ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА МАЛОЙ МОЩНОСТИ КРЫЛЬЧАТОГО ТИПА Российский патент 2004 года по МПК F03D1/04 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветродвигателях малой мощности крыльчатого типа для получения тепловой и электрической энергии для удовлетворения энергетических нужд потребителей в индивидуальных хозяйствах.

Известна ветроэнергетическая установка малой мощности крыльчатого типа, содержащая ветроколесо, преобразователь ветровой энергии в электрическую, поворотную головку с устройством для ориентации ветроколеса по ветру и мачту. Ветроколесо имеет лопасти, прикрепленные посредством махов к центральной втулке, которая жестко связана с валом ветродвигателя. Набегающий ветровой поток воздействует на лопасти, вызывая вращение ветроколеса и, соответственно, вала ветродвигателя. Последний вращает преобразователь энергии, вырабатывающий электрический ток (см. авторское свидетельство СССР №1481456, кл. F 03 D 9/30, опубл. 23.05.89 г., бюл. №19).

Недостатком этой ветроэнергетической установки является то, что она не может полностью использовать энергию набегающего ветрового потока. Это обусловлено несовершенством конструкции ветроколеса. Центральная часть ветроколеса содержит трубчатые махи и центральную втулку, которые не имеют возможности воспринимать давление воздушного потока, поскольку не обладают аэродинамическими свойствами, и даже, в некоторой степени, препятствуют вращению ветроколеса, создавая сопротивление движущемуся воздушному потоку. Поэтому центральная часть воздушного потока не используется ветроколесом, что снижает эффективность известной ветроэнергетической установки.

Этот недостаток устранен в ветроэнергетической установке малой мощности крыльчатого типа, содержащей ветроколесо, преобразователь ветровой энергии в электрическую, поворотную головку с механизмом ориентации ветроколеса по ветру и мачту. В центре ветроколеса установлен входной конфузор, к которому жестко прикреплены полые лопасти ветроколеса. На консольных концах лопастей выполнены периферийные отверстия для прохода воздуха. Эти отверстия в лопастях направлены под определенным углом к набегающему воздушному потоку. Набегающий воздушный поток оказывает давление на лопасти и вращает ветроколесо. Центральная часть воздушного потока поступает в конфузор и попадает во внутрь полых лопастей. Далее воздух, выходя из пустотелых лопастей через периферийные отверстия, создает дополнительный воздушный контур вокруг ветроколеса, который усиливает набегающий воздушный поток. Усиление воздушного потока способствует увеличению коэффициента использования энергии ветра (см. авторское свидетельство СССР №1270407, кл. F 03 D 1/06, опубл. 15.11.86 г., бюл. №42).

Недостатком этой ветроэнергетической установки является то, что лопасти ее ветроколеса испытывают дополнительную изгибающую нагрузку, что может привести к их разрушению. Это, в целом, сокращает срок службы ветроэнергетической установки. Наличие этого недостатка обусловлено тем, что периферийные отверстия на консольных концах пустотелых лопастей расположены в направлении, противоположном направлению движения воздушного потока. Именно такое расположение периферийных отверстий вызывает движение воздуха из лопастей против направления движения воздушного потока. При этом резко возрастает давление на консольные участки лопастей, которое приводит к их изгибу. Чтобы избежать поломки лопастей, необходимо увеличить их жесткость. Этого можно достичь либо увеличением сечения лопастей, либо применением для них сверхпрочных материалов, что в целом приведет к повышению веса и стоимости ветроэнергетической установки. Кроме того, создание воздушного дополнительного внешнего контура возможно лишь в том случае, если набегающий воздушный поток будет “идеальным”, то есть движущимся строго параллельно продольной оси ветродвигателя (или строго перпендикулярно ветроколесу) с постоянной скоростью по всей площади, сметаемой ветроколесом. А это маловероятно, поскольку ветроэнергетические установки малой мощности, как правило, имеют мачты небольшой высоты, поэтому располагаются в приземных слоях атмосферы, где преобладают “рыскающие” воздушные потоки, характеризующиеся постоянной изменчивостью направления и скоростью движения воздушных масс.

