Трубная ветроэнергетическая установка

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а более конкретно к ветроэнергетическим установкам. Предложена трубная ветроэнергетическая установка, состоящая из горизонтальной трубы с входным и выходным раструбами, ветроколесом и электрогенератором внутри. За выходным раструбом установлен экран с обтекателем. Трубная ветроэнергетическая установка также содержит перед ветроколесом подпружиненные перепускные клапаны и защитную сетку полусферической формы, вогнутую в направлении потока. Внутренние поверхности установки покрыты шумопоглощающим материалом, а внешние поверхности облицованы солнечными панелями, вырабатывающими электричество. По сравнению с традиционной пропеллерной схемой предлагаемый ветродвигатель имеет целый ряд преимуществ: мощность, отнесенная к площади миделя, больше; конструкция проще и экологически чище.

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям.

В настоящее время известно много вариантов ветроэнергетических установок с вертикальной или горизонтальной осью вращения. Наиболее распространена традиционная схема, в которой над землей на мачте размещен 3-х лопастный пропеллер с горизонтальной осью вращения. Он устанавливается на ветер с помощью специального устройства, в котором предусмотрены датчик направления ветра, мотор и привод (Фатеев Е.М. Ветродвигатели. Госэнергоиздат, М. - Л., 1946, стр.42). Основным недостатком этого ветродвигателя является экологический вред, наносимый окружающей среде: шум, вибрации и опасность для птиц. Эти факторы создают дискомфорт для любых живых существ, в том числе, и для человека.

Известны также ветродвигатели серии "Модуль" с горизонтальной осью вращения, в которых пропеллер размещен внутри кольцевого обтекателя (журнал "Наука и жизнь" 9, 2003 г., стр.50, патент РФ 12195, пр. 31.05.1999 г.). К недостаткам упомянутого ветродвигателя следует отнести конструктивную сложность и, следовательно, большую себестоимость по сравнению с традиционной схемой.

Известна также ветроэнергетическая установка "Модуль с лепестками", в которой с помощью пластин-лепестков на выходе создается разрежение в выходном сечении модуля, что, как показали испытания, позволяет повысить мощность установки почти в 1,5 раза (патент РФ 38364 от 04.02.2004 г.). Однако в этой конструкции мощность повышается за счет увеличения габаритов установки, а, кроме того, установка конструктивно сложная и недостаточно прочная.

Известна ветроэнергетическая установка с ускорением потока (патент РФ 2256818 от 22.11.2000 г.), в которой поток ветра разгоняется в сужающемся канале, где в минимальном сечении ("в горле") установлено ветроколесо.

Проведенные испытания (журнал "Наука и жизнь" 9, 2003 г., стр.50) показали, что данная конструкция не увеличивает коэффициент использования энергии ветра.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является «Гелиоветровая энергетическая установка» (патент РФ 2349792 от 13.06.2007 г.), которая представляет собой осесимметричную трубную ветроэнергетическую установку (ТВУ) с горизонтальной осью, шарнирно закрепленную на вертикальной мачте, содержащую последовательно установленные входной раструб с поперечной защитной сеткой, участок трубы, 3 ветроколеса: внутри и снаружи горизонтальной трубы, электрогенератор, диффузор с выходным раструбом, а также плоскую солнечную панель, установленную на хвостовом вертикальном оперении. Недостатком этой установки является неоправданно сложная и аэродинамически неэффективная конструкция.

Задачей предложенной полезной модели является уменьшение стоимости киловатта мощности, а также сведение к минимуму экологического вреда, наносимого окружающей среде.

Технический результат заключается в повышении эффективности ветродвигателя, упрощении конструкции, снижении уровня шума и вибраций.

Технический результат достигаются тем, что трубная ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью, шарнирно закрепленная на вертикальной мачте, содержит последовательно установленные входной раструб с поперечной защитной сеткой, участок трубы с ветроколесом и электрогенератором внутри, диффузором с выходным раструбом и солнечные панели, за которым на расстоянии 0,5÷1,0 диаметра ветроколеса размещен круглый экран с хвостовым обтекателем.

