тепловихревая электростанция

Формула изобретения

Тепловихревая электростанция, содержащая трубу с генератором вихря, ветроколеса, установленные на вертикальном валу, и электрогенератор, отличающаяся тем, что электростанция снабжена дополнительным генератором вихря, дефлектором и системой подогрева воздуха с трубами, причем ветроколеса установлены непосредственно в трубе, а крылья ветроколес размещены в зоне вихревого воздушного потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнической и электроэнергетической промышленности, в частности к конструкции ветроэлектрических установок.

В известных ветроэлектрических установках, монтируемых в трубе, используется восходящий воздушный поток (в.п.) и, как правило, эти установки базируются на традиционных цилиндрических генераторах.

За прототип приняты два технических решения, это солнечно-ветровая электростанция, построенная немецкими специалистами в Испании (статья "Ветряки. в трубе", автор Корней Арсеньев, опубликованная в журнале "Техника молодежи" N 9, 1982, с.34) [1] и вихревая электроустановка (книга "Ветроэнергетика", автор Д. де Рензо, перевод с английского, под ред. д.т.н. Я.И.Шефтера. М. Энергоиздат 1982, с. 32) [2]

Ссылка на два прототипа обусловлена тем, что предлагаемое техническое решение как в идейном, так и в конструктивном плане противопоставляется именно этим прототипам.

Недостатками обоих прототипов являются:

малая эффективность, т.е. при существенных затратах солнечно-ветровая электростанция имеет несопоставимо малую выходную мощность (100 кВт) [1]

большая разница между ночной и дневной скоростями в.п. (ночью 4 м/с, днем 12 м/с) [1]

возможность работы только в регионах с преобладающим количеством солнечных дней [1]

использование восходящего в.п. исключает применение ветровых колес снабженных крыльями, а следовательно не дает возможности получения оптимального угла взаимодействия между в.н. и крыльями ветровых колес [1] и [2]

использование в основном быстроходных цилиндрических генераторов ведет к необходимости применения переходных устройств (редукторов), в которых теряется около 25% выходной мощности электроустановки [1] и [2]

в образовании вихревого в.п. используется меньшая часть входных вертикальных вырезов генератора вихря (где-то 1/3), что снижает его мощность [2]

скорость восходящего в.п. в несколько раз (в 5 8 раз) меньше скорости вихревого в.п. [1] и [2]

при использовании энергии солнца не достигается значительная разница температур между низом и верхом трубы (основной параметр создания тяги) [1]

зависимость мощности и постоянства вихревого в.п. от скорости наружного ветра [2]

Сущность предполагаемого изобретения состоит в том, что при воздействии на ветровые колеса используется не восходящий в.п. а вихревой в.п. непосредственно в трубе. Вихревой в.п. образованный основным генератором вихря, располагается на некотором удалении от центральной оси (вала) и от внутренней поверхности трубы (примерное расположение зон в.п. в трубе показано на фиг. 6). При этом скорость вихревого в.п. (зона I) увеличивается в несколько раз по сравнению со скоростью в.п. при входе в трубу и достигает максимума в ядре вихревого в.п. (зона IV). Скорость в.п. в центральной части трубы (зона II) близка к нулю, а у ее внутренней поверхности (зона III) примерно равна скорости в.п. при входе в трубу. Для разных диаметров расположение вихревого в. п. в трубе будет различное. При увеличении диаметра трубы скорость вихревого в. п. увеличивается. Во сколько раз увеличится скорость вихревого в.п. по сравнению с восходящим в.п. во столько раз увеличится внутренняя зона (зона II), т.е. уменьшается общая площадь восходящего в.п. Следовательно, результирующая мощность ветроустановки как при восходящем, так и при вихревом в.п. будут одинаковы, т.е. не нарушается закон сохранения энергии. При использовании вихревого в.п. который поднимается по спирали под определенным углом, крылья ветровых колес устанавливаются непосредственно в трубе в зоне вихревого в.п. (зона I) под оптимальным углом к нему. Во внутренней части трубы (зона II, где скорость в.п. близка к нулю) располагается вал с элементами крепления и элементы крепления ветровых колес или противовесы при однокрылых ветроколесах. Кроме того, из-за малого рычага использование восходящего в. п. во внутренней зоне было бы малоэффективным. В.п. внешней зоны (зона III) также не используется, следовательно отпадает необходимость шлифовки внутренней поверхности трубы при учете потерь на трение.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипами позволяет установить соответствие критерию "НОВИЗНА".

Разработка мощной ветроустановки решается двумя путями (отсюда и ссылка на два прототипа):

а) создание необходимой постоянной скорости (тяги) восходящего в.п. в трубе, где подход к решению этой задачи отличается от первого прототипа [1]

б) преобразование полученного восходящего в.п. в вихревой в.п. и использование его непосредственно в трубе для вращения ротора генератора, в то время как во втором прототипе [2] используется восходящий в.п. созданный вихревым в.п.

