ПРИМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАТОРА И ЗАВИХРИТЕЛЕЙ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРОВЫХ УСТАНОВОК

Мощность ветровой энергетической установки зависит от эффективности использования энергии воздушного потока. Одним из способов ее повышения является использование специальных концентраторов (усилителей) воздушного потока. Для горизонтально-осевых ветровых электрических генераторов разработаны или предложены различные варианты таких концентраторов[16]. Это могут быть диффузоры или конфузоры (дефлекторы), направляющие воздушный поток с площади, большей сметаемой площади ротора, на ветровое колесо, и некоторые другие устройства. Широкого распространения в промышленных установках концентраторы пока не получили.

Дело в том, что на практике эффективность конфузора оказывается меньше ожидаемой. Больше чем на 20 - 30 % скорость ветра увеличить практически невозможно, так как при больших значениях скорости воздушного потокав конфузоре образуются воздушные вихри, препятствующие прохождению воздуха.

Те же варианты конфузоров, которые дают какой-то реальный эффект, сильно усложняют конструкцию, так как их надо разворачивать по ветру, а их парусность очень высока. Поэтому в настоящее время ни одна крупная фирма в мире не производит мощные ветровые генераторы с конфузорами.

С другой стороны, повсеместно в расходомерах используются трубы Вентури (конфузор на входе и диффузор на выходе), как имеющие наименьшие потери давления (напора) среди сужающих поток устройств. Известно, что потери напора при использовании трубы Вентури составляют от 5 до 20 % (при изменении отношения площади сечения трубопровода к горловине от 1,6 до 10,0). Причём это для длинных труб Вентури, а для коротких потери ещё меньше. Но это же показывает, что, в принципе, возможно концентрировать воздушные потоки (и не только воздушные) в 10 – 15 раз, теряя только до 20 – 30 % энергии. Найдя технологически простые и дешёвые варианты таких конструкций, можно будет поднять эффективность ветровой энергетики на порядок, так как возможно уменьшить на порядок затраты на строительство ветровых электрических станций и сократить стоимость ихобслуживания, а также увеличить срок службы.

Для того чтобы концентратор был эффективен, входящие в концентратор потоки (слои) воздуха должны встретить почти одинаковое сопротивление, что исключит турбулентность и позволит потоку концентрироваться, ускоряясь при этом. То есть выходное отверстие концентратора, как минимум, не должно находиться напротив входного.

Не будем рассматривать концентраторы в виде труб Шауберга. Это трудно реализуемые формы. Самое простое – это концентраторы в виде спиралей. Например, логарифмическая спираль, которая используется не только человеком, но и в природе (рисунок 19).

Конфузор можно также модернизировать до полноценного концентратора, придав ему форму сопла Вентури с коротким диффузором на выходе и разместив дополнительно по центру тело аэродинамической формы, вытянутое вдоль оси, диаметром чуть больше, чем выходное отверстие и плавно сужающееся до острия в горловине сопла. Но попытка дальнейшего улучшения свойств этого концентратора приводит нас опять к форме стен в виде спирали. При проекции этого улучшенного концентратора на плоскость видно, что он состоит из спирального концентратора, проекция которого вращается вокруг оси, проходящей через ближайшие друг к другу точки входного и выходного отверстия концентратора (рисунок20). Эта конструкция носит название сопла Савельева. Такая конструкция сопла работает даже при очень низких давлениях и имеет максимальный к. п. д. (поэтому и работает при низких давлениях). Его выходное отверстие может быть или круглым, или кольцевым, причём выходной поток концентрируется по оси.

Рисунок 19 – Логарифмическая спираль

Можно упростить конструкцию сопла для облегчения технологии изготовления (рисунок 21).

Рисунок 20 – Сопло Савельева

Рисунок 21 – Упрощенные варианты сопла Савельева

Но форма концентратора определяет лишь его эффективность (к. п. д.). Чтобы он заработал, необходимо понизить его сопротивление или увеличить давление потока. Трубы Вентури поэтому и работают как концентраторы, потому что в системе достаточно высокое давление. Давление изменить нельзя – это напорное давление ветра, а понизить сопротивление – можно. Нужно всего лишь увеличить размер концентратора. Чем больше концентратор, тем примитивнее может выглядеть его конструкция, тем меньше его сопротивление потоку и тем эффективнее он работает.

