Способ использования кинетической энергии ветра и устройство его реализации

(51) 03 3/06 (2006.01) 03 11/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ нагнетается в техническое приспособление(представляющий сопло Лаваля-конфузор и диффузор), в нем воздух разгоняется до скорости звука за счет поджатая, степень которого определяется соотношением площади поперечного сечения сопла и форкамеры и увеличивается до заданного значения, соответствующего числу Маха на выходе из конфузора и внутренняя энергия воздуха преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения в каналах. Затем объем разогнанного воздушного потока проходит через проточную часть статора приспособления и направляется изогнутыми дугообразными вертикальными его лопатками в рабочую камеру приспособления, где его захватывают изогнутые дугообразные вертикальные лопатки ротора,вращающиеся под действием кинетической энергии поджатого воздушного потока, который в свою очередь, через систему передач вращает генераторы ветроэнергической установки башенного типа снабженные опорными стойками установленные на бетонные фундаменты. При этом, конфузор и диффузор выполняют равнозначные функции и попарно расположены по направлениям розы ветров на местности, поэтому нет необходимости направлять устройство по ветру.(54) СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВЕТРА И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ(57) Изобретение относится к области ветроэнергетики,в частности к способу использования кинетической энергии ветра и к ветроэнергическим установкам. Задачей изобретения является нагнетание атмосферного воздуха в техническое приспособление, с поджатием его в нем и использование кинетической энергии поджатого воздуха для вращения ротора и генератора ветроэнергетической установки. Техническим результатом от применения изобретения является повышение напора и увеличение объема воздушного потока прошедшего в рабочую камеру приспособления, приводящий к увеличению мощности ветроэнергетической установки. Технический результат достигается тем, что атмосферный воздух скоростным напором ветра Изобретение относится к области ветроэнергетики,в частности к способу использования кинетической энергии ветра и к ветроэнергическим установкам. Ареал распространения ветроэнергетических систем чрезвычайно узок,развитие ветрогенераторов продолжается в замкнутых рамках территориально-климатических ограничений и направлении прямого механического наращивания габаритов лопастных турбин, высоты установок класса НАМТ . На сегодня 89 всех ветроэнергических мощностей мира сосредоточены по морскому побережью, на островах и шельфестран Западной Европы, США и Канады, где скорости ветра в 12-13 м/с обеспечивают их работоспособность и рентабельность. Континентальные страны с умеренной энергетикой ветров (среднегодовые скорости 46 м/с) довольствуются маломощными ветряками в сельской местности, предельно близко работающим у нижнего расчетного порога применимости ветрогенераторов, наступающему при легком ветре 3,4 м/с, когда воздушные потоки в атмосфере обладают ничтожной кинетической энергией. Здесь,внизу, ветер является непредсказуемым и неустойчивым источником энергий а высоко в небе,где скорость воздушных потоков более стабилен,ветер трудно эксплуатировать. Современные ветроэнергетические установки(далее ВЭУ) промышленной мощности имеют даже в указанных благоприятных зонах неприемлемо низкий коэффициент полезного действия. Одна из основных причин этого явления заключается в повсеместно практикуемом способе использования кинетической энергий воздушного потока. Известные способы преобразования кинетической энергий ветра и устройства его осуществления (классы МПК 7 Патенты России 2109981, кл 03 5/60 2141058 кл 03 5/00 2125182 кл 035 2078992 кл 03 3/00 2380568 кл 03 5/06 2304232, 2018030 кл 03 7/02 20085 С 1, 2380568 С 2 кл 03 5/062) заключается в том, что воздушный поток захватывается лопастями ветрового колеса. Принцип действия всех ветрогенераторов один под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями,передавая крутящий момент через систему передач валу ветрогенератора,вырабатывающего электроэнергию. Существующие системы ветрогенераторов по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса. Первый класс включает ветрогенераторы, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра,и,следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Ветроколесо ветрогенератора необходимо разворачивать относительно ветрового потока так,чтобы оптимальным путем использовать его энергию, и поворотом лопастей поддерживать постоянные обороты во всем рабочем диапазоне 2 скоростей ветра. Такие ветрогенераторы называются