градообразующая ветроэлектростанция

Формула изобретения

Градообразующая ветроэлектростанция, содержащая концентраторы воздушного потока, ветроколеса и ветротурбины на вертикальных и горизонтальных валах, генераторы электроэнергии, отличающаяся тем, что она выполнена в виде высокой башни с центральным вертикальным каналом, многоэтажным жилым массивом у основания башни с размещением в нем производственных, служебных и жилых помещений и возможным для данных грунтов фундаментом, при этом она снабжена, по меньшей мере, тремя поперечными главными воздуховодами, объединенными в вершинах равностороннего треугольника воронкообразными расширениями, причем каждый последующий из них повернут вокруг вертикальной оси относительно предыдущего на 30-45°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в качестве установки для выработки электроэнергии с использованием энергии ветра.

Известны устройства для утилизации энергии ветра, содержащие башню, воздухозаборник, воздуховод и вращательный рабочий орган, соединенный с генератором электроэнергии (RU 2242635 F03D 1/04; 9/02 2004 г.), где в целях повышения надежности использования ветрового потока башня выполнена ориентируемой по направлению ветра.

Известны устройства, в которых для увеличения скорости потока воздуха в воздуховоде с генератором электротока воздуховод выполнен сужающимся (RU 2215184 F03D 1/04 2003 г.; RU 2256818 F03D 1/04 2005 г.).

Известны также и ветроэлектростанции с концентратором потока воздуха, в которых осуществлен принцип широкого захвата воздушного потока и превращение его в узкий, но высокоскоростной поток (RU 2062353 F03D 3/00 1996 г.). В данном устройстве реализована возможность сжигания горючих газов, подлежащих выбросу в атмосферу.

Недостатком известного устройства по преобразованию энергии ветра в электрическую является их повседневная зависимость от движения воздушных масс в приземном слое (в пределах до высоты 200 метров) и необходимость ориентирования устройства по направлению ветра. Кроме того, во всех устройствах такого типа всегда имеется достаточно много передаточных звеньев с потерей мощности вращения генератора электрического тока. Это обстоятельство не дает возможности основательно использовать природный и экологически чистый способ получения электрической энергией в надежном режиме.

Задачей предлагаемого изобретения является создание населенного пункта, полностью обеспеченного автономным источником электроэнергии, покрывающим производственные и бытовые нужды.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность в освобождении от всех и всевозможных поворотных платформ для ориентирования устройства, что частично выполнено в прототипе (Патент России №2062353), совмещении выброса ненужных газов в атмосферу с получением электроэнергии (что также частично реализовано в указанном прототипе), избавлении от разного вида аккумуляторов мощности вращения, а также устранении повседневной зависимости от скоростей и направлений воздушного потока в приземном слое.

Настоящее изобретение может стать основным источником энергии городов и крупных поселков с большими затратами электроэнергии в жилом и производственном секторах и даже стать градообразующим фактором, например, при разработке каких-то полезных ископаемых или выработки, например, алюминия из глинозема.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемая градообразующая ветроэлектростанция, содержащая концентраторы воздушного потока, ветроколеса и ветротурбины на вертикальных и горизонтальных валах, генераторы электроэнергии, выполнена в виде высокой башни с центральным вертикальным каналом, многоэтажным жилым массивом у основания башни, с размещением в нем производственных, служебных и жилых помещений и возможным для данных грунтов фундаментом, при этом она снабжена, по меньшей мере, тремя поперечными главными воздуховодами, объединенными в вершинах равностороннего треугольника воронкообразными расширениями, причем каждый последующий из них повернут вокруг вертикальной оси относительно предыдущего на 30-45°.

Ветроэлектростанция (ВЭС), содержащая концентраторы воздушного потока, ветроколеса и ветротурбины на вертикальных и горизонтальных валах, генераторы электроэнергии, выполнена в виде высокой башни с центральным вертикальным каналом, силовыми горизонтами, опорным блином и возможным для данных грунтов фундаментом, причем опорный блин представляет ячеистую структуру с размещением в них производственных, служебных и жилых помещений, а силовые горизонты выполнены тремя главными воздуховодами, объединенными в вершинах равностороннего треугольника воронкообразными расширениями, причем каждый последующий горизонт повернут вокруг вертикальной оси относительно предыдущего на несколько десятков градусов.

Для реализации указанных целей ветроэлектростанция (далее ВЭС) выполнена в виде высокой и основательной башни высотой до 1500 метров и шириной у основания до 600 метров и более, с центральным каналом и поперечными, так называемыми, силовыми горизонтами.

