ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2009 года по МПК F03D1/04 

Изобретение относится к энергетике, в частности к ветроэнергетическим установкам для преобразования энергии ветра в электрическую или иную энергию, и может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве и т.п.

Известна ветроэнергетическая установка, которая содержит входную оболочку кольцевой формы, расположенную коаксиально внутри входной оболочки турбину и кинематически связанный с турбиной механизм для преобразования механической энергии (см., например, патент США №4218175, кл. F03D 1/04, опубл. 19.081980).

К недостаткам известного устройства можно отнести неравномерность воздействия воздушного потока на лопасти турбины, что вызывает переменные динамические нагрузки, приводящие к нестабильности параметров электрического тока, вырабатываемого механизмом для преобразования механической энергии, а также сравнительно низкий коэффициент полезного действия устройства из-за неполного использования энергии воздушного потока.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является ветроэнергетическая установка, включающая входную оболочку кольцевой формы, расположенную коаксиально внутри входной оболочки турбину, кинематически связанный с турбиной механизм для преобразования механической энергии и наружную оболочку кольцевой формы (см., например, патент РФ №2261362, кл. F03D 1/04, опубл. 10.02.2005).

Конструкция известного устройства частично устраняет недостатки описанной выше ветроэнергетической установки за счет установки наружной оболочки кольцевой формы, выполняющей функции эжектора, увеличивающего скорость воздушною потока на турбине и, следовательно, повышающей коэффициент полезного действия ветроэнергетической установки. К недостаткам известного устройства, выбранного в качестве ближайшего аналога, можно отнести относительно низкую надежность его работы. Как известно, ветроэнергетическая установка оптимально работает в определенном диапазоне скоростей воздушного потока. При увеличении скорости воздушного потока (при порывах ветра) выше расчетного диапазона соответственно увеличивается как энергия воздушного потока, поступающего во входную оболочку, так и величина разрежения, создаваемого с помощью наружной оболочки, что повлечет за собой увеличение скорости вращения турбины выше расчетной величины. Увеличение скорости вращения турбины приведет к увеличению скорости кинематически связанного с ней механизма для преобразования механической энергии. Таким образом, указанные элементы конструкции устройства будут работать при повышенных нагрузках, что повлечет снижение надежности работы устройства в целом. При этом следует отметить, что переменные динамические нагрузки, возникающие при увеличении скорости воздушного потока выше расчетного диапазона, приведут к нестабильности параметров энергии (например, электрического тока), вырабатываемых механизмом для преобразования механической энергии.

Изобретение направлено на решение задачи по созданию такой ветроэнергетической установки, которая обеспечивала бы ее надежную работу и поддерживала бы стабильность параметров получаемой энергии путем защиты устройства от резкого увеличения скорости воздушного потока за счет автоматического регулирования величины энергии, подводимой к турбине. Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в стабилизации скорости вращения турбины за счет снижения степени разрежения за турбиной при увеличении скорости воздушного потока выше расчетной величины.

Поставленная задача решена за счет того, что в ветроэнергетической установке, которая содержит входную оболочку кольцевой формы, расположенную коаксиально внутри входной оболочки турбину, кинематически связанный с турбиной механизм для преобразования механической энергии и наружную оболочку кольцевой формы, наружная оболочка установлена с эксцентриситетом относительно входной оболочки, при этом величина эксцентриситета составляет не менее 0,01 и не более 0,24 от диаметра окружности, определяющей форму внутренней поверхности наружной оболочки в ее минимальном поперечном сечении.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что наружная оболочка установлена с возможностью ограниченного перемещения и фиксации в промежуточных положениях относительно входной оболочки в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии входной оболочки.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что она выполнена с механизмом для изменения эксцентриситета наружной оболочки относительно входной оболочки.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что, по меньшей мере, часть наружной поверхности входной оболочки и/или наружной оболочки образована боковой поверхностью цилиндра вращения.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что, по меньшей мере, часть внутренней поверхности входной оболочки и/или наружной оболочки образована боковой поверхностью конуса вращения.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что, по меньшей мере, часть внутренней поверхности входной оболочки и/или наружной оболочки образована боковиной поверхностью цилиндра вращения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена ветроэнергетическая установка, на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1, на фил.3 - один из вариантов конструктивного выполнения ветроэнергетической установки и на фиг.4 - механизм для изменения эксцентриситета наружной оболочки относительно входной оболочки.

