Предложенное изобретение относится к возобновляемой электроэнергетике, в частности, к электрогенерирующим устройствам, направляющим и преобразующим энергию ветра, и может быть использовано как в качестве автономных источников электропитания для бытовых и промышленных нужд, так и в составе ветроэлектростанций большой мощности.

Одним из направлений развития ветроэнергетики является создание устройств для захвата, преобразования и использования движущихся воздушных масс, у которых лопасти генерирующей турбины расположены внутри корпуса установки. К преимуществам таких устройств относятся экологическая безопасность, пониженный уровень шума, улучшение работы электроустановок при слабом и порывистом ветре.

Из уровня техники известны различные конструкции ветроэнергетических установок, принцип работы которых основан на использовании вихревого эффекта (US 8517662 US 9371818, RU 2093702). "Вихревой эффект", или эффект Ранка, проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости или газа и реализуется в устройстве, называемом вихревой трубой. Приосевые слои закрученного потока охлаждаются, а периферийные нагреваются. Набегающий поток воздуха даже при небольшой силе ветра преобразуется с помощью профилированных входных каналов, образованных спиралеобразными направляющими перегородками, закручивается и ускоряется. Таким образом, кинетическая энергия воздушного потока преобразуется сначала в энергию вихря, которая, в свою очередь, преобразуется посредством турбины в электрическую энергию. Так, например, в патенте RU 2093702 описана вихревая ветроустановка, осуществляющая преобразование энергии воздушного потока. Она содержит корпус, вытяжное устройство, направляющие аппараты, каждый из которых выполнен в виде, по крайней мере, двух коаксиально установленных в корпусе полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения с разделяющими вертикальными перегородками, изогнутыми по оси спирали, и ветроколеса, выполненного в форме тела вращения с жесткими профилированными лопастями и установленного над вытяжными цилиндрическими каналами, образованными внутренними торцами вертикальных профилированных перегородок каждого направляющего аппарата. Радиусы вытяжных цилиндрических каналов каждой пары соседних направляющих аппаратов выбираются в соответствии с установленной зависимостью, при использовании которой снижаются потери энергии воздушного потока внутри ветроустановки. Ветроустановка может содержать автоматическую систему управления, с помощью которой производится регулирование размеров проходных сечений каналов направляющих аппаратов, а соответственно, и числа оборотов ротора электрогенератора. К недостаткам этого и подобных устройств относятся: невысокая эффективность установки, за счет малого сечения захвата набегающих воздушных масс, значительных внутренних потери энергии на трение и разогрев воздуха при формировании вихря. Кроме того, подобные изделия являются достаточно сложными при изготовлении и возможном масштабировании, для использования в ветроэлектростанциях большой мощности, поскольку имеют крупногабаритные детали сложной формы.

Известны также устройства, которые используют как вспомогательные системы в качестве дополнительных энергетических установок для бытовых и промышленных целей (US 10443570, US 9294013, US 9169827). Они обычно содержат ветротурбину, заключенную в корпус, с ветроуловителем на входе в форме колокола и выходным отверстием. Воздух, поступающий в корпус через ветроуловитель, разделяется на несколько камер, и поворотные пластины направляют его непосредственно к лопастям турбины, устраняя воздушную турбулентность. Лопасти турбины расположены под выгодными углами атаки. К вертикальному валу прикреплен горизонтальный ротор, который используется для выработки электрической энергии. Форма корпуса и расположение выходного отверстия помогают создать на выходе область разряженного давления, что способствует снижению трения воздуха в системе.

