ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F03D3/02 

Изобретение относится к энергетике, к ветроэнергетике, в частности к ветротурбинным установкам.

Известна ветроэнергетическая установка, состоящая из двух ветротурбин, ветроотражателя, состоящего из двух створок, угол разворота которых определяется скоростью ветра, и обтекателя [1]
Известно возникновение пары вихрей на острых входных кромках треугольного крыла, увеличивающего мощность потока в 3,2 раза больше мощности однородного потока с такой же осевой скоростью [2]
Признаки аналогов, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: два преобразователя энергии ветра в электрическую (или механическую) энергию; ветроотражатель; обтекатель; вихревой генератор типа треугольного крыла.

Причинами, препятствующими получению в известных устройствах требуемого технического результата, являются максимальная эффективность установки только при ламинарных течениях потока, что не позволяет использовать энергию вихрей, и недостаточная эффективность генератора вихрей в замкнутых каналах вследствие замыкания вихрей на стенках канала при переменных скоростях рабочего тела.

Изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности ветроэнергетической установки за счет использования криволинейного суживающегося канала подвода рабочего тела к ветротурбинам, в котором расположено треугольное крыло, перемещающееся в канале при изменении скорости потока рабочего тела.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении мощности ветроэнергетической установки без изменения габаритов ветротурбин за счет;
использования энергии пары свободных вихрей, возникающих на острых входных кромках треугольного крыла с геометрией, изменяемой в функции скорости набегающего на крыло потока рабочего тела;
замыкания свободных вихрей на лопастях ветротурбин независимо от изменения скорости ветра в рабочем диапазоне;
использования криволинейного суживающегося канала, что позволяет получить как следствие эффекта А. Коанда изгибаемая воздушная струя засасывает воздух из окружающей среды и его количество может до 20 раз превышать количество воздуха в самой струе дополнительный поток рабочего тела;
сноса вихрей на лопасти ветротурбин основным и дополнительным потоками рабочего тела в криволинейном суживающемся канале.

Ограничительные признаки: две ветротурбины с параллельными вертикальными осями; ветроотражатель; обтекатель; крыло треугольного профиля.

Отличительные признаки:
криволинейный суживающийся канал подвода рабочего тела (воздуха) к ветротурбинам;
треугольное крыло, перемещающееся в канале под действием и в функции скорости набегающего потока рабочего тела (механизированное крыло).

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что поток воздуха, поступающий в ветроэнергетическую установку, образует на острых входных кромках крыла пару вихрей. Вихри могут замыкаться либо сами на себя, либо на твердых поверхностях. Наиболее полно энергия вихря утилизируется при их замыкании на лопастях ветроэнергетических установок. Для осуществления указанного условия вихри должны образовываться на определенном расстоянии от лопастей ветротурбин и сноситься ветровым потоком на лопасти.

Изменение скорости ветра вызывает как изменение характеристик вихрей, так и характеристик сноса вихрей с поверхностей крыла. Для управления этими характеристиками необходимы организация и управление потоком рабочего тела, поступающего к ветротурбинам. Для организации потока использован канал подвода рабочего тела к ветротурбинам, а для управления потока крыло, перемещающееся в канале пропорционально скорости потока рабочего тела.

Оптимальные геометрия и удаление крыла и канала от ветротурбины при max и min скорости ветра определяется экспериментально. Существенное влияние на использование энергии вихря оказывает профиль лопастей ветротурбин, в частности благоприятные результаты дает применение разрезных роторов Савониуса и роторов Дарье.

Применение криволинейного суживающегося канала, образуемого ветроотражателем, обечайкой и ограничителями потока установки, при экспериментально подобранных соотношениях параметров канала позволяет использовать эффект А. Коанда, а именно увеличить расход воздуха без увеличения габаритов канала. В частности, эксперимент заявителя на физической модели ветроустановки с двумя роторами Савониуса рабочим радиусом 100 мм каждый показал увеличение расхода воздуха при употреблении криволинейного канала на 35% а увеличение мощности модели установки при использовании совокупности отличительных признаков составила от 10 до 70% в зависимости от скорости ветра.