Ветроэнергетическая установка содержит входную оболочку 1 кольцевой формы, которая в продольном сечении может иметь обтекаемую форму, например форму крыла. Внутри входной оболочки 1 коаксиально расположена, по меньшей мере, одна турбина 2, то есть продольная ось симметрии турбины 2 расположена на продольной оси 3 симметрии входной оболочки 1. Перед турбиной 2 может быть расположен обтекатель 4, который с помощью кронштейнов (на чертежах не изображены) закреплен на входной оболочке 1. Турбина 2 кинематически связана с механизмом 5 для преобразования механической энергии. Турбина 2 может быть установлена на опоре (на чертежах не изображена) выполненной, например, в виде колонны для закрепления на земле или основания для закрепления на транспортном средстве. Турбина 2 может быть соединена с опорой посредством шарнирного соединения для разворота устройства на ветер при любом направлении последнего. Механизм 5 для преобразования механической энергии может быть выполнен, например, в виде генератора электрического тока, гидравлического насоса или компрессора. Кинематическая связь турбины 2 с механизмом 5 для преобразования механической энергии может быть выполнена, например, в виде ременной передачи, карданных валов или зубчатой передачи. Механизм 5 для преобразования механической энергии может быть расположен в центральном теле 6. Входная оболочка 1, например, с помощью кронштейнов 7 соединена с наружной оболочкой 8 кольцевой формы. Наружная оболочка 8 в продольном сечении может иметь обтекаемую форму, например форму крыла. Устройство может быть выполнено с расположенной на наружной оболочке 8 или на центральном теле 6 флюгерной поверхностью (на чертежах не изображена) для обеспечения ориентации установки по ветру. Наружная оболочка 8 установлена с эксцентриситетом (Е) относительно входной оболочки 1, то есть продольная ось 9 симметрии наружной оболочки 8 расположена параллельно продольной оси 3 входной оболочки 1 и смещена относительно последней (на расстояние Е). При этом соблюдается следующее условие: величина эксцентриситета (Е) составляет не менее 0,01 и не более 0,24 от диаметра (Д) окружности, определяющей форму внутренней поверхности 10 наружной оболочки 8 в ее минимальном поперечном сечении, то есть 0,01 Д≤Е≤0,24 Д. Указанное соотношение между геометрическими параметрами устройства получено эмпирическим путем при проведении соответствующих исследований на аэродинамическом стенде. Нижний предел указанного диапазона соотношений между геометрическими параметрами устройства определяет значение величины эксцентриситета при условии, что максимальное превышение скорости воздушного потока от его расчетной величины составляет около 25%. При выходе значений величины эксцентриситета за пределы нижнего значения указанного диапазона смещение наружной оболочки 8 относительно входной оболочки 1 создает такое местное сопротивление воздушному потоку на входе наружной оболочки 8, которое отрицательно влияет на работу установки и при расчетных скоростях воздушного потока, снижает коэффициент полезного действия ветроэнергетической установки. Верхний предел указанного диапазона соотношений между геометрическими параметрами устройства определяет значение величины эксцентриситета при условии, что максимальное превышение скорости воздушною потока от его расчетной величины составляет около 200%. При выходе значений величины эксцентриситета за пределы верхнего значения указанного диапазона смещение наружной оболочки 8 относительно входной оболочки 1 практически не создает местного сопротивления воздушному потоку на входе наружной оболочки 1 и, следовательно, не происходит снижение скорости вращения турбины за счет снижения степени разряжения за турбиной. Конкретное значение величины эксцентриситета из заявленного диапазона его значений выбирают с учетом статистических данных о скоростях воздушного потока в данном регионе, геометрических характеристик установки и других параметров.

Один из вариантов конструктивного выполнения устройства предусматривает, что наружная оболочка 8 может быть установлена с возможностью ограниченного перемещения и фиксации в промежуточных положениях относительно входной оболочки 1 в плоскости, перпендикулярной продольной оси 3 симметрии входной оболочки. Указанное перемещение может быть осуществлено, например, путем выполнения кронштейнов 7 телескопическими (фиг.4), то есть состоящими из двух установленных с возможностью продольного перемещения частей. Для фиксации частей кронштейнов 7 друг относительно друга в промежуточном положении они могут быть выполнены с отверстиями 11 для размещения стопорного элемента (на чертежах не изображен). Для компенсации изменения пространственного положения наружной оболочки 8 относительно входной оболочки 1 кронштейны 7 могут быть установлены с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии 3 входной оболочки 1. Для этого концы частей каждого кронштейна 7 могут быть соединены с соответствующей оболочкой посредством шарниров (на чертежах не изображены).

