід 1 забезпечений щонайменше двома співвісними автономними вітроколесами 4, які встановлюються в спеціальному кріпленні 7. Пристрій може бути використано у варіантах як чисто співвісного приєднання електричного генератора 5 до вітроколеса 4 або горизонтального розміщення електричного генератора 5 по відношенню до вітроколеса 4, або в будь-якій комбінації кінематичного і електричного зв'язку між вітроколесами 4 і генератором 5. Вітроколеса 4, для оптимізації диференційного використання енергії висхідного повітряного потоку в повітроводі 1, можуть бути виконані різного діаметру, значення якого зменшується від нижнього вітроколеса 6 до верхнього вітроколеса 4. 2 UA 75121 U 5 10 15 20 25 Вітроагрегат забезпечених генератором і підключеним до нього за допомогою реле та діода електроакумулятором (не показані). При виникненні повітряного потоку вітроколесо починає обертатися, але генератор не підключається до навантаження, тому що реле включає свої контакти тільки при досить сильному потоці, забезпечуючи розгін вітроколіс на холостому ході, що зменшує їх зношення і збільшує термін служби та надійність. Кожне вітроколесо передає через шпонку, виникаючий від тиску повітряних потоків, крутний момент електрогенератора 5, в обмотках якоря якого від створеного магнітного поля збуджується електрорушійна сила. Виникаюча напруга виводиться на клемну коробку (не показана) по дротах, пропущених через пустотну вісь обертання. Кінетична енергія струменя спрямованого повітряного потоку приводить в рух вітроколеса, які працюють без перебоїв при направленні на їх лопаті стабільних потоків повітря з постійним тиском. Такі "організовані" потоки повітря завжди піднімаються в повітроводі через різницю щільності у нижнього забірного отвору і верхнього випускного отвору повітропроводів. Далі за рахунок перетворення механічної енергії в електричну відбувається вироблення електроенергії. При обертанні лопатей вітроколіс відбувається також підсмоктування повітря, в результаті утворюється додаткове розрідження, що призводить до збільшення тяги в повітроводах. При розміщенні циліндричного повітроводу у внутрішній порожнині конічного повітроводу конструктивно створюється середа підвищеного тиску, а переміщення всмоктуваних мас повітря і подача його на виконавчий орган енергетичної установки відбувається за прямолінійним повітроводом з мінімальними аеродинамічними втратами, при цьому одержуємо стійкий спрямований повітряний потік, регульований перепадом температур, з високим ККД. Вибір оптимально необхідного співвідношення значень різниці перепаду температур між атмосферним повітрям і нагрітим повітрям у порожнини співвісно розташованих повітроводів і відповідно ефективність режиму роботи установки задається в залежності від кліматичних зон та обсягів висхідних потоків теплого повітря з димових труб. Запропонований пристрій отримання електричної енергії на основі використання відновлюваних джерел енергії не залежить від природних явищ, лінія повітряного потоку в повітроводах завжди стабільна і стійка; автономні повітряні енергетичні установки, що реалізують цей спосіб, прості у виготовленні, надійні в експлуатації і доцільні у використанні. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Пристрій для перетворення кінетичної енергії теплих повітряних потоків в електричну енергію, що містить встановлений співвісно з центральним стовбуром шахти вітровий електричний генератор з вітровим лопатевим колесом, пристрій забезпечений щонайменше двома співвісними нижнім і верхнім вітровими лопатевими колесами, який відрізняється тим, що він додатково містить циліндричний повітровід, який співвісно розміщений у внутрішній порожнині конічного повітроводу, утворюючи при цьому двопотоковий повітровід для роздільного переміщення висхідних потоків повітря у напрямку розрахункової кількості вітроколіс, лопаті яких розташовані під різними кутами, в основі конічного повітроводу є забірна частина атмосферного повітря, яка виконана у вигляді радіально розташованих вхідних каналів. 3 UA 75121 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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