Вихревая гелиоветровая электростанция “демитан”

(51) 03 3/04 (2010.01) 03 3/00 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ электрическую,преобразование ветровой и солнечной энергии в электрическую в одном агрегате без использования фотоэлектрических преобразователей достигается за счет сбора ветрового потока с надветренной боковой поверхности колоколообразной башни с продольными радиальными прозрачными ребрами,использования центробежной ветротурбины,установки отсасывающего устройства на выходе из ветротурбины с завихрителем ветрового потока с заслонками в нижней части и с коническим диффузором в верхней части устройства,обеспечения открытия заслонок и поворота лопаток сопловой решетки турбины под действием тяги сервомеханизма в зависимости от режима работы,установки между ребрами круговой и наклонных прозрачных перегородок, изготовления боковых поверхностей башни и отсасывающего устройства,крышки установки из материала с большим коэффициентом поглощения солнечного излучения с внутренней теплоизоляцией, установки внешних концентраторов солнечного излучения.(72) Пак Михаил Инович Ем Татьяна Михайловна Пак Михаил Иванович(73) Некоммерческое акционерное общество Алматинский институт энергетики и связи(54) ВИХРЕВАЯ ГЕЛИОВЕТРОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ДЕМИТАН(57) Изобретение относится к солнечной и ветровой энергетике и может быть использовано в системах электро- и теплоснабжения. Преобразование ветровой и (или) солнечной энергии в электрическую энергию осуществляется в одном агрегате в зависимости от скорости ветра и величины солнечной радиации. Уменьшение необходимой обметаемой ветром площади установки на единицу установленной электрической мощности,повышение эффективности преобразования ветровой энергии в Изобретение относится к гелиоветроэнергетике,а именно к устройствам для преобразования в электрическую энергию энергии ветра и солнечной радиации. Известна ветросиловая установка, содержащая башню с ветроколесом, входные каналы с заслонками,исполнительный сервомеханизм,наружная поверхность башни которой выполнена колоколообразной с продольными ребрами переменной высоты, ветроколесо выполнено в виде одноступенчатой радиальной ветротурбины, при этом лопатки сопловой решетки ветротурбины выполнены с возможностью поворота относительно неподвижных осей под действием тяги сервомеханизма, кинематически связанного с валом ветротурбины, соседние ребра и поверхность башни на уровне установки ветротурбины образуют входные каналы, на выходе из ветротурбины установлена отсасывающая труба, в нижней части которой, а также во входных каналах установлены заслонки в виде заслонок обратного воздушного клапана, в верхней части башни установлена крышка башни, внутренняя поверхность которой и торцевая поверхность башни на выходе из отсасывающей трубы в сечении по направлению ветра образуют суживающееся сопло, а также установлен электрогенератор,вал которого кинематически связан с валом ветротурбины(Ветросиловая установка, пред. патент 19611,кл. 03 Д 3/04, 2008). Однако известное устройство из-за малой величины разности статических давлений ветра перед башней и на выходе из турбины не может обеспечить расчетную скорость ветра на входе в рабочую решетку турбины,что снижает эффективных использования энергии ветра, и оно не предназначено для преобразования энергии солнечной радиации. Известен вихреагрегат, включающий корпус,установленный в нем на основании генератора с вертикальным валом, закрепленное на валу ветровое колесо с лопастями, корпус выполнен в виде усеченного конуса,основание выполнено дискообразным,лопасти ветрового колеса выполнены криволинейными,на внешней поверхности диска-основания и конуса-корпуса выполнены криволинейные выступы направляющие, наружные части корпуса, основания и ветрового колеса окрашены в черный цвет(Вихреагрегат, пред. патент 18089, кл. 03 Д 3/00, 2006). В силу того, что при отсутствии ветра нагретый воздух поднимается вертикально вверх, то градиент давлений с солнечной и теневой стороны диска основания и конуса - корпуса вихреагрегата не обеспечит стабильное вращательное движение потока воздуха в зоне ветрового колеса даже при наличии выступов - направляющих на корпусе агрегата. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение коэффициента преобразования энергии ветра в электрическую энергию во всем диапазоне рабочих скоростей 2 ветра, увеличение этого диапазона, обеспечение преобразования энергии солнечной радиации в электрическую энергию при ветреной и штилевой солнечной погоде, повышение надежности и эффективности основных узлов установки. Технический результат достигается тем, что в вихревой гелиоветровой электростанции,содержащей колоколообразную башню с продольными ребрами и с ветротурбиной,отсасывающую трубу, установленную на выходе из ветротурбины, входные каналы, исполнительный сервомеханизм, электрогенератор, вал которого кинематически связан с валом ветротурбины,колоколообразная башня выполнена с двенадцатью продольными радиальными ребрами из прозрачного материала, ветротурбина выполнена в виде центробежной турбины с рабочей и сопловой решетками, при этом угол поворота лопаток сопловой (направляющей) решетки относительно неподвижных их осей устанавливается под действием тяги сервомеханизма, отсасывающая труба, установленная на выходе из ветротурбины,выполнена в виде вихревого вакуумного насоса с коническим щелевым диффузором, верхняя часть которого является крышкой установки, выходное сечение диффузора расположено в зоне отрыва пограничного слоя, образуемого ветром на верхней кромке боковой поверхности отсасывающего устройства, боковые поверхности отсасывающего устройства и башни на уровне выходного сечения ветротурбины разделены круговой прозрачной перегородкой, поверхности соседних ребер, корпуса башни и круговой перегородки образуют входные конфузорные каналы ветротурбины, в которых установлены прозрачные наклонные перегородки,поверхности соседних ребер, круговой перегородки и отсасывающего устройства образуют входные каналы последнего, в выходных сечениях которых установлен тангенциальный лопаточный завихритель с заслонками, пространство выходного сечения завихрителя отделено от выходного сечения ветротурбины внутренней перегородкой,во входных каналах отсасывающего устройства установлены лопасти с горизонтальной осью поворота, отклонение которых от вертикального положения под действием ветра вырабатывает сигнал управления приводом сервомеханизма,боковые поверхности башни, отсасывающего устройства и крышки установки изготовлены из материала с высокой степенью черноты с внутренней теплоизоляцией. На фиг. 1 показана вихревая гелиоветровая электростанция, схематически изображенная в продольном разрезе, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Вихревая гелиоветровая электростанция содержит башню 1, входной канал ветротурбины 2,наклонные перегородки 3, круговую перегородку 4,центробежную ветротурбину 5 с сопловыми 6 и рабочими лопатками 7, отсасывающее устройство 8,входной канал отсасывающего устройства 9,завихритель 10,заслонки отсасывающего устройства 11, продольные радиальные прозрачные ребра 12, крышку установки 13, конический диффузор 14, лопасти 15, внутреннюю перегородку 16. Электрогенератор и сервомеханизм на схеме не показаны. Гелиоветровая электростанция может работать в трех режимах- в ветровом режиме при скорости ветра равной и большей 3,5 - 4,0 м/с,- в смешанном режиме при скорости ветра равной 1,0 - 3,5 м/с и достаточной интенсивности солнечной радиации,- в радиационном режиме при скорости ветра меньшей 1,0 м/с и достаточной интенсивности солнечной радиации. В ветровом режиме установка работает следующим образом. В зависимости от направления ветра под действием ветрового напора лопасти 15 прижимаются к боковой поверхности отсасывающего устройства 8, что формирует сигнал работы сервомеханизма. Под действием тяги сервомеханизма открываются заслонки 11 отсасывающего устройства с наветренной стороны,одновременно открываются лопатки сопловой решетки 6. Геометрические параметры входных каналов 2,9 и перегородки 3 выбраны из условия минимизации потерь напора на трение в конфузорных входных каналах (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям М., Машиностроение, 1975 - с.559). Далее воздух поступает на профилированные лопатки 7 рабочей решетки турбины. Геометрические характеристики центробежной турбины и профиль лопаток выбраны из условия получения максимальной окружной составляющей силы, действующей на лопатки турбины,закрутки потока во внутренней перегородке 16. Закрученный поток в завихрителе 10 создает под внутренней перегородкой 16 зону разряжения (Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике - М., Машиностроение,1969 - с.99). Перепад статических давлений между этой зоной и входными сечениями конфузорных каналов 2,9 обеспечивает компенсацию потерь напора на трение и ускорение потока во входных каналах. Дополнительное разряжение создается в зоне выходного сечения конусного диффузора отсасывающего устройства за счет размещения этого сечения в зоне отрыва пограничного слоя, на верхней кромке боковой поверхности отсасывающего устройства. В смешанном режиме при скорости ветра,лежащей в пределах от 1,0 м/с до 3,5 м/с, ветровое оборудование регулирования и производства электроэнергии работает так же, как и в ветровом режиме. Но дополнительно открываются лопатки сопловой решетки 6 с солнечной стороны под действием тяги сервомеханизма. Воздух нагревается от боковой поверхности башни, нагретой солнечными лучами до температуры 50 С - 70 С, и поступает во входной канал ветротурбины. В случае недостаточной величины интенсивности солнечной радиации могут быть установлены внешние отражатели солнечных лучей, расположенные вблизи установки (на схеме не показаны). Прозрачные продольные ребра 12 и перегородка 3, 4 обеспечивают эффективный нагрев поверхности башни 1, снабженной с внутренней стороны теплоизоляцией. Разряжение в отсасывающем устройстве создается частично за счет крутки потока в завихрителе 10, а также за счет свободной конвекции воздуха в диффузоре 14, на крышке 13 и на боковой поверхности отсасывающего устройства 8. В радиационном режиме работы вихревой гелиоветровой электростанции все заслонки 11 остаются закрытыми,открываются лопатки сопловой решетки с солнечной стороны под действием тяги сервомеханизма. В остальном принцип работы установки одинаков со схемой и работы в смешанном режиме. Вихревая гелиоветровая электростанция может быть спроектирована на величину угловой скорости электрогенератора 1500 об/мин или 3000 об/мин постоянного или переменного тока. Геометрические характеристики установки зависят от заданной номинальной электрической мощности,климатологических параметров местности. Из-за малой величины уровня шума установка может быть установлена сколь угодно близко к жилым строениям. Принцип работы установки позволяет проектировать и изготовлять как установки малой мощности, так и установки большой мощности (5-15 МВт). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Вихревая гелиоветровая электростанция,содержащая колоколообразную башню с продольными ребрами и с ветротурбиной,отсасывающую трубу, установленную на выходе из ветротурбины, входные каналы, исполнительный сервомеханизм, электрогенератор, вал которого кинематически связан с валом ветротурбины,отличающаяся тем, что колоколообразная башня выполнена с двенадцатью продольными радиальными ребрами из прозрачного материала,ветротурбина выполнена в виде центробежной турбины с рабочей и сопловой решетками, при этом угол поворота лопаток сопловой (направляющей) решетки относительно неподвижных их осей устанавливается под действием тяги сервомеханизма,отсасывающая труба,установленная на выходе из ветротурбины,выполнена в виде вихревого вакуумного насоса с коническим щелевым диффузором, верхняя часть которого является крышкой установки, выходное сечение диффузора расположено в зоне отрыва пограничного слоя, образуемого ветром на верхней кромке боковой поверхности отсасывающего устройства, боковые поверхности отсасывающего устройства и башни на уровне выходного сечения ветротурбины разделены круговой прозрачной перегородкой, поверхности соседних ребер, корпуса башни и круговой перегородки образуют входные конфузорные каналы ветротурбины, в которых установлены прозрачные наклонные перегородки,поверхности соседних ребер, круговой перегородки 3 и отсасывающего устройства образуют входные каналы последнего, в выходных сечениях которых установлен тангенциальный лопаточный завихритель с заслонками, пространство выходного сечения завихрителя отделено от выходного сечения ветротурбины внутренней перегородкой,во входных каналах отсасывающего устройства установлены лопасти с горизонтальной осью поворота, отклонение которых от вертикального положения под действием ветра вырабатывает сигнал управления приводом сервомеханизма,боковые поверхности башни, отсасывающего устройства и крышки установки изготовлены из материала с высокой степенью черноты с внутренней теплоизоляцией.