Каждый следующий силовой горизонт, расположенный на 15-20 метров выше предыдущего, повернут вокруг вертикальной оси (например, на 30-45 градусов) и иначе ориентирован по сторонам света, что позволяет при определенном направлении ветра использовать более подходящий для этой цели силовой горизонт. Линия, проведенная через центральные точки воронкообразных расширений силовых горизонтов, описывает на теле башни равномерную спираль.

Таким образом, при разных направлениях ветра работают разные силовые горизонты. При чрезмерных скоростях ветра соответствующий его направлению горизонт может быть перекрыт частично или полностью заслонками или же вообще заменен на другой горизонт, который хуже воспринимает данное направление движение воздуха, но обеспечивает более умеренные скорости его движения в воздуховодах.

Между силовыми горизонтами расположены жилые и служебные помещения, а также, где это возможно, и производственные помещения, в том числе теплицы, животноводческие секторы, склады, заводские цеха и т.п.

Башня ВЭС имеет несколько десятков силовых горизонтов с размещением в них ветроколес и генераторов тока, причем ветроколеса выполнены в различных вариантах, в том числе и в виде продольных турбин с высокой степенью надежности к высоким скоростям воздуха. Наиболее целесообразным для наших целей, особенно на высоко расположенных силовых горизонтах, скорее всего, являются соосно совмещенные высокоскоростные турбины и генераторы тока.

Силовые горизонты представляют собой три фигурных канала-воздуховода, выполненных по сторонам равностороннего треугольника и сообщающихся в вершинах треугольника.

Место сообщения каналов-воздуховодов имеет фигурную воронкообразную форму, выполненную с таким расчетом, что срединная часть воздуховода остается круглой в сечении до места перехода в другую фигурную воронкообразную часть воздуховода на противоположной вершине равностороннего треугольника. Срединная часть воздуховода является местом размещения турбин и генераторов электротока.

В начале и конце срединной части воздуховода с постоянным диаметром имеются входы от дополнительных воздуховодов из центральной части воронкообразного расширения. Входы от дополнительных воздуховодов ограничены двумя мощными передвижными заслонками, способными перекрывать поток воздуха частично или полностью и обеспечивать безопасную и спокойную работу персонала во время установки и ремонта турбин и генераторов.

Длина воздуховодов у основания ВЭС и на ее более высоких уровнях неодинакова, и сами силовые горизонты имеют различную площадь, уменьшающуюся к верху башни. Различная длина воздуховодов и различные скорости движения воздуха на разных высотах от поверхности земли позволяют использовать различные типы генераторов тока и ветроколес (ветротурбин).

Центральный канал башни служит дополнительным устройством для выработки электроэнергии и может совмещать в себе функцию выброса неутилизируемых газов в атмосферу. В нем допустимо любое расположение ветроколес и в том числе частичное расположение небольшого сектора ветроколеса, когда центральная часть вращающегося приспособления остается вне вертикального канала-воздуховода. Такое расположение ветроколес обеспечивает легкую доступность любого участка вращающегося приспособления для осмотра и ремонта. Возможен также вариант и с подземным расположением турбин и генераторов электрического тока, расположенных в воздуховодах, например, внутри фундамента башни, выходящих в центральный канал на приземном уровне.

Для повышения устойчивости ВЭС против опрокидывания и уменьшения глубины ее фундамента башня имеет наземный «блин», представляющий собой многоэтажный жилой массив диаметром до одного километра, частично или полностью выполненный железобетонным монолитом с башней. Жилые помещения имеют вибро- и шумозащиту.

В довольно редких случаях возможен вариант крепления башни с помощью углубленной в грунт цельнолитой железобетонной сваи (или трубы), уходящей вглубь за пределы вечной мерзлоты и имеющей расширенный нижний участок, выполненный, например, после заливания бетоном шарообразной пустоты, сделанной локальным подземным взрывом.

Решение вопроса относительно устойчивости башни позволит размещать ее в зонах с вечной мерзлотой, где создание крепкого фундамента является очень серьезной проблемой, но освоение природных богатств диктует необходимость пребывания людей именно в этом месте. Обилие дешевой электроэнергии может сделать пребывание людей в неблагоприятных для проживания зонах более комфортным и независимым от природных условий.

Градообразующая ветроэлектростанция поясняется фиг.1-4.

На фиг.1 представлен общий вид ВЭС с фундаментом и жилым массивом в виде опорного блина у основания башни.

На фиг.2 показан силовой горизонт.

На фиг.3 представлена примерная схема размещения турбин и генератора электрического тока в одном из воздуховодов силового горизонта.