Наиболее близкой по своей сущности к достигаемому эффекту, принимаемой за прототип, является ветроэнергетическая установка малой мощности крыльчатого типа, содержащая входной конфузор и ветроколесо с полыми лопастями и периферийными отверстиями для выхода воздуха, направляющий аппарат с гладкой конической поверхностью, установленной в конфузоре перед ветроколесом и жестко связанный с валом ветродвигателя, преобразователь механической энергии вращения вала в электрическую, поворотную головку с устройством для ориентации ветроколеса по ветру и мачту. Лопасти ветроколеса выполнены изогнутыми в направлении, противоположном направлению вращения ветроколеса. Периферийная часть набегающего ветрового потока оказывает давление на внешнюю поверхность изогнутых лопастей, вызывая вращение ветроколеса. Центральная часть воздушного потока попадает в конфузор и, под влиянием направляющего аппарата, поступает в полые лопасти. Благодаря специфическому изгибу лопастей, воздух из них выходит по касательной к направлению вращения ветроколеса, что способствует увеличению окружной скорости вращения последнего. Благодаря этому мощность установки возрастает за счет полного использования энергии набегающего воздушного потока по всему сечению ветроприемного устройства - ветроколеса (см. авторское свидетельство СССР №55996, кл. F 03 D 1/00, опубл. 30.11.39 г.).

Основным недостатком известного ветроэнергетического агрегата является то, что центральная часть воздушного потока, попадая в конфузор, резко изменяет направление своего движения. Это связано с тем, что входное отверстие пустотелых лопастей ветроколеса расположено перпендикулярно направлению движения воздушного потока, а также с тем, что задний торец конфузора полностью перекрыт направляющим аппаратом. Кроме того, суммарная площадь всех входных отверстий пустотелых лопастей значительно меньше площади поперечного сечения конфузора. Поэтому пропускная способность отверстий лопастей значительно меньше пропускной способности конфузора. Вследствие этого, а также вынужденного изменения направления движения воздушного потока, в конфузоре возникает воздушная “пробка”, препятствующая разгону ветроколеса. Эта воздушная “пробка” сводит "на нет" попытку использования центральной части набегающего воздушного потока для увеличения скорости вращения ветроколеса за счет продувки пустотелых лопастей с наклоненными выходными отверстиями. Таким образом, известная ветроэнергетическая установка, несмотря на сложность ветроприемного устройства, обладает низким коэффициентом использования энергии ветра.

Вторым существенным недостатком известной ветроэнергетической установки является то, что лопасти ее ветроколеса имеют довольно сложную конструкцию и имеют низкие аэродинамические свойства. Сложность конструкции лопастей заключается в том, что они выполнены пустотелыми. Такие детали, имеющие к тому же сложный пространственный профиль, изготавливать трудно, что, в целом, отразится на себестоимости ветроустановки. Так как выходные отверстия на консольных концах лопастей должны обеспечить выход воздуха по касательной к вращению ветроколеса, они должны быть сильно изогнуты в радиальном направлении. Такой изгиб лопасти способствует “срыву” воздушного потока и не обеспечивает надлежащие аэродинамические качества, поскольку практически отсутствует аэродинамическая плоскость. Таким образом, несмотря на сложность конструкции, лопасти не могут эффективно воспринимать энергию воздушного потока, вследствие чего эффективность такой ветроэнергетической установки снижается.

Третьим существенным недостатком известной ветроэнергетической установки являются значительные габаритные размеры, следовательно, и вес, вращающихся узлов, в частности, ветроколеса. Низкая эффективность использования энергии центральной части воздушного потока вынуждает увеличивать размер лопастей, следовательно, увеличивать размер и вес ветроколеса. А это, в свою очередь, приводит к ужесточению требований к балансировке ветроколеса, к необходимости устранения радиального биения, к необходимости повышения точности изготовления деталей. Большие размеры ветроколеса вынуждают пропорционально увеличивать размеры устройства ориентации установки на ветер. Все это приводит к увеличению размеров и веса поворотной головки установки, значит, к увеличению нагрузки на опорный подшипник, что снижает надежность эксплуатации ветроэнергетической установки.

В основу изобретения поставлена задача повышения коэффициента использования энергии ветра ветроэнергетической установки малой мощности с одновременным упрощением конструкции ветроприемного устройства и уменьшение его габаритных размеров и веса за счет принудительного увеличения скорости набегающего воздушного потока путем изменения конструкции лопастей и особого размещения двойного ветроколеса в конфузоре.