Другой вариант конструктивного выполнения ветроэнергетической установки предусматривает ее выполнение с механизмом для изменения эксцентриситета (Е) наружной оболочки 8 относительно входной оболочки 1 (на чертежах не изображен). Указанный механизм может быть выполнен в виде любого известного механизма, обеспечивающего перемещение двух элементов друг относительно друга. Так, например, механизм для изменения эксцентриситета (Е) наружной оболочки 8 относительно входной оболочки 1 может быть выполнен в виде расположенного внутри, по меньшей мере, одного кронштейна 7 гидроцилиндра или пневмоцилиндра, корпус которого закреплен на входной оболочке 1 или на наружной оболочке 8, а шток - соответственно на наружной оболочке 8 или на входной оболочке 1.

Один из вариантов конструктивного выполнения ветроэнергетической установки предусматривает, что, по меньшей мере, часть наружной поверхности 12 (фиг.3) входной оболочки 1 и/или, по меньшей мере, часть наружной поверхности 13 наружной оболочки 8 может быть образована боковой поверхностью цилиндра вращения.

Другой вариант конструктивного выполнения устройства предусматривает, что, по меньшей мере, часть внутренней поверхности 14 входной оболочки 1 и/или, по меньшей мере, часть внутренней поверхности 10 наружной оболочки 8 может быть образована боковой поверхностью конуса вращения.

По меньшей мере, часть внутренней поверхности 14 входной оболочки 1 и/или, по меньшей мере, часть внутренней поверхности 10 наружной оболочки 8 может быть образована боковой поверхностью цилиндра вращения (на чертежах не и изображена).

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Воздушный поток, движущийся вдоль продольной оси 3 симметрии установки, ориентированной по ветру с помощью флюгерной поверхности, попадает через входную оболочку 1 на турбину 2 и заставляет ее вращаться. Поскольку турбина 2 кинематически связана с механизмом 5 для преобразования механической энергии, то последний также начинает работать, преобразовывая энергию воздушного потока в соответствующий вид энергии. Одновременно воздушный поток движется вдоль внутренней 10 и наружной 13 поверхностей наружной оболочки 8 и за счет эжекции создает разрежение в задней части установки за турбиной 2. Под действием двух потоков энергии со стороны входного сечения входной оболочки 1 и со стороны выходною сечения наружной оболочки 8 воздушный поток достигает максимальной скорости, что способствует максимальному отбору энергии из воздушного потока.

Следует отметить, что входное сечение наружной оболочки 8 имеет кольцевую форму с уменьшением его ширины на одном из участков. Уменьшение ширины входного сечения наружной оболочки 8 обусловлено расположением наружной оболочки 8 с эксцентриситетом (Е) относительно входной оболочки 1. При этом величина эксцентриситета (Е) выбрана таким образом, что при расчетной скорости воздушного потока уменьшение ширины входного сечения наружной оболочки 8 не оказывает влияния на эффективность потока воздуха, участвующего в создании разрежения, то есть ветроэнергетическая установка будет работать в режиме максимального отбора энергии воздушного потока.