Технический результат достигается также тем, что трубная ветроэнергетическая установка содержит подпружиненные перепускные клапаны перед ветроколесом.

Технический результат достигается также тем, что внутренние поверхности установки покрыты шумопоглощающим материалом, а солнечные панели, вырабатывающие электричество, покрывают внешние поверхности установки.

Технический результат достигается также тем, что защитная сетка вогнута в направлении потока и имеет полусферическую форму.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого ветродвигателя.

На фиг.2 приведен вид ветродвигателя спереди.

Ветродвигатель ТВУ содержит: входной участок 1 в виде конфузорного раструба, на входе в который имеется защитная сетка 2 от попадания птиц, участок 3 - круглую трубу с ветроколесом 4 и электрогенератором 5, диффузор 6, который заканчивается выходным раструбом 7, за ним на расстоянии 0,5÷1,0 диаметра ветроколеса размещен круглый сплошной экран 8 с хвостовым обтекателем 9 полусферической формы. Перед ветроколесом выполнены подпружиненные перепускные клапаны 10. Ветродвигатель шарнирно установлен на мачте 11.

Обоснованием геометрических размеров и соотношений является следующее:

1. Входной раструб обеспечивает минимальные гидравлические потери полного давления р^*₁ перед ветроколесом, т.е.

p ^*₁=0,996р^*_н,

р^*_н=р_н+¹/₂V²_н,

где р^*_н - скоростной напор, создаваемый ветром,

р_н - атмосферное давление,

- плотность воздуха,

V_н - скорость ветра.

2. Диффузор с экраном обеспечивает минимальные потери полного давления р₂ за ветроколесом

р₂=¹/₂V²_в/к+р₃,

где =0,8÷0,82 - коэффициент гидравлических потерь, (см. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., 1975, стр.443.)

V_в/к - скорость воздуха перед ветроколесом,

Р₃ - давление разрежения в зоне между выходным раструбом и экраном.

Проведенные эксперименты показали, что для создания максимального разрежения, необходимого для повышения эффективности ветродвигателя, оптимальное расстояние по оси от максимального сечения выходного раструба до экрана составляет 0,5÷1,0 диаметра ветроколеса.

ТВУ работает следующим образом.

Под действием ветра ТВУ, шарнирно закрепленная на мачте 11, поворачивается входным раструбом навстречу ветру. Входящий в раструб поток попадает на ветроколесо и приводит его во вращение, а электрогенератор, закрепленный на валу ветроколеса, вырабатывает электричество, которое передается потребителю. За ветроколесом поток тормозится в диффузоре и устремляется в зону разрежения между выходным раструбом и экраном. При увеличении ветра до ураганных значений открываются перепускные клапаны 10, и часть потока уходит наружу через отверстия в трубе перед ветроколесом. Для повышения эффективности установки (уменьшения шума и увеличения мощности) ее внутренние поверхности могут быть покрыты шумопоглощающим материалом, а внешние поверхности покрыты солнечными элементами. Снижение шума и вибраций происходит также за счет того, что ветроколесо (основной источник шума и вибраций) заключено в трубу, т.е. отделено от наружной среды стенками трубы.

То, что диаметр ветроколеса в два-три раза меньше габарита установки упрощает конструкцию, т.к. лопасти ветроколеса - наиболее трудоемкий элемент ветроустановки.

Трубная ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью, шарнирно закрепленная на вертикальной мачте, содержащая последовательно установленные входной раструб с поперечной защитной сеткой, участок трубы с ветроколесом и электрогенератором внутри, диффузором с выходным раструбом и солнечные панели, отличающаяся тем, что за выходным раструбом на расстоянии 0,5÷1,0 диаметра ветроколеса размещен круглый экран с хвостовым обтекателем, а перед ветроколесом находятся подпружиненные перепускные клапаны, причем внутренние поверхности установки покрыты шумопоглощающим материалом, кроме того, на ее внешних поверхностях установлены солнечные панели, вырабатывающие электричество, а защитная сетка, вогнутая в направлении потока, имеет полусферическую форму.