Решение поставленной задачи достигается тем, что ветроэнергетическая установка малой мощности крыльчатого типа, содержащая входной конфузор и ветроколесо, направляющий аппарат с гладкой конической поверхностью, установленный в конфузоре перед ветроколесом, и жестко связанный с валом ветродвигателя, преобразователь механической энергии вращения вала в электрическую энергию, устройство ориентации ветроколеса по ветру, поворотную головку и мачту, дополнительно снабжена вторым соосным ветроколесом такого же диаметра, но с меньшим количеством лопастей, причем оба ветроколеса жестко связаны с валом ветродвигателя и размещены в цилиндрическом турбинном отсеке, к переднему торцу которого присоединен входной конфузор, а к заднему - прикреплен режектор, при этом, ветроколесо с большим количеством лопастей расположено со стороны входного конфузора, а также суммарная площадь выходных отверстий режектора превышает площадь отверстия входного конфузора. Перед выходными отверстиями режектора могут быть установлены спойлеры для увеличения разрежения в режекторе.

Благодаря особой форме конфузора, воздушный поток концентрируется и ускоряется и, попадая в турбинный отсек, вращает первое ветроколесо. Затем, частично “ослабленный” воздушный поток попадает на второе колесо, также его вращает. Поскольку оба ветроколеса закреплены на одном валу, их суммарная мощность возрастает. Режектор способствует увеличению скорости движения воздушного потока в турбинном отсеке за счет создания в его хвостовой части разрежения воздуха.

Сущность изобретения поясняется иллюстративным материалом, на котором изображено следующее: фиг.1 - общий вид предложенной ветроэнергетической установки; фиг.2 - продольный разрез поворотной головки, вид сбоку; фиг.3 - то же самое, вид сверху; фиг.4 - вариант поворотной головки с закрепленными спойлерами.

Предложенная ветроэнергетическая установка малой мощности крыльчатого типа содержит поворотную головку 1, размещенную на мачте 2, например, трубчатой конструкции. К поворотной головке 1 прикреплено устройство ориентации установки по ветру, которое выполнено в виде флюгера 3 и горизонтальной штанги 4, жестко связывающей флюгер 3 с поворотной головкой 1.

На поворотной головке 1 установлен турбинный отсек 5, выполненный в виде цилиндрического патрубка. К переднему торцу турбинного отсека 5 прикреплен входной конфузор 6, который служит для концентрации набегающего воздушного потока. Конфузор 6 имеет определенную аэродинамическую форму, обеспечивающую сжатие воздушного потока без образования турбулентного течения воздуха в пристенных его зонах. В качестве такой аэродинамической формы целесообразно использовать хорошо известную в аэродинамике форму сопла Лаваля.

К заднему торцу турбинного отсека 5 прикреплен режектор 7, который создает разрежение на выходе турбинного отсека и, тем самым, ускоряет движение воздушного потока в турбинном отсеке 5. Для обеспечения эффекта разряжения воздуха, выходные отверстия 15 режектора 7 должны иметь площадь, большую, чем площадь отверстия входного конфузора 6. В этом случае возникает перепад давления воздушного потока на входе в турбинный отсек 5 и на его выходе. Именно разница давлений и обеспечивает дополнительное ускорение воздушного потока, а, как известно, чем больше скорость ветра, тем большую мощность развивает ветроэнергетическая установка при неизменных габаритных размерах.

Внутри турбинного отсека 5 установлены на общем валу 8 два ветроколеса 9 и 10. На переднем торце вала 8 установлен направляющий аппарат 11, выполненный в виде конуса с гладкой поверхностью, вершина которого направлена навстречу набегающему ветровому потоку. Направляющий аппарат 11 направляет центральную часть ветрового потока на лопасти первого ветроколеса 9. Таким образом, входной конфузор 6 и направляющий аппарат 11, в совокупности, обеспечивают полную концентрацию набегающего воздушного потока и его направление непосредственно на лопасти первого ветроколеса 9, что обеспечивает повышение коэффициента использования энергии ветра.

На заднем торце вала 8 закреплен преобразователь 12 механической энергии вращения вала 8 в электрическую энергию (далее по тексту: преобразователь 12). В качестве преобразователя 12 целесообразно использовать электрогенератор или электродвигатель постоянного тока. Корпус преобразователя 12 жестко связан с турбинным отсеком 5 посредством радиальных пилонов 13.

На валу 8 установлены два ветроколеса 9 и 10, причем каждое из них имеет различное количество лопастей. Первое ветроколесо 9, установленное со стороны входного конфузора 6, имеет больше лопастей, чем второе ветроколесо 10, установленное со стороны режектора 7.

Необходимость в различном количестве лопастей на двух ветроколесах 9 и 10, причем наличие большего количества лопастей на первом ветроколесе 9 поясняется следующим.