Ещё с прошлого века известна конструкция кольцевого сегментного конфузора, для которого направление ветра не имеет значения (его не надо ориентировать при изменении направления ветра). Эта конструкция описана в некоторых патентах и даже кое-где используется. Можно использовать этот принцип в построении концентраторов. Данная конструкция или строение представляет собой ветровой генератор с веерным концентратором ветровых потоков(рисунок 22). На оси размещается рабочая камера, из которой выходит несколько вертикальных стенок (обычно 3 - 4). Криволинейная по длине и вогнутая по высоте конфигурация стенок концентратора создает направленную ориентацию ветрового потока с предпочтительным воздействием на вогнутые поверхности парусов ротора ветрового агрегата, что в итоге позволяет существенно повысить коэффициент использования энергии ветра.

Рисунок22 – Ветровые генераторы с веерными концентраторами с тремя (слева) и четырьмя стенами

Концентрация потока происходит по горизонтали. В верхней части ветровой электрической станции может находиться чашеобразный концентратор, где концентрация (ускорение) потока происходит по вертикали (рисунок 23).

Рисунок 23 – Чашеобразный концентратор

Этот быстрый поток служит для уменьшения давления в рабочей камере путём эжекции воздуха через отверстия в верхней части (потолке) рабочей камеры. Дополнительное разряжение в рабочей камере увеличит скорость выходного потока и, таким образом, увеличит эффективность концентраторов и всей ветровой энергетической установки в целом. В центре рабочей камеры (по вертикальной оси) проходит вытяжная труба, диаметр которой подобран так, чтобы скорость вытяжного потока была максимальна. Тогда и вытяжка благодаря эжекции через отверстия в трубе создаст ещё большее разряжение, что также повысит эффективность ветровой установки. Вытяжка наиболее эффективна в многоэтажных зданиях. Эффективность её можно ещё повысить, дополнительно используя солнечные коллекторы для прогревания воздуха в нижней части сооружения. Используя три - четыре упрощённых сопла, возможно на этаже ветровой электрической станции разместить дополнительно три - четыре помещения округлой формы для различных нужд с целью более эффективного использования площади ветровой электрической станции (рисунок 24).

Рисунок 24 – Подсобные помещения внутри ветровой электрической станции с упрощенными соплами

Ветровые электрической станции можно размещать на верхних этажах любых зданий (рисунок 25).

Рисунок25 – Примеры размещения ветровых электрических станций на верхних этажах зданий с круглым и квадратным периметром

В данных типах ветровых генераторов рекомендуется использовать вертикально-осевые ветровые установки типа Дарье (в частных коттеджах – с геликоидными лопастями для уменьшения вибрации). Для первоначальной раскрутки можно использовать ротор Савониуса.

Существует также вихревой ветровой генератор, принцип работы которого основан на вихревых процессах. Особая конструкция диффузора обеспечивает сильный поток воздуха, который преобразуется в восходящий вихрь внутри параболической колонны. Такие агрегаты более производительны, но также не очень распространены.

Вихревой ветровой генератор имеет мощность от 2 до 100 кВт и более. Для него не требуется ориентация по ветру. Отсутствуют низкооборотные вращающиеся лопасти (используется лопаточная турбина), нет помех радиоприёму, нет инфразвука на частотах, опасных для биологических объектов (около 7 Гц). Он имеет меньшие габариты и металлоёмкость по сравнению с лопастными аналогами. Возможен составной генератор из нескольких секций башенного типа, что значительно экономит средства на крепление и уменьшает габариты установки в целом. Вихревые ветровые генераторы имеют значительные преимущества по сравнению с лопастными ветровыми генераторами.

Разработаны также устройства для преобразования энергии ветра в электрическую энергию без применения движущихся частей. К ним относится, например, устройство, в котором для выработки электрической энергии на основе термоэлектрического эффекта Томсона применяется процесс охлаждения веществ в ветровом потоке.

В случае вихревой ветровой турбины воздух вследствие сжатия в конфузорах нагревается и тем самым создает дополнительную разность для усиления скорости исходящих из верхней части трубы газов.