При реализации первого этапа создание необходимой скорости (тяги) восходящего в. п. в трубе, учитывая географическое положение России и многих других регионов, предлагается не навес из прозрачной пленки, под которым за счет солнечной энергии подогревается воздух [1] а "шатер", воздух под которым нагревается при помощи батарей (колосников) или осуществляется непосредственная (прямая) подача теплого воздуха через бункер в трубу. Для этих целей должно использоваться избыточное (бросовое) тепло от металлургических, коксохимических и др. заводов, шахт (на глубине около 3000 м температура воздуха может достигать 60^o), ТЭЦ, нагретая вода от АЭС и т.д. Можно использовать и природное тепло, например, тепло от геотермических источников. "Шатер", диаметр которого будет зависеть от необходимой массы подаваемого в трубу воздуха, возводится от верхней кромки прорезей основного генератора вихря со снижением до 2-х метров по периметру, т.е. имеет конусообразную форму. Двухметровый зазор предназначен для забора наружного воздуха. "Шатер" (бункер), труба, поверхность земли под "шатром", подводящие трубы должны теплоизолироваться, т. е. тяга в основном зависит от высоты трубы и разницы температур между ее низом и верхом.

В зимнее время года, особенно при использовании варианта с прямой подачей теплого воздуха в трубу (для нагрева воздуха под шатром в зимнее время потребуется больший расход тепловой энергии) разница температур воздуха между ее низом и верхом резко увеличится, т.е. увеличится тяга. Кроме того, для увеличения тяги, в верхней части трубы применен дефлектор и вспомогательный генератор вихря. Ветер, обтекая дефлектор, создает под ним некоторое разряжение, чем частично увеличивает тягу. Вспомогательный генератор вихря поддерживает вихревое движение в.п. а также, за счет создаваемого под ним разряжения, увеличивает тягу.

На втором этапе созданный восходящий в.п. с помощью основного генератора вихря преобразуется в вихревой. При этом используются все входные прорези основного генератора вихря, что обеспечивает наибольшее поступление воздуха в трубу (при работе генератора вихря от наружного в.п. открываются входные прорези только со стороны направления ветра [2]).

Ветровое колесо приводится во вращение вихревым в.п. непосредственно в трубе. Более выгодно использовать ветроколеса с крыловым устройством, а не лопастным. Крылья фиксируются под оптимальным углом в самом вихревом в.п. и соединяются с валом перемычками, которые будут находиться в центральной части трубы, где отсутствует движение в.п. Количество крыльев в ветроколесах, а также самих ветроколес будет зависеть от того, на сколько при взаимодействии вихревого в. п. с ветрокрыльями будет нарушаться его структура. В ветроколесах количество крыльев может быть одно с противовесом (противовес опять-таки будет находиться в зоне, где отсутствует движение в.п.), два и т. д. Расстояния между ветроколесами, оптимальная высота (чем выше труба, тем больше тяга) и диаметр трубы (чем больше диаметр, тем больше скорость вихревого в.п.) должны определяться экспериментально на макете. Для уменьшения сопротивления вихревому в. п. вал через подшипники фиксируется профильными пластинами, расположенными параллельно движению вихревого в.п.

Приведенные выше доводы позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "существенные отличия".

Техническое решение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан общий вид ТВЭ с "шатром", где в верхней части расположены дефлектор и вспомогательный генератор вихря. Крыша шатра, монтируемая на ребрах жесткости, которые опираются на стойки. Одновременно ребра жесткости являются дополнительной опорой для трубы.

На фиг. 2 показана система подогрева воздуха под "шатром". Горячая вода или пар подается к батареям (колосникам) и отводятся от них по трубам.

На фиг.3 показана одна секция батареи системы подогрева воздуха.

На фиг.4 показан общий вид ТВЭ с прямой подачей теплого воздуха с четырех сторон через бункер непосредственно в трубу.

На фиг.5 показан ТВЭ в разрезе с прямой подачей теплого воздуха. Дисковый генератор размещен в фундаменте, на который опирается труба. Вал генератора выведен на максимально возможную высоту. На валу, который фиксируется через подшипники профильными пластинами, размещено несколько ветровых колес с крыловыми устройствами. В нижней части трубы расположен основной генератор. В верхней части трубы расположены дефлектор и вспомогательный генератор вихря. Бункер одновременно служит дополнительной опорой для трубы.

На фиг. 6 показана труба в поперечном разрезе с примерным расположением зон в.п. где очевидно преимущество помещения ветрового крыла в зону вихревого в.п. под оптимальным углом.

На фиг. 7 показана часть трубы с вспомогательным генератором вихря, где видны вертикальные прорези с автоматически регулируемыми направляющими лопатками, которые открываются со стороны направления ветра (показано стрелками) и устанавливаются под углом, определяющим образование вихревого в.п. внутри трубы. В основном генераторе вихря все лопатки открыты и зафиксированы под постоянным углом, необходимым для образования вихревого в.п. Вертикальные прорези генераторов вихря ослабят механическую прочность трубы, но потому как основной генератор находится у основания трубы, где она крепится, а вспомогательный генератор вихря расположен в самой верхней ее части, то нет необходимости усиления в местах прорезей.