Как известно, скорость вращения ветроколеса зависит от количества в нем лопастей. Чем больше лопастей, тем скорость вращения ветроколеса меньше. Поэтому многолопастные ветроколеса и принято называть “тихоходными”, а ветроколеса с малым количеством лопастей - “быстроходными”.

Поскольку первое ветроколесо 9 расположено вначале турбинного отсека 5, то оно отбирает часть мощности набегающего воздушного потока. Воздушный поток, после прохождения первого ветроколеса 9, становится несколько ослабленным, в силу турбулентности и в таком состоянии попадает на второе ветроколесо 10. Если второе ветроколесо 10 будет иметь такое же количество (или большее) лопастей, то менее мощный воздушный поток не сможет его разогнать до скорости вращения, превышающей скорость вращения первого ветроколеса 9. В этом случае, второе ветроколесо 10 будет тормозить вал 8 и, тем самым, снижать мощность ветроэнергетической установки. Поэтому, в связи с тем, что ветровой поток частично ослабевает по мере движения по турбинному отсеку 5, второе ветроколесо 10 должно быть более быстроходным, чем первое ветроколесо 9, то есть иметь меньшее количество лопастей. В этом случае, скорость вращения второго ветроколеса 10 возрастает, увеличивая суммарную мощность на валу ветродвигателя. При этом режектор 7 способствует ускорению движения воздушного потока в хвостовой части турбинного отсека 5.

Еще большую скорость движения воздушного потока обеспечивают спойлеры 14, закрепленные с внешней стороны турбинного отсека 5 перед его выходными отверстиями 15. Имея аэродинамическую форму, спойлеры 14 создают ускорение потока воздуха перед отверстиями 15 режектора 7. Поскольку воздух после спойлеров 14 проходит горизонтально (вдоль турбинного отсека 5), то он создает дополнительную тягу и, соответственно, дополнительное разрежение в режекторе 7 и, тем самым, увеличивает мощность ветроэнергетической установки.

Дальнейшая сущность изобретения поясняется совместно с принципом работы предложенной ветроэнергетической установки малой мощности крыльчатого типа.

Поворотную головку 1 помещают на мачте 2 любой конструкции на требуемой высоте. Вращение головки 1 в любом направлении в горизонтальной плоскости обеспечивается опорным подшипником или роликовой коробкой (ввиду общеизвестности, на чертежах не показаны) в зависимости от размеров ветроагрегата. Автоматический поворот головки 1 в направлении ветра обеспечивается флюгером 3.

Воздушный поток, попадая во входной конфузор 6, концентрируется. Его плотность и скорость движения возрастают. Этому же способствует направляющий аппарат 11, направляя центральную часть воздушного потока на лопасти первого ветроколеса 9.

Концентрированный воздушный поток входит в турбинный отсек 5 и попадает на первое ветроколесо 9 с большим количеством лопастей и вращает его. Благодаря тому, что первое ветроколесо 9 жестко связано с валом 8, последний вращает ротор преобразователя энергии 12, вырабатывая электрический ток. Далее, несколько ослабевший воздушный поток, продвигаясь по турбинному отсеку 5, попадает на второе ветроколесо 10 с меньшим количеством лопастей. Благодаря большей быстроходности, второе ветроколесо 10 дополнительно раскручивает вал 8, с которым также жестко связано, увеличивая его скорость вращения и, тем самым, увеличивая мощность ветроэнергетической установки.

Режектор 7 способствует ускорению движения воздушного потока в турбинном отсеке 5 за счет создания разности давлений на его входе и выходе, а спойлеры 14 усиливают это разрежение. Таким образом, воздушный поток, проходя через турбинный отсек 5, резко ускоряется за счет концентрации на входе и разрежения на выходе, что увеличивает скорость вращения ветроколес 9 и 10, увеличивая мощность ветроэнергетической установки.

Следует отметить, что размещение ветроколес 9 и 10 внутри турбинного отсека 5, способствует увеличению их срока службы. Это связано с тем, что ветроколеса 9 и 10, изготовляемые в последнее время из композиционных материалов, не подвергаются воздействию прямыми солнечными лучами, которые, как известно, разрушают полимерные материалы.