В патенте RU 2276743 предложена ветроустановка, которая содержит неподвижный несущий корпус, являющийся основным направляющим аппаратом, выполненным в виде пространственной лопастной решетки с центральным выходным каналом. В корпусе соосно с центральной осью на вертикальном валу размещено рабочее колесо. Сам корпус установлен с возможностью свободного поворота относительно вертикальной оси, а стабилизаторы позволяют ориентировать его вдоль воздушного потока. Пространственная лопастная решетка сформирована из двух поверхностей вращения и построенными в виде кругового массива пространственных лопастей между ними, которые формируют рабочие каналы. Воздухозаборник полностью охватывает рабочие каналы тыльной зоны направляющего аппарата и соединен воедино с выходным соплом с возможностью свободного вращения относительно центральной оси. Управление воздушным потоком, отдающим энергию турбине, осуществляют путем создания зоны повышенного давления на воздухозаборнике и зоны пониженного давления на выходном канале за счет обтекания поверхности корпуса воздушным потоком. Это устройство можно выбрать в качестве ближайшего аналога. К недостатком такой ветроустановки можно отнести: ограниченную энергоэффективность, что связано как с внутренними потерями на воздушных каналах сложной формы, так и незначительным понижением давления на выходном канале, что может приводить к созданию «воздушных пробок», особенно при порывистом ветре. Выполнение устройств, обеспечивающих повышенное давление и вытяжного устройства в одном корпусе, не позволяет каждое из них оптимально ориентировать в воздушном потоке, что также ограничивает эффективность «отбора» энергии ветра. К тому же такой корпус создает большую парусность и нагрузки на конструкцию, особенно при масштабировании устройства, то есть увеличение его габаритных размеров для использования на ветроэлектростанциях большой мощности.

Техническим результатом от использования заявляемого устройства будет:

- повышение КПД установки, за счет увеличения «отбора» энергии переносимых воздушных масс и уменьшения внутренних потерь в устройстве;

- расширение рабочего диапазона скоростей движения воздушных масс, используемых при электрогенерации, как за счет возможности использовать «слабый» ветер, так и за счет устойчивости конструкции к сильным ветрам;

- повышение стабильности электрогенерации при порывистом ветре за счет сглаживания пульсаций давления в воздуховоде;

- упрощение конструкции и расширение линейки устройств для электрогенерации.

Заявленный технический результат достигается тем, что предложенная ветроэнергетическая установка включает: электротурбину; воздухозаборник, обеспечивающий избыточное давление перед входом на электротурбину, который выполнен в виде башни ветроуловителя с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси, расположенной на передней его части; вытяжное устройство, обеспечивающее пониженное давление на выходе из электротурбины, выполнено в виде башни пониженного давления с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси, расположенной на задней его части, при этом башня ветроуловителя и башня пониженного давления соединены воздуховодом.

Такая тандемная ветроэнергетическая установка (ТВЭУ) имеет самый широкий спектр применения, и может быть использована: в качестве самостоятельных электрогенерирующих станций для обеспечения электроэнергией населенных пунктов; энергообеспечения отдельных промышленных предприятий; для энергообеспечения жилых зданий; освещения автотрасс и снабжения электроэнергией придорожной инфраструктуры; энергообеспечения вышек сотовой связи; в качестве миниэлектрэгенерирующих установок для монтажа на крышах многоэтажных зданий в целях освещения подъездов, придворовых территорий, отопления пешеходных тротуаров; обогрева дорожных покрытий в северных районах и т.д. ТВЭУ могут устанавливаться в прибрежных зонах морей, на холмах, горных возвышенностях, в долинах рек, ущельях и т.д., преимущественно там, где есть постоянные воздушные потоки.

Преимуществом заявляемого устройства является тандемное (совместное) использование башни ветроуловителя и башни пониженного давления, соединенные воздуховодом и создающими оптимальный перепад давления на турбине, обеспечивающей электрогенерацию. Сама турбина обычно располагается в утолщении корпуса воздуховода (в турбинном блоке), вблизи башни ветроуловителя.

Для повышения эффективности работы установки предпочтительно, чтобы размеры воздушных каналов удовлетворяли следующим соотношениям:

- максимальная площадь поперечного сечения башни ветроуловителя должна не превышать площадь поперечного сечения воздуховода, подходящего к электротурбине;

- максимальная площадь поперечного сечения башни пониженного давления должна быть не меньше поперечного сечения воздуховода, отходящего от электротурбины;

- площадь поперечного сечения кольцевого канала турбинного блока, в котором располагаются лопатки электротурбины, должны быть должны быть равны площади поперечного сечения воздуховода, подходящего к электротурбине.