крылчатыми. Ко второму классу относятся системы ветрогенераторов с вертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме такие ветрогенераторы разбиваются на группы Жиромилль и Дарье. К третьему классу относятся ветрогенераторы,работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые барабанными ветрогенераторами. У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра. Преимуществом ветряков с вертикальной осью вращения является- ветрогенератор вертикальный - универсален,его конструкция не зависит от направления ветра, в работе он использует переменные воздушные потоки-благодаря бесшумной (в допустимых пределах) работе, вертикальный ветряк можно устанавливать вблизи домов, в заповедниках и т.д-вертикальные ветрогенераторы отличаются особенной устойчивостью и способны выдерживать ураганный ветер,агрессивные воздействия атмосферных явлений и перепады температур. Наиболее близким к данному изобретению решением является мобильный ветроагрегат по патенту 23744872 МПК 03 11/00, 2009 г. Содержит ротор в составе вертикальной несущей трубы с узлами подвижного крепления,размешенные на несущей трубе верхний и нижний пояса с пазами, между которыми размещены боковые лопасти в виде изогнутых секторов. Ветроагрегат снабжен размещенным на его основании электрогенератором, выполненным с полой осью ротора, и проходящей через нее съемной центральной осью, на которую надета вертикальная несущая труба. Верхний и нижний пояса ротора выполнены съемными и снабжены узлом поджатая к лопастьям. Вертикальная несущая труба в нижней части снабжена элементом соединения с ротором электрогенератора. Ось ротора электрогенератора может быть снабжена элементом соединения с вертикальной несущей трубой, входящим в зацепление с элементом соединения, выполненным в нижней части вертикальной несущей трубы. Верхний конец несущей оси устройства может быть снабжен 3-12 рожковой консолью для закрепления ветроагрегата с помощью введенных в устройство троссовых растяжек. Однако недостатком такого способа использования кинетической энергий ветра является 1. Использование энергии ветра, только в том объеме,которая захватывается лопастями ветроколеса. 2. Зависимость выходных параметров ветроэнергетической установки от скорости ветра и скоростного напора,замкнутых в рамках територриально-климатических ограничений. 3. Увеличение диаметра ветроколеса, с целью увеличения объема воздушного потока захватываемого лопастями ветроколеса, затрудняет обеспечение механической прочности элементов конструкции и надежности ветроэнергетической установки в целом. Техническим результатом от применения изобретения является повышение напора и увеличение объема воздушного потока прошедшего в рабочую камеру приспособления, приводящий к увеличению мощности ветроэнергетической установки. Технический результат достигается тем, что атмосферный воздух скоростным напором ветра нагнетается в техническое приспособление(представляющий сопло Лаваля-конфузор и диффузор), в нем воздух разгоняется до скорости звука за счет поджатая, степень которого определяется соотношением площади поперечнего сечения сопла и форкамеры, и, затем объем разогнанного воздушнего потока проходит через проточную часть статора приспособления и направляется изогнутыми дугообразовными вертикальными его лопатками в рабочую камеру приспособления, где его захватывают изогнутые дугообразные вертикальные лопатки ротора,вращающиеся под действием кинетической энергии поджатого воздушного потока, который в свою очередь, через систему передач вращает генераторы ветроэнергической установки башенного типа. Сопло Лаваля, представляет собой сначала сужающийся, а затем расширяющийся канал. В сужающейся части скорость потока увеличивается и в наиболее узкой части сопла достигает критической скорости звука. В расширяющейся части сопла скорость становится сверхзвуковой и увеличивается до заданного значения, соответствующего числу Маха в рабочей камере приспособления. Внутренняя энергия воздушного потока преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения в каналах. При небольшой разности давления воздушного потока и внешней среды скорость течения рабочего тела достаточно большая. За расширяющей частью сопла располагается рабочая камера технического приспособления соединенный с диффузором. В диффузоре скорость потока уменьшается, а давление и плотность возрастает. Он изготовлен в виде сходящегося - расходящегося канала. В сходящейся части сверхзвуковая скорость течения уменьшается, после которого скорость становится дозвуковой. Для дальнейшего замедления потока контур канала делается расширяющимся. В сопле и в диффузоре установлены выпрямляющие воздушный поток решетки. Сопло Лаваля-конфузор