ТВЭ состоит из: трубы 3 с основным 13 и вспомогательным 2 генераторами вихря, "шатра" 4, смонтированного на ребрах жесткости 5, имеющего по внешнему периметру 2-метровый вход для поступления наружного воздуха 6, система подогрева воздуха, включающей входную 8 и выходную 9 трубы и секций батарей (колосников) 7, бункера 16 с подводящими трубами 17 (для ТВЭ с прямой подачей теплого воздуха), дискового генератора 15 (могут применяться и другие типы генераторов) с валом 10, на котором закреплены ветровые колеса с крыловыми устройствами 11 и элементы фиксации вала 12, дефлектора 1, фундамента 14, противовеса 18, вертикальных прорезей с открытыми 19 и закрытыми 21 направляющими лопатками, стрелками 20 показано направление ветра.

Вес металлической трубы в 20 раз легче, чем подобное сооружение из железобетона.

В ТВЭ вместо традиционного цилиндрического генератора целесообразно использовать мощный тихоходный дисковый (карусельный) генератор ("Карусельная электрическая машина", положительное решение по заявке N 4540025/07, исх. N 16476 от 27.11.91), расположенный горизонтально ниже поверхности земли. Вертикальный вал генератора, на котором крепится несколько ветровых колес, выведен на максимально возможную высоту и без переходных устройств (редукторов) соединяется с диском-ротором. Угловая скорость вращения вала от 10 до 50 об/мин. Возможно использование других типов генераторов.

За счет длины трубы, разницы температур между ее низом и верхом, полученной при использовании избыточного тепла от предприятий, работы вспомогательного генератора вихря и дефлектора достигается тяга (первый этап). Нагретый под "шатром" или при прямой подаче теплый воздух устремляется через прорези основного генератора вихря в трубу, где благодаря направляющим лопаткам приобретает вихревое движение. Вихревой в.п. занимая определенное положение в трубе (для разных диаметров труб оно будет различное), взаимодействуя под оптимальным углом с крыльями ветровых колес, вращает вал генератора. Количество крыльев ветровых колес, их форма, размеры должны выбираться таким образом, чтобы вихревой в.п. после частичного разрушения, при подходе к очередному ветровому колесу, восстанавливался.

Скорость вихревого в. п. внутри трубы будет постоянной, т.к. то незначительное влияние вспомогательного генератора вихря и дефлектора, обусловленное непостоянством скорости ветра, будет сглаживаться за счет массивного диска-ротора, выполняющего одновременно роль маховика.

Предлагаемая ТВЭ совершенно безвредна в экологическом отношении, занимает малую площадь под ее строительство, более того, если существующие мощные ветроустановки, использующие крылья большой площади, вносят помехи в местный теле-радиоприем, то электромагнитные колебания, создаваемые за счет трения в.п. о крылья ветроколес, будут экранироваться металлической трубой.

Совокупность вышеприведенных технических решений позволит создать ветроустановку такой мощности, которой будет достаточно для вращения диска-ротора большого диаметра и весящего несколько десятков тонн.

Таким образом, предлагается техническое решение по сравнению с прототипами [1] и [2] будет иметь следующие преимущества:

1. За счет использования избыточного (бросового) от предприятий или природного тепла при теплоизоляции "шатра" или "бункера", поверхности земли под "шатром", трубы достигается гораздо большая разница температур воздуха между низом и верхом трубы (особенно в зимнее время), т.е. намного увеличивается тяга.

2. Вихревое движение по сравнению с восходящим в несколько раз увеличивает скорость в.п.

3. Помещение крыла ветроколеса в зону вихревого в.п. непосредственно в трубе под оптимальным углом создает условие самого выгодного использования в.п.

4. Применение вспомогательного генератора вихря, работающего за счет наружного ветра поддерживает вихревое движение в.п. в трубе и увеличивает тягу.

5. Использование дефлектора увеличивает тягу.

6. Если в генераторе вихря, работающего за счет наружного ветра, используется где-то 1/3 всех прорезей, которые открываются только со стороны направления ветра, то в основном генераторе вихря воздух поступает в трубу через все прорези одновременно, что значительно увеличивает мощность вихревого в.п.

7. С применением нескольких ветровых колес, равномерно распределенных на валу, более эффективно используется в.п. и увеличивается усилие на вал.

8. Применение в ветроколесах вместо лопастей (при входящем в.п. используются только лопастные ветровые колеса) крыльев большой рабочей поверхности резко повышается мощность ветроустановки.

9. Так как вихревой в.п. не соприкасается с внутренней поверхностью трубы, то для уменьшения потерь на трение отпадает необходимость тщательной ее обработки (шлифовки).

10. При использовании тихоходного дискового генератора, где диск-ротор приводится в движение через вал напрямую, а не через редуктор, в котором теряется около 25% мощности.

11. Благодаря массивному диску-ротору, выполняющему одновременно роль маховика, скорость его вращения будет постоянна и не будет зависеть от кратковременных изменений скорости ветра.