Существенное отличие заявляемого объекта изобретения от ранее известных заключается в том, что предложенная ветроэнергетическая установка малой мощности крыльчатого типа содержит дополнительно режектор 7 и два ветроколеса 9 и 10 с различным количеством лопастей, размещенных на одном валу 8 в турбинном отсеке 5. Указанное отличие позволяет создать разность давлений на входе и выходе турбинного отсека 5 и, тем самым, обеспечить его максимальное ускорение, а ветроколеса 9 и 10 с различным количеством лопастей - обеспечивают максимальное использование энергии набегающего ветрового потока. Это позволяет, в совокупности, увеличить коэффициент использования энергии ветра и, тем самым, мощность ветроэнергетической установки без увеличения ее веса и габаритных размеров, что экономически и социально выгодно для ветроагрегатов, предназначенных для индивидуального использования потребителями. Ни одна из известных ветроэнергетических установок не может обладать отмеченными свойствами, поскольку либо не имеют возможности эффективно ускорять воздушный поток, так как не используют режекторы в сочетании с конфузорами, либо не могут эффективно использовать энергию набегающего воздушного потока, так как не содержат на одном валу несколько ветроколес с различным количеством лопастей.

К техническим преимуществам предложенной ветроэнергетической установки малой мощности крыльчатого типа, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:

- значительное ускорение набегающего воздушного потока за счет его концентрации перед входом в турбинный отсек и разрежения после выхода из турбинного отсека;

- высокая эффективность использования энергии ветра за счет использования двух ветроколес с разным количеством лопастей (или разного соответствующего аэродинамического профиля);

- упрощение конструкции за счет того, что лопасти ветроколес выполнены сплошными, без специфического изгиба и особого крепления к валу ветродвигателя;

- уменьшение габаритных размеров и веса установки за счет повышения коэффициента использования энергии ветра;

- увеличение срока службы за счет того, что ветроколеса, располагаясь внутри турбинного отсека, защищены от прямого воздействия на них солнечных лучей.

К социальным преимуществам предлагаемого технического решения можно отнести снижение аэродинамического шума за счет размещения вращающихся узлов установки в турбинном отсеке и повышение безопасности эксплуатации установки по той же причине: в случае разрушения каких-либо узлов ветроагрегата, они остаются в турбинном отсеке.

Экономический эффект от внедрения изобретения, по сравнению с использованием прототипа, получают за счет снижения стоимости ветроэнергетической установки вследствие уменьшения ее габаритных размеров, веса и упрощения конструкции, без ухудшения эксплуатационных характеристик.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветродвигателям малой мощности крыльчатого типа для получения тепловой и электрической энергии для удовлетворения энергетических нужд потребителей в индивидуальных хозяйствах. Технический результат заключается в ускорении набегающего воздушного потока; повышении эффективности использования энергии ветра; упрощении конструкции, уменьшении габаритных размеров и веса установки; увеличении срока службы. Ветроэнергетическая установка содержит входной конфузор и ветроколесо, направляющий аппарат с гладкой конической поверхностью, установленный в конфузоре перед ветроколесом и жестко связанный с валом ветродвигателя, преобразователь механической энергии вращения вала в электрическую энергию, устройство ориентации ветроколеса по ветру, поворотную головку и мачту. Установка дополнительно снабжена вторым соосным ветроколесом такого же диаметра, но с меньшим количеством лопастей, причем оба ветроколеса жестко связаны с валом ветродвигателя и размещены в цилиндрическом турбинном отсеке, к переднему торцу которого присоединен входной конфузор, а к заднему прикреплен режектор. Ветроколесо с большим количеством лопастей расположено со стороны входного конфузора, а суммарная площадь выходных отверстий режектора превышает площадь отверстия входного конфузора. Перед выходными отверстиями режектора могут быть установлены спойлеры для увеличения разрежения в режекторе. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ветроэнергетическая установка малой мощности крыльчатого типа, содержащая входной конфузор и ветроколесо, направляющий аппарат с гладкой конической поверхностью, установленный в конфузоре перед ветроколесом и жестко связанный с валом ветродвигателя, преобразователь механической энергии вращения вала в электрическую энергию, устройство ориентации ветроколеса по ветру, поворотную головку и мачту, отличающаяся тем, что дополнительно установка снабжена вторым соосным ветроколесом такого же диаметра, но с меньшим количеством лопастей, причем оба ветроколеса жестко связаны с валом ветродвигателя и размещены в цилиндрическом турбинном отсеке, к переднему торцу которого присоединен входной конфузор, а к заднему прикреплен режектор, при этом ветроколесо с большим количеством лопастей расположено со стороны входного конфузора, а также суммарная площадь выходных отверстий режектора превышает площадь отверстия входного конфузора.2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что перед выходными отверстиями режектора установлены спойлеры для увеличения разрежения в режекторе.