На фиг.4 приведен один из вариантов опорного блина с секторами жилых и производственных помещений.

Градообразующая ветроэлектростанция (фиг.1) состоит из башни 1, снабженной реальным для данной местности и данного грунта фундаментом 2. Башня окружена опорным блином 3, выполненным монолитным с самой башней.

Силовые горизонты (фиг.2) имеют центральный вертикально проходящий башенный канал 4, рядом с которым расположены помещения 5 для размещения ветроколес, турбин, генераторов и ремонтного оборудования. Главные воздуховоды 6 расположены горизонтально, сообщаются в вершинах равностороннего треугольника и объединены общим воронкообразным расширением 7, имеющим центральную развилку 8 с двумя дополнительными воздуховодами, входящими в главные воздуховоды через врезы 9. Развилка выполнена таким образом, что позволяет распределять воздушные потоки или в оба главных воздуховода одновременно, или в какой-то один из них.

Воронкообразное расширение имеет мощные защитные решетки 10.

Главные воздуховоды в начале и конце имеют заслонки 11, выполненные с возможностью частичного или полного перекрытия потоков воздуха в центральную часть воздуховода в том числе и от развилки воронкообразного расширения.

Служебные помещения возле главных воздуховодов не показаны.

Один из вариантов расположения силовых агрегатов в главных воздуховодах представлен на фиг.3. В данном варианте высокоскоростные турбины 12 совмещены соосно с генератором электроэнергии 13.

Опорная конструкция (блин) у основания 14 башни (фиг.4) выполнена в виде прочной ячеистой структуры 15 с рабочими и другими служебными помещениями с искусственным освещением (не показаны), имеющей такие же прочные выступы 16, между которыми располагаются жилые помещения 17, допускающими возможность естественного освещения. Между выступами опорного блина имеются также воздуховоды (не показаны), соединяющиеся с центральным вертикальным каналом и защищенные прочными решетками.

Работает градообразующая ветроэлектростанция следующим образом.

Выработка электроэнергии производится на силовых горизонтах 6, а также в центральном канале 4 башни ВЭС. Центральный канал 4 башни работает вне зависимости от направления господствующих ветров с использованием вертикального движения воздуха в трубе, соединяющей различные горизонты с различными градиентами по давлению и температуре воздуха. Центральный канал совмещает в себе также функцию вытяжной трубы.

Основное количество электроэнергии вырабатывается в горизонтально расположенных воздуховодах 6, сообщающихся в вершинах равностороннего треугольника и объединенных общим воронкообразным расширением 7, имеющим, помимо двух основных входов главных воздуховодов, центральную развилку 8, из которой воздушные потоки могут направляться как в правый, так и в левый главные воздуховоды, или же в оба воздуховода одновременно через соответствующие врезы 9.

При перемене направления ветра начинает работать новый силовой горизонт. Начало и конец работы силовых горизонтов может происходить автоматически с переменой направления ветра или же регулироваться вручную, например, с помощью использования заслонок 11.

При появлении ветров ураганной силы главный воздуховод 6 силового горизонта, ориентированный на восприятие этого направления движения воздуха, частично перекрывается заслонками 11. Если же использование ориентированного на данное направление ветра главного воздуховода создает неудобства (мощные звуки, вибрация и т.п.) или же сопряжено с появлением опасных ситуаций (например, опасность поломки турбины), то он вообще наглухо перекрывается заслонками 11. Для выработки электроэнергии используют другой главный воздуховод, который менее ориентирован на данное направление движения воздуха, но работает с меньшими проблемами.

Ветроэлектростанция высотой 1500 м даже с десятью силовыми горизонтами способна вырабатывать количество электроэнергии, достаточное для полного покрытия расходов города средней величины с населением в 10-15 тыс. человек, имеющем 10 тыс. кв. м тепличных площадей и 5 тыс. кв. м животноводческих помещений, которых достаточно для удовлетворения всех мыслимых потребностей людей в растительной и животной пище в районах с вечной мерзлотой. Кроме того, часть тепличных площадей может использоваться в качестве мест рекреации и отдыха для населения.

Предлагаемая ветроэлектростанция может стать основой самодостаточного города в любых климатических условиях, обеспечивая все доступные блага цивилизованной жизни. Все отходы от жизни людей и их производственной деятельности могут успешно сжигаться в электрических дуговых печах с максимальной степенью разложения веществ и минимальным воздействием их на окружающую среду.

Кроме того, башня ВЭС может служить местом размещения датчиков и антенн любых коммуникационных служб и в первую очередь средств мобильной и спутниковой связи, метеорологического мониторинга и наблюдения за поверхностью земли.