Австралийцы планируют построить самую высокую в мире трубу (рисунок 26). Если проект будет реализован [17], энергетическая супербашня окажется вторым по высоте сооружением в мире, немного уступая только 828-метровому небоскрёбу BurjKhalifa (иллюстрация EnviroMission).

Инженеры разработали парник, нагревающий воздух под солнцем. Над парником «нарисована» труба, в которой этот воздух создавал бы тягу. В трубе должны быть поставлены турбины. Всё кажется простым, если не принимать во внимание, что диаметр теплицы должен составить пару километров, а высота трубы — 800 метров.

Рисунок 26 - Общий вид вихревой ВЭУ с 800 метровой трубой

Электростанцию с названием «солнечная башня» (SolarTower) австралийцы намереваются возвести в Аризоне.

Даже в верхней части труба должна достигать в диаметре 130 метров.

В основе SolarTower лежит огромная круглая теплица. Днём в пустынной местности воздух и в обычных-то условиях прогревается до 40 градусов, а под прозрачной плёнкой или стеклом парника температура может доходить и до 80 ° С.

По проекту, нагретый воздух будет стекаться к центру сооружения, где возвышается 800 метровая труба. У её основания будут размещены 32 турбины, вращающие генераторы. Их суммарная пиковая мощность составит 200 мегаватт (рисунок 27).

Температура окружающего воздуха падает примерно на градус на каждые сто метров высоты. Вместе с нагревом приземного воздуха за счёт эффекта парника это должно обеспечить башне хороший перепад температур снаружи и внутри, а значит, и солидную вертикальную тягу.

Рисунок 27 - Схема действия ВВЭУ

Вырабатываемой при помощи SolarTower энергии будет достаточно, чтобы питать около 100 тысяч типичных американских домохозяйств или городок с населением в сотню с лишним тысяч человек. При этом по сравнению с обычной тепловой электростанцией равной мощности парник с высочайшей в мире трубой сэкономит выброс порядка 900 тысяч тонн углекислого газа в год.

Технология солнечной башни с восходящим потоком (Solarupdrafttower) впервые была проверена в Испании около 30 лет назад на экспериментальной установке в местечке Manzanares. Система с парником диаметром 244 м и трубой, вытянувшейся вверх на 195 м, развивала максимальную мощность 50 киловатт. Проработала она около 8 лет. В 2010 году в Китае возвели похожую башню на 200 кВт.

Для решения вышеназванных проблем была разработана вихревая ветротурбина (рисунок 28).

В предлагаемом решении внутри концентратора между шатром и конусом установлены криволинейные направляющие стенки, образующие криволинейные воздушные каналы, криволинейные лопасти закреплены на оси генератора. Криволинейность поверхностей направляющих стенок и лопастей ветрового колеса задана логарифмической зависимостью.

Предложен ветроагрегат, включающий концентратор, состоящий из шатра и конуса, ветроколесо с лопастями, генератор с вертикальным валом, вытяжную трубу. При этом в концентраторе расположены криволинейные направляющие стенки, соединяющие между собой конус с шатром и образующие криволинейные сужающиеся воздушные каналы, тангенциально направленные к вытяжной трубе. Ветроколесо выполнено в виде кожуха генератора, на внешней стороне которого установлены криволинейные лопасти, при этом вал генератора неподвижно закреплен одним концом в центре конуса, а другим в верхней части вытяжной трубы. Наружные части шатра и вытяжной трубы окрашены в черный цвет.

Рисунок 28 – Вихревая ветростанция

Воздушный поток, попадая в концентратор, нагревается и движется по криволинейному каналу к вытяжной трубе. Сужение канала позволяет увеличить скорость потока и тангенциально направить его к вытяжной трубе. Выход каждого канала направлен только на одну криволинейную лопасть, т.е. действие потока направлено таким образом, чтобы исключить его воздействие на обратный ход лопастей.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство включает концентратор потока воздуха в виде шатра с вытяжной трубой и конуса с вогнутой поверхностью, ветроколесо, генератор.

Однако, в отличие от известных устройств, внутри концентратора между шатром и конусом установлены криволинейные направляющие стенки, образующие криволинейные воздушные каналы, генератор расположен внутри по центру ветрового колеса, криволинейные лопасти закреплены на поверхности генератора. Криволинейность направляющих стенок и лопастей ветрового колеса задана логарифмической зависимостью.