Для устранения «ветровых затенений» на башне пониженного давления предпочтительно, чтобы расстояние между двумя башнями ТВЭУ удовлетворяло следующему соотношению:

С = 2*(А+В), где С - расстояние между осями вращения башни ветроуловителя и башни пониженного давления, А - максимальные поперечные размеры башни ветроуловителя, В

- максимальные поперечные размеры башни пониженного давления.

Обычно внутреннее пространство воздухозаборника и вытяжного устройства разделены направляющими перегородками (пластинами) на секции, высота каждой из которых относится к ширине в пределах от 1 : 2,3 до 1 : 3,3. При этом длина перегородок внутри воздухозаборника уменьшается сверху вниз по высоте башни, а их кривизна при этом возрастает. Такое расположение позволяет уменьшить вероятность обратного перетока воздуха наружу в случае неравномерности скоростей набегающего воздушного потока по высоте башни, и уменьшить трение воздуха внутри башни за счет устранения турбулентности. Длина перегородок внутри башни пониженного давления увеличивается сверху вниз для достижения аналогичных целей.

Сущность изобретения поясняется следующими рисунками: на Фиг. 1 изображен общий вид заявляемой тандемной ветроэлектростанции; на Фиг. 2 представлена схема и принцип действия заявляемого устройства; на Фиг. 3 (а) представлен вид сверху на башню ветроуловителя в набегающем воздушном потоке; на Фиг. 3 (б) представлен вид сверху на башню пониженного давления в набегающем воздушном потоке; на Фиг. 4 (а, б) изображена отдельная секция напорного ветроуловителя с аварийными створками в разных проекциях.

На Фиг. 1 представлен общий вид заявляемой ветроэнергетической установки. Башня 1 ветроуловителя, обеспечивает избыточное давление перед входом в систему. Она выполнена с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси 2, расположенной на передней ее части. Такое положение оси 2 позволяет башни 1 автоматически ориентироваться оптимальным образом в набегающем потоке. В горизонтальном сечении башня 1 ветроуловителя имеет обтекаемую форму, чтобы минимизировать область «ветровой тени» и убрать излишние нагрузки на конструкцию от набегающего воздушного потока. Башня 3 пониженного давления выполнена с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси 4, расположенной на задней его части. Ориентация ее в воздушном потоке также происходит автоматически. Сама башня 3 пониженного давления имеет обтекаемый профиль, сформированный таким образом, чтобы минимизировать нагрузки на конструкцию от набегающего воздушного потока и создать оптимальное разряжение на выходе системы. Турбинный блок 5 располагается вблизи башни повышенного давления. Обе башни 1 и 3 соединены воздуховодом 6. На Фиг. 2 представлена схема и принцип действия заявляемого устройства. Часть набегающего воздушного потока 7 захватывается воздухозаборником 8 (открытая часть башни 1 ветроуловителя) и направляется на вход турбины 9. Внутреннее пространство воздухозаборника разделено направляющими перегородками 10 на секции 11, размеры которых обычно удовлетворяют следующим соотношениям: высота каждой из них относится к ширине в пределах от 1 : 2,3 до 1 : 3,3. Такие размеры секций позволяют оптимальным образом управлять воздушными потоками в воздухозаборнике, избегая обратного оттока воздуха и вихревых явлений, создающих «воздушные пробки».

Размеры перегородок 10 внутри воздухозаборника уменьшается сверху вниз по высоте башни, а их кривизна при этом возрастает. Такое расположение позволяет уменьшить вероятность обратного перетока воздуха наружу в случае неравномерности скоростей набегающего воздушного потока по высоте башни, и уменьшить трение возд^гха внутри башни за счет устранения турбулентности.

Дополнительно башня 1 ветроуловителя обычно содержит балансировочное устройство 12, обеспечивающее ее стабилизацию и устойчивость в набегающем воздушном потоке (Фиг. 3 (а)).

Башня 3 пониженного давления конструктивно имеет устройство аналогичное башни повышенного давления. Только в набегающем воздушном потоке она ориентируется обтекаемой стороной навстречу потоку Фиг. 3 (б). Такая ориентация происходит автоматически за счет поворота башни 3 относительно вертикальной оси 4. При огибание воздушными массами башни 3 через ее открытую часть 13 происходит динамическая откачка воздуха (закон Бернулли), что создает разряжение внутри башни. Для оптимального управления воздушными потоками пространство внутри башни 3 пониженного давления (Фиг.2) также разделено на секции 14 посредством перегородок 15. Размер перегородок 15 увеличивается, их кривизна уменьшается в направлении сверху вниз по высоте башни. Дополнительно башня 3 пониженного давления может содержать балансировочное устройство 16, обеспечивающее ее вертикальную стабилизацию и устойчивость в проходящем воздушном потоке.

