ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2005 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано как экономически выгодная ветроэнергетическая установка повышенной мощности.

Известны ветроэнергетические установки крыльчатого типа, а также вертикально осевого типа ВЭУ-8 (НГТУ, фирма «НТЭК», г. Новосибирск. Такие ВЭУ громоздки, имеют довольно низкий КПД и экономически не целесообразны.

Ближайшем аналогом изобретения является ветродвигатель, содержащий установленный в опоре с возможностью вращения вертикальный вал, прямоугольные лопасти, установленные на равном расстоянии от вала с возможностью вращения вокруг своих осей, параллельных оси вала с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости возможного вращения вала, и в сторону, противоположную вращению вала, при этом лопасти выполнены в виде симметричного профиля шириной, равной удвоенному расстоянию от кромки вала до оси вращения лопастей, имеющих кинематическую связь с флюгером, а угол, заключенный между плоскостью флюгера и плоскостью лопасти, в момент ее возможного совпадения с осью вала составляет 90° (см., например, RU 2164624 С1, кл. F 03 D 3/06. 27.03.2001, 3C).

Этот аналог имеет недостаточно высокие КПД и мощность.

Целью данного изобретения является повышение КПД и мощности ветроэнергетической установки (ВЭУ).

Эта цель достигается ветроэнергетической установкой (ВЭУ), имеющей вал с нижней и верхней опорами, где верхняя опора вала находится в траверсе, закрепленной в горизонтальном положении на верхних концах трех вертикальных опор, которые закреплены в грунте на равном расстоянии относительно друг друга.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид ВЭУ; на фиг.2 - ветроколесо ВЭУ, вид сбоку; на фиг.3 - разрез А-А; на фиг.4 - разрез А-А повернут на угол 60°; на фиг.5 - кинематическая связь лопастей с флюгером; на фиг.6 - график изменения мощности, передаваемой лопастями на вал за один его оборот.

ВЭУ состоит из вертикально установленного на верхних и нижних опорах вала 1 с закрепленными на нем тремя верхними 2 и тремя нижними 3 водилами, на концах которых с помощью полуосей 4 установлены с возможностью вращения вокруг своих осей 5 три прямоугольные лопасти 6 симметричного профиля (фиг.1, 2). Верхняя и нижняя полуоси 4 закреплены на концах лонжерона 7, на котором закреплен каркас лопасти, обшитый легким и прочным материалом.

Лопасти 6 имеют ширину d, равную удвоенному расстоянию d' от кромки вала до оси вращения лопасти 5, т.е. d=2d'. Верхняя опора вала 1 расположена в траверсе 8, закрепленной горизонтально на верхних концах трех вертикальных опор 9, которые закреплены в грунте на равном расстоянии относительно друг друга (фиг.3 и 4). Каждая лопасть 6 кинематически связана с флюгером 10 через конические шестерни 11, 12, 13, 14 и промежуточный вал 15. Шестерни 13 и 14 расположены в корпусе 19, закрепленном на конце водила 2. Ведущая шестерня 11, связанная кинематически со всеми лопастями 6, выполнена заодно с трубчатым валом 16, сидящим подвижно на верхней концевой части вала 1 (фиг.5).Флюгер 10 соединен с валом 16 через дышло 17. Ведомая шестерня 14 закреплена на верхней полуоси 4 и имеет число зубьев в два раза больше чем шестерня 13, а шестерни 11 и 12 имеют одинаковое число зубьев. Лопасти ветроколеса, расположенного над зданием 18 ВЭУ, выставлены так, что угол, заключенный между плоскостями соседних лопастей, равен 60°, т.е. L=60, а угол, заключенный между плоскостью флюгера и плоскостью лопасти, в момент ее возможного совпадения с осью вала составляет 90°. Шестерни 12 и 13 закреплены на концах вала 15, проходящего внутри водила 2. Нижняя опора вала 1 расположена в здании 18, в котором расположены электрогенератор, соединенный с валом 1, и необходимое оборудование.

ВЭУ работает следующим образом. При наличии ветра, как показано стрелками (фиг.3 и 4), флюгер, поворачиваясь по ветру, поворачивает в рабочее положение «на ветер» все лопасти. Под давлением ветра на лопасти ветроколесо с валом 1 будут вращаться. Будут вращаться вокруг осей 5 и лопасти с угловой скоростью, в два раза меньшей, чем вал, и противоположную валу сторону. Это придает лопастям свойство парусности, благодаря которому лопасти в любой точке окружности с радиусом R воспринимают на себя и передают на вал энергию ветра за исключением точки «К», в которой лопасти принимают положение, параллельное ветру. Чтобы определить мощность на валу, составлен график (фиг.6) изменения мощности, передаваемой лопастями на вал за один его оборот.