При увеличении скорости воздушного потока выше расчетной величины, например при сильных порывах ветра, увеличивается величина потока энергии, поступающего на турбину 2 через входную оболочку 1. При этом величина второго потока энергии, поступающего со стороны выходного сечения наружной оболочки 8, снизится. Указанное снижение эффективности потока воздуха, участвующего в создании разрежения, вызвано тем фактом, что при увеличении скорости воздушного потока, поступающего в наружную оболочку 8, выше расчетной величины сужение входного сечения наружной оболочки 8 выполняет функции местного сопротивления, которое снижает скорость прохода воздушного потока через наружную оболочку 8. Снижение скорости прохода воздушного потока через наружную оболочку 8 вызывает снижение эффективности влияния этого потока на создание разрежения. Таким образом, при превышении скорости воздушного потока выше расчетной величины происходит одновременное увеличение потока энергии, поступающего на турбину 2 со стороны входной оболочки, и уменьшение потока энергии, поступающего на турбину 2 со стороны выходного сечения наружной оболочки 8. При этом величина суммарного потока энергии, подводимого к турбине 2, остается практически постоянной как при расчетной скорости воздушною потока, так и при существенном увеличении скорости воздушного потока. При этом следует отметить, что при дальнейшем увеличении скорости воздушного потока (ветра) будет возрастать и площадь местного сопротивления воздушному потоку, поступающему в наружную оболочку 8, то есть произойдет дальнейшее снижение скорости прохода воздушного потока через наружную оболочку 8. При последующем уменьшении скорости воздушного потока до расчетной величины происходит обратное перераспределение потоков энергии, подводимых к турбине, то есть величина энергии, подводимой к турбине 2 через входную оболочку 1, уменьшится, а доля энергии, подводимой к турбине 2 за счет эжекции воздушного потока с помощью наружной оболочки 8, увеличится. Таким образом, при снижении скорости воздушного потока до его расчетной величины будет уменьшаться площадь местного сопротивления воздушному потоку до тех пор, пока смещение (Е) наружной оболочки 8 относительно входной оболочки 1 вообще не будет оказывать влияние на воздушный поток (при расчетной скорости воздушного потока). В процессе изменения скорости воздушного потока происходит автоматическое регулирование потоков энергии, поступающих на турбину 2, за счет их перераспределения, что позволяет обеспечить стабильную скорость вращения выходного вала турбины 2 вне зависимости от изменения внешних условий (порывов ветра). Стабильность скорости вращения турбины в процессе эксплуатации снижает величину пиковых нагрузок на детали устройства и, следовательно, увеличивает надежность и долговечность работы устройства в целом.

Так, например, если расчетная скорость ветра в данном климатическом районе составляет 6-7 м/с, а диаметр (Д) окружности, определяющей форму внутренней поверхности 10 наружной оболочки 8 в ее минимальном поперечном сечении, выбран равным 3,0 м, то величина эксцентриситета (Е) наружной оболочки 8 относительно входной оболочки 1 должна составлять не менее 0, 03 м и не более 0,72 м. Конкретное значение величины эксцентриситета (Е) из определенного диапазона выбирают в зависимости от величины максимальных скоростей ветра, действующих в данном климатическом районе. Например, при указанных выше параметрах, если максимальная скорость воздушного потока составляет 9,0 м/с, то величина эксцентриситета (Е) должна составлять около 0,05 м, а если максимальная скорость воздушного потока составляет 14,0 м/с, то величина эксцентриситета (Е) должна составлять около 0,65 м.

Ветроэнергетическая установка содержит входную оболочку кольцевой формы и наружную оболочку кольцевой формы. Внутри кольцевой оболочки коаксиально расположена турбина. С турбиной кинематически связан механизм для преобразования механической энергии. Наружная оболочка установлена с эксцентриситетом относительно входной оболочки. Величина эксцентриситета составляет не менее 0,01 и не более 0,24 от диаметра окружности, определяющей форму внутренней поверхности наружной оболочки в ее минимальном поперечном сечении. Использование изобретения позволит стабилизировать скорость вращения турбины за счет снижения степени разрежения за турбиной при увеличении скорости воздушного потока выше расчетной величины. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, включающая входную оболочку кольцевой формы, расположенную коаксиально внутри входной оболочки турбину, кинематически связанный с турбиной механизм для преобразования механической энергии и наружную оболочку кольцевой формы, отличающаяся тем, что наружная оболочка установлена с эксцентриситетом относительно входной оболочки, при этом величина эксцентриситета составляет не менее 0,01 и не более 0,24 от диаметра окружности, определяющей форму внутренней поверхности наружной оболочки в ее минимальном поперечном сечении.2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что наружная оболочка установлена с возможностью ограниченного перемещения и фиксации в промежуточных положениях относительно входной оболочки в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии входной оболочки.3. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с механизмом для изменения эксцентриситета наружной оболочки относительно входной оболочки.4. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, часть наружной поверхности входной оболочки и/или наружной оболочки образована боковой поверхностью цилиндра вращения.5. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, часть внутренней поверхности входной оболочки и/или наружной оболочки образована боковой поверхностью конуса вращения.6. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, часть внутренней поверхности входной оболочки и/или наружной оболочки образована боковой поверхностью цилиндра вращения.