Таким образом, использование суживающегося криволинейного канала позволяет разогнать поток и увеличить массу рабочего тела, проходящего через канал в единицу времени и, как следствие, увеличить общую кинетическую энергию ветрового потока.

На фиг. 1 представлен схематично вид сверху на ветроэнергетическую установку (со снятыми концевыми шайбами и ограничителями); на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 вид по стрелке Б на фиг. 1.

Ветроэнергетическая установка содержит ветроотражатель 1, крылья треугольного профиля 2, обечайку 3, два ротора Савониуса 4, обтекатель 5, флюгер 6, опоры 7 роторов в ограничителях, межроторную силовую связь 8, верхний 9 и нижний 12 ограничители, платформу 10, энергоприемник 11, упругий элемент 13, закрылки 14 с тягами перемещения крыльев 15, верхнюю 16 и нижнюю 17 опоры.

Ветроэнергетическая установка, расположенная на поворотной платформе 10, работает следующим образом.

Ветровой поток попадает в суживающийся криволинейный канал, образованный ветроотражателем 1, обечайкой 3, верхним 9 и нижним 12 ограничителями потока, где разгоняется с возрастанием кинетической энергии. Изгибаемая воздушная струя как следствие эффекта А. Коанда всасывает дополнительное количество воздуха, обеспечивая дополнительную массу и, следовательно, энергию воздушного потока.

При обтекании острых входных кромок треугольного крыла 2, расположенного в канале, возникает пара свободных вихрей, энергия которых совместно с кинетической энергией набегающего потока преобразуется в механическую энергию ветротурбинами 4 (например, роторами Савониуса) и поступает к энергоприемнику 11.

Максимальная мощность ветротурбин, обтекаемых вихревым потоком, обеспечивается замыканием вихрей на твердых поверхностях лопастей турбин, для чего вихри сносятся основными и дополнительными воздушными потоками по длине канала с кромок крыльев до лопастей турбин (роторов). Угол заострения, угол атаки треугольного в плане крыла и его отстояние от ветротурбин находятся экспериментально. Для постоянного поддержания отработанная часть рабочего тела удаляется из рабочих каналов ветротурбин вдоль обтекателя 5, служащего для уменьшения вихревой дорожки попутного следа. Изменение скорости ветра вызывает изменение сил, действующих на закрылки 14, что приводит к перемещению и, как следствие, изменению геометрии крыльев 2 посредством тяг 15, движущихся в прорезях ветроотражателя 1. Возвратное перемещение крыльев 2 осуществляется упругим элементом 13, например, пакетом пружин. Крепление крыла в направляющих и взаимное расположение упругого элемента и тяг обеспечивают перемещение и поворот крыльев. Перемещение крыла влечет изменение расстояния линии схода вихрей от осей ветротурбин и угла атаки крыла, обеспечивая замыкание вихрей на лопастях ветротурбин. Изменение направления ветра вызывает появление неуравновешенных сил, действующих на флюгер 6, что влечет разворот ветроэнергетической установки "на ветер" путем поворота платформы 10, в опорах 16 и 17. Межроторная силовая связь 8 обеспечивает передачу энергии обеих ветротурбин (роторов) на общий энергоприемник 11, размещенный на платформе 10.

Использование: изображение относится к ветроэнергетике, в частности к ветротурбинным установкам. Сущность изобретения: ветроэнергетическая установка состоит из двух ветротурбин с параллельными вертикальными осями, ветроотражателя, обтекателя и генератора свободных вихрей, выполненного в виде крыльев треугольного профиля. В установке применен криволинейный сужающийся канал, в котором расположены механизированные треугольные крылья, перемещающиеся в канале под действием набегающего потока рабочего тела. 3 ил.

Ветроэнергетическая установка, состоящая из двух ветротурбин с параллельными вертикальными осями, ветроотражателя, обтекателя и генератора свободных вихрей, выполненного в виде крыльев треугольного профиля, отличающаяся тем, что применен криволинейный сужающийся канал, в котором расположены механизированные треугольные крылья, перемещающиеся в канале под действием набегающего потока рабочего тела.