В начале оборота, когда одна из лопастей перпендикулярна ветру точка «Н» (фиг.3), она воспринимает и передает на вал всю энергию прямого удара ветрового потока поперечным сечением, равным площади рабочей поверхности лопасти, т.е. передает на вал максимальную мощность N_м, равную

где С - коэффициент передачи лопастью мощности - на вал, он равен С=Sin²β°, где β° - угол поворота лопасти к ветру; γ - объемный вес воздуха в кг/м³; F - площадь рабочей поверхности лопасти в м²; v - скорость ветра в м/с; g=9,81.

Когда лопасть перпендикулярна ветру C=1. Под другими углами поворота лопасти к ветру коэф. С будет уменьшаться и при повороте вала на 180° C=0. Пропорционально С будет изменяться и мощность, передаваемая на вал лопастью. Кривая 1 (фиг.6) показывает изменение мощности, передаваемой на вал одной лопастью за один оборот вала. Кривые 2 и 3 показывают изменение мощности, передаваемой на вал двумя другими лопастями. Суммарная мощность, передаваемая тремя лопастями на вал за один его оборот, увеличится по сравнению с мощностью N_м в 1.5 раза (фиг.6). Учитывая возможные отклонения мощности, передаваемой на вал всеми лопастями, берем коэффициент не 1,5, а 1,3 тогда постоянная мощность N на валу ВЭУ будет равна

Потери мощности на вращение лопастей нет, т.к. при вращении ветроколеса лопасти сами способны вращаться вокруг своих осей в нужную сторону под воздействием окружающей их воздушной среды. От флюгера требуются лишь небольшие усилия при меняющемся ветре, чтобы сохранить лопастям парусность. Число оборотов n вала под нагрузкой здесь будет равна

где R - расстояние от оси вала до оси вращения лопасти, π=3,14. При определении КПД ВЭУ учитываем, что площадь наибольшего поперечного ветру сечения ветроколеса (миделево сечение) равна 1,5 площади лопасти (см. выше), без учета площади продольного сечения вала и водил, тогда мощность N_в ветрового потока с таким сечением будет равна

отсюда отношение мощностей N/N_в - есть КПД, т.е. 1,3/1,5=0,866..., округляя это число с учетом площади продольного сечения вала и водил находим, что КПД ВЭУ будет не менее 0,8.

Существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что ВЭУ имеет вал с двухсторонней опорой, причем верхняя опора находится в траверсе, закрепленной на верхних концах трех вертикальных опор, закрепленных в грунте.

Преимуществом предлагаемой конструкции является высокие мощность и КПД, и мощность ВЭУ.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия (КПД) и мощности установки. Ветроэнергетическая установка содержит установленный в опоре с возможностью вращения вертикальный вал, прямоугольные лопасти, установленные на равном расстоянии от вала с возможностью вращения вокруг своих осей, параллельных оси вала, с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости возможного вращения вала, и в сторону, противоположную вращению вала, при этом лопасти выполнены в виде симметричного профиля шириной, равной удвоенному расстоянию от кромки вала до оси вращения лопастей, имеющих кинематическую связь с флюгером, а угол между плоскостью флюгера и плоскостью лопасти в момент ее совпадения с осью вала составляет 90°, при этом верхняя опора вала находится в траверсе, закрепленной в горизонтальном положении на верхних концах трех вертикальных опор, которые закреплены в грунте на равном расстоянии относительно друг друга. 6 ил.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ), содержащая установленный в опоре с возможностью вращения вертикальный вал, прямоугольные лопасти, установленные на равном расстоянии от вала с возможностью вращения вокруг своих осей, параллельных оси вала, с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости возможного вращения вала, и в сторону, противоположную вращению вала, при этом лопасти выполнены в виде симметричного профиля шириной, равной удвоенному расстоянию от кромки вала до оси вращения лопастей, имеющих кинематическую связь с флюгером, а угол, заключенный между плоскостью флюгера и плоскостью лопасти в момент ее совпадения с осью вала, составляет 90°, отличающаяся тем, что верхняя опора вала находится в траверсе, закрепленной в горизонтальном положении на верхних концах трех вертикальных опор, которые закреплены в грунте на равном расстоянии относительно друг друга.