и диффузор попарно располагаются по периметру рабочей камеры,копируют направления ветра и имеют прямоугольную форму канала. В зависимости от господствующего направления ветра функции конфузора и диффузора меняются,они взаимозаменяемые, поэтому они изготовлены равнозначными. В рабочей камере технического приспособления располагается лопастная турбина. Лопастная турбина снабжена деталями двух систем неподвижного статора,насаженной неподвижно в корпусе рабочей камеры технического приспособления и вращающегося ротора,размещенного на несущей оси ветроагрегата. Статор состоит из верхнего и нижнего поясов,между которыми по периметру расположены изогнутые дугообразные вертикальные лопатки. Ротор состоит из внутренного обода,нарезанными по внутреннему диаметру шлицевыми пазами- наружного обода, с наружной стороны по периметру которого расположены изогнутые дугообразные вертикальные лопатки- распорки между ободами. Воздушные каналы образуются равномерно размещенными по окружности, представляющую проточную часть статора,изогнутыми дугообразными вертикальными лопатками,установленными наклонно к оси направления течения воздушного потока. Лопатки статора и ротора имеют противоположные направления наклона (правое и левое). Профилю лопаток придается обтекаемая форма, чтобы обеспечить меньшей вредные сопротивления в проточной части статора и лопаток ротора. Ветроагрегат снабжен размещенным на основании, в моторном отсеке, редуктором и несущей осью с радиальными подшипниками посаженными в корпусе рабочей камеры технического приспособления. Несущая ось в верхней половине имеет нарезанные шлицевые пазы. На несущую ось одеть ротор. Ротор на несущей оси от вертикального смещения удерживается упорными шайбами. На нижнем конце несущей оси выполнен элемент соединения с приводным валом редуктора. Выходной вал редуктора соединяется через раздаточную коробку с коробками передач соответствующих генераторов,расположенных в моторном отсеке башни. Количество одновременно работающих генераторов зависит от мощности воздушного потока,затрачиваемых на вращение ротора ветроагрегата. Техническое приспособление и ветроагрегат располагаются в башне. Башня имеет высотную металлическую конструкцию, выполненную в форме многогранника. Количество граней башни пропорциональны количеству конфузора и диффузора, расположенных по периметру башни. Башня снабжена опорными стойками соединенными между собой поперечными и продольными балками. Промежутки между опорными стойками и балками усилены металлическими профильными распорками. Опорные стойки установлены на бетонные фундаменты. Техническое приспособление от дождя и снега защищена сверху крышой, мероприятием противообледенения. На чертеже схематически показана структура ветроэнергетической установки состоящая из технического приспособления и ветроагрегата. 3 Фиг.1- показано техническое приспособление в комплекте с ветроагрегатом. Техническое приспособление содержит форкамеру 1, сужающейся 2 и растирающейся 3 каналы конфузора, рабочую камеру 4 технического приспособления, сужающейся 5 и растирающейся 6 каналы диффузора, выпрямляющие воздушный поток решетки 7, опорные стойки 8, поперечные балки 9, межопорные и межбалочные распорки 10. Лопастная турбина ветроагрегата размещенного в рабочей камере 4 технического приспособления содержит статор-состояший из верхнего 11 и нижнего 12 поясов, изогнутой дугообразной вертикальной лопатки 13 и ротора, состоящего из внутреннего обода 14 со шлицевыми пазами 15,наружного обода 16, изогнутой дугообразной вертикальной лопатки 17, внутренней распорки 18,верхнего 19 и нижнего 20 поясов, упорных шайб 21,22. Ветроагрегат снабжен,размещенным на основании 30 в моторном отсеке редуктором 28 и несущей осью 27 с радиальными подшипниками 23 и 24 посаженными в корпусе рабочей камеры. На вертикальной несущей оси 27 выполнен элемент соединения 26 с приводным валом редуктора,который в свою очередь снабжен элементом 25 соединения с вертикальной несущей осью ветроагрегата. Редуктор в свою очередь приклеплен к основанию в моторном отсеке с помощью крепежных элементов 29. В моторном отсеке размещена раздаточная коробка 31, коробка скоростей 32 и генераторы 33. Техническое приспособление и ветроагрегат располагаются в башне, представляющей высотную металлическую конструкцию в виде формы многогранника. Опорные стойки установлены на бетонные фундаменты 34. Техническое приспособление имеет крышу 35 установленную на опорные стойки 8 и поперечные балки 9. Устройство работает следующим образом Атмосферный воздух скоростным напором ветра и выпрямленный в форкамере 1 нагнетается в канал 2. Проходя по нему воздух разгоняется до скорости звука в канале 3 скорость становится сверхзвуковой и проходящейся через проточной части статора воздушный поток изогнутыми дугообразными вертикальными лопатками 13 направляется в ротор,направленный на ротор воздушный поток захватывается изогнутыми дугообразными вертикальными лопатками 17 и заставляет вращаться ротор, одетый на несущую ось 27 и вместе с ним ветроагрегат. Несущая ось 27 вращает приводной вал редуктора 28 и соединенный с ее выходным валом приводной вал раздаточной коробки 31, приводной вал коробок скоростей 32 и соединенный с ними генератор 33. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ использования кинетической энергии ветра заключающийся в том, что воздушный поток захватывается лопастями ветроколеса, передавая 4 крутящий момент через систему передач валу ветроэнергетической установки, вырабатывающего электроэнергию, отличающийся тем, что напором ветра атмосферный воздух нагнетают и заключается в жесткую трубку тока, состоящую из пары усеченных конусов, сопряженных узкими концами,в критическом сечении суживающейся части воздух разгоняют до звуковой скорости за счет поджатия,степень которого определяется соотношением площади впускного отверстия к площади критического сечения, в выходном отверстии расширяющейся части воздух истекает сверхзвуковой скоростью с падением давления и снижением плотности за счет перерасширения,степень которого определяется соотношением площади выходного отверстия к площади критического сечения и устанавливают в рабочей камере режим истечения воздушного потока, где в ней размещенное ветроколесо преобразует его кинетическую энергию в крутящий момент и скорость воздуха истекающего из рабочей камеры в окружающую среду по жесткой трубке тока в критическом сечении суживающейся части снижается до звукового за счет поджатия,приводящий его к постепенному повышению плотности воздуха и его давления, в выхлопном отверстии расширяющейся части устанавливается скорость ветра и давление окружающей среды,превышающее давление в рабочей камере, поэтому скорость ветра и давление не может распространяться против сверхзвукового потока,жесткие трубки тока выполнены симметричными и разнозначными и могут функционировать при смене направления ветра на противоположную. 2. Устройство, содержащее ротор в составе вертикальной несущей трубы с узлами подвижного крепления, размещенные на несущей трубе верхний и нижний пояса с пазами, между которыми размещены боковые лопасти в виде изогнутых секторов, он снабжен размещенным на основании ветроагрегата электрогенератором, выполненным с полой осью ротора, и проходящей через нее съемной центральной осью на которую надета вертикальная несущая труба, верхний и нижний пояса ротора выполнены съемными и снабжены узлом поджатия к лопастям, при этом вертикальная несущая труба в нижней части снабжена с элементом соединения с ротором электрогенератора, ось ротора электрогенератора снабжена с элементом соединения, с вертикальной несущей трубой, выходящим в зацепления с элементом соединения, выполненным в нижней части вертикальной несущей трубы, верхний конец несущей оси устройства снабжен 3-12 рожковой консолью для закрепления ветроагрегата с помощью введенных в устройство тросовых растяжек,отличающееся тем, что оно содержит впускную и выпускную жесткую трубку тока, каждая из них состоит из пары усеченных конусов, сопряженных узкими концами и располагаются на секторах направления ветра по периметру рабочей камеры, в сопряжениях конусов предусмотрены заслонки для впуска воздушного потока с господствующего сектора направления ветра в трубку, имеет статор неподвижно насажанный поясами в корпус камеры,проточная часть которого по периметру разделена на отделы изогнутыми дугообразными вертикальными лопатками и вращающий ротор,состоящий из ободьев зажатых и закрепленных между поясами,внутренними нарезанными шлицами по поверхности насаживаемую на несущую ось и наружного, внешняя поверхность которого разделена на непроточные отделы изогнутыми дугообразными вертикальными лопатками, ободья связаны и усилены внутренними распорками,лопатки статора и ротора располагаются под углом к направлению движения воздушного потока и имеют противоположный наклон, ротор надет на шлицы несущей оси и от вертикального смещения стопорены упорными шайбами,несущая ось на радиальных подшипниковых опорах посажена в корпус камеры и закрыта крышкой, устройство располагается в башне,имеющую многогранную высотную металлическую конструкцию на опорных стойках установленные на бетонные фундаменты усиленные поперечными и продольными балками с профильным распорками, в моторном отсеке расположены редуктор, коробки раздаточная и скоростей, электрогенераторы, устройство сверху накрыто крышкой.