Через воздуховод 6 область пониженного давления формируется на выходе турбины 9. Таким образом, перепад давлений на турбине будет определяться как областью повышенного давления на входе турбины за счет нагнетания воздуха, так и областью пониженного давления на выходе турбины, за счет динамической откачки воздуха. В заявляемом устройстве может быть использована турбина любой конструкции, имеющая подходящие масс-габаритные характеристики и параметры, отвечающие поставленной при проектировании задаче (например, одно или многоступенчатые газовые турбины с направляющими устройствами каждой ступени, обеспечивающими максимальный крутящий момент вала и, соответственно, генератора). Для стабилизации и разгона потока воздуха, направляемого на лопатки турбины, в турбинном блоке 5 обычно перед турбиной устанавливается входной конус 17, а за ней выходной конус 18. Их размеры и форма выбираются таким образом, чтобы уменьшить сопротивление воздуха, возникающее за счет турбулентности. При этом предпочтительно, чтобы площадь поперечного сечения кольцевого канала, образованного упомянутыми конусами 17, 18 и внутренней поверхностью турбинного блока была равна площади поперечного сечения воздуховода, подходящего к электротурбине 9.

Заявляемое изобретение предусматривает также дополнительную конструкцию секций 10 воздухозаборника башни 1 повышенного давления для стравливания избыточного давления, что особенно актуально для больших скоростей ветра 20 м/с и более (Фиг. 4 (а) и (б)). В этом случае в корпусе башни высокого давления выполнены прорези (окна) 19, закрываемые поворотными створками 20 с тарированными торсионными шарнирами. При увеличении давления внутри башни выше критической величины створки приоткрываются и стравливают избыточный воздух. Такими створками могут быть оборудованы все секции воздухозаборника или периодически повторяющаяся часть по всей высоте башни 1.

Параметры работы заявляемой ветроэнергетической установки были отработаны с помощью 3D моделирования конструкции, проверены расчеты прохождения воздушных потоков посредством математического моделирования на программном обеспечении «Solid Works». Расчеты воздуховодов производились с помощью приложения «Vent- Cals», ко общеизвестным методикам (например, Да Роза, Альдо Возобновляемые источники энергии /А. да Роза; [пер. с англ, под ред. С.П.Малышенко и О.С.Попеля]. - М.: Интеллект, 2010. - 703 с.; Безруких, П.П. Ветроэнергетика: справ, пособие / П.П. Безруких. - М.: ИД Энергия, 2010. - 320 с.) расчета воздуховодов, в том числе и больших ТВЭУ для ветроэлектростанций большой мощности.

Эксперименты показали следующие параметры установки:

- КПД составит 64 67 %; расчеты показывают, что КПД может быть увеличен до 74 78 % при оптимальной скорости ветра, обеспечивающим условие, при котором отрицательное давление после турбины по абсолютной величине будет превышать избыточное давление по абсолютной величине на входе в турбину.

- минимальная скорость воздушного потока на входе в напорный и вакуумный ветроуловители, обеспечивающая вращение турбины, составляет 2,5 м/с. При этом скорость в кольцевом канале турбины составит не менее 5 м/с;

- при критических скоростях воздушных потоков на входе в напорный ветроуловитель, свыше 25 м/сек, створки секций ветроуловителя приоткрываются и излишний поток воздуха пропускается через сквозные вырезы (окна). Причем каждая секция, в зависимости от скорости ветрового потока у нее на входе, пропускает оптимальное количество воздуха, обеспечивая максимальный перепад давлений на входе и выходе турбины. Заявляемая установка может работать при скорости ветра до 70 м/сек, при этом ветровая нагрузка на ее конструкцию не будет критической. В случае необходимости, установка может быть оснащена устройством синхронизации углов поворота башен.