Сущность изобретения поясняется чертежами на рисунке 28, на которых схематически приведена конструкция предлагаемого ветроагрегата.

По центру шатра установлена вытяжная труба. Внутри трубы размещается ветроколесо в виде генератора, на внешней стороне которого жестко закреплены криволинейные лопасти. Вал генератора неподвижно закреплен по центру конуса и в верхней части трубы. В концентраторе потока между шатром и конусом расположены криволинейные направляющие стенки, которые образуют криволинейные сужающиеся воздушные каналы, обеспечивающие тангенциальный подвод воздушного потока в вытяжную трубу. Наружные поверхности шатра и вытяжной трубы окрашены в черный цвет. Кривизна направляющих стенок и лопастей, задана логарифмической зависимостью.

Устройство работает следующим образом. Поток воздуха поступает в концентратор и движется между шатром и конусом вдоль криволинейных направляющих стенок. Под воздействием солнечной энергии шатер и труба нагреваются, повышая температуру воздушного потока. Нагретый воздух движется по криволинейному сужающемуся каналу, и его скорость увеличивается за счет повышения температуры и уменьшения живого сечения. Выходное отверстие канала направлено таким образом, что поток воздуха по касательной входит в вытяжную трубу и в нем образуется вихревое движение. При этом воздушный поток оказывает гидродинамическое давление только на одну из лопастей, так что на его обратный ход движение воздуха не оказывает никакого влияния, т.е. лопасти не испытывают сопротивления. Расположение генератора в вытяжной трубе также уменьшает живое сечение потока и увеличивает его скорость. Энергия вихревого движения передается на криволинейные лопасти. Благодаря направлению оси вращения вдоль потока лопасти не испытывают лобового удара воздушным потоком и консольного напряжения, даже в случае неравномерного подхода воздушного потока к входным отверстиям каналов концентратора и при изменении его направления. Лопасти, вращаясь, передают крутящий момент генератору, который преобразует механическую энергию вращения в электрическую. Поток воздуха, попадая в концентратор, нагревается и движется по спирали к центру. Спиральное движение воздуха обусловлено направляющими стенками и конфигурацией лопастей. Направление угловой скорости вихря зависит от кривизны стенок. С увеличением радиуса концентратора возрастает мощность агрегата.

Предлагаемую конструкцию можно установить не только на суше, но и на поверхности моря или океана. Эффективность данной конструкции проявляется особенно для удаленных мест, где невозможно подача электроэнергии обычным способом. Предлагаемое решение позволяет увеличить мощность агрегата за счет устранения воздействия сил сопротивления и установлением лопастей на внешней стороне генератора. При этом повышается надежность работы агрегата, ее эксплуатационные характеристики.

К дополнительным преимуществам данной конструкции можно отнести: отсутствие вибрации лопастей, устранение ударного воздействия на них воздушным потоком.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование предлагаемого ветроагрегата обеспечивает достижение технического результата: воздух, попадая в концентратор, нагревается и с помощью криволинейных направляющих стенок получает вращательное движение. Повышение температуры и уменьшение живого сечения потока также способствуют его стабильному ускоренному вращательному движению. Вихревое движение воздуха приводит к вращению лопастей и самого генератора, при этом лопасти на обратном ходе не испытывают сил сопротивления. Криволинейные лопасти обеспечивают плавное обтекание потоком, воспринимают его воздействие, придают вращение генератору. Консольной нагрузки на лопасти не возникает, а увеличение его длины не вызывает роста ударного воздействия потока, как в случае прототипа и соответственно, отсутствует момент напряжения в местах крепления лопастей с генератором. Так как нет консольного напряжения, то толщина лопастей может быть очень малой величины, что снизит материалоемкость конструкции. Применение предлагаемой конструкции улучшает условия работы лопастей, снижает усталостное напряжение и повышает надежность его работы. Лопасти закреплены на внешней стороне генератора и энергия вращения передается ему без дополнительных механизмов. Все это упрощает конструкцию, обеспечивает быстрый монтаж или демонтаж агрегата, визуальный осмотр и устранение неполадок при его эксплуатации.

Предлагаемая конструкция защищена предварительным патентом РК № 20243.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: