СПОСОБ ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЮ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРЯНОГО ГЕНЕРАТОРА И ЛОПАСТЬ ВЕТРЯНОГО ГЕНЕРАТОРА Российский патент 2019 года по МПК F03D1/06 F03D7/02 F03D80/40 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ветряным генераторам повышенной производительности и способам их работы, более конкретно к средствам удаления льда и предотвращения обледенения лопастей ветряных генераторов лопастей генератора и способам их подогрева.

Уровень техники

В настоящее время ветряные генераторы признаны экологически чистым способом производства электрической энергии и ветряная энергетика интенсивно развивается. Ветряная электроэнергетика применяется в различных природных и климатических условиях. В результате эксплуатации лопасти ветряных генераторов подвергаются воздействию широкого спектра факторов. Так, в условиях влажного и холодного высокогорья лопасти ветряных генераторов подвергаются обледенению. Образование на лопастях льда создает дополнительные нагрузки на лопасти и ухудшает их аэродинамические характеристики. Это в свою очередь негативно сказывается на безопасности и мощности генераторов. Отваливающиеся куски льда могут повредить лопасти и значительно уменьшить срок службы генератора. Таким образом, задача противодействия обледенению лопастей ветряных генераторов является весьма актуальной технической проблемой, требующей решения.

Имеющиеся в настоящее время технологии позволили создать множество способов борьбы с обледенением. Например, средство, раскрытое в патенте CN 02322405 A, использует подачу горячего воздуха по системе трубопроводов для подогрева лопастей ротора ветряного генератора и одновременно с этим происходит охлаждение электрогенератора. Однако данный патент не раскрывает конкретного расположения трубопроводов горячего воздуха внутри лопасти. Средство, раскрытое в патенте CN 201363233, представляет собой новый способ борьбы с образованием льда на поверхности лопастей ветряного генератора. В данном патенте предлагается прокладывать внутри и на поверхности лопасти резисторы для осуществления подогрева. Оболочка лопасти имеет многослойную структуру. По порядку слоев от внешней к внутренней, первый слой - стеклопластиковая внешняя оболочка лопасти, второй слой - место размещения резисторов, третий слой - слой из углепластика; или от поверхности к внутренней части, первый слой - резистивная сборка на поверхности лопасти, второй слой - углепластик. Резисторы и углепластик склеиваются эпоксидной смолой в единое целое. Данные лопасти работают в низкотемпературных районах с сильным неблагоприятным воздействием окружающей среды. К резисторам подключается электроэнергия и они начинают излучать тепло, которое через углепластик передается на внешнюю поверхность и повышает температуру внешней части лопасти. Таким образом, решается проблема образования льда. Однако размещенные на поверхности резисторы легко подвергаются ударам молнии, одновременно возникают сложности ремонта вышедших из строя резисторов на поверхности лопастей.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей данного изобретения является повышение способности противодействия обледенению лопастей ветряных генераторов повышенной производительности. Изобретение предлагает новую конструкцию противообледенительных лопастей и способ противодействия обледенению лопастей ветряных генераторов повышенной производительности. Эти лопасти и способ позволяют более эффективно удалять лед с поверхности лопастей.

Данная задача решается тем, что лопасть ветряного генератора содержит оборудование для противодействия обледенению, упомянутое оборудование включает систему подогрева горячим воздухом и систему подогрева электричеством. Упомянутые системы подогрева выполнены независимыми друг от друга и каждая система выполнена с возможностью функционировать отдельно от другой, при этом упомянутые системы подогрева выполнены с возможностью обеспечивать обогрев лопасти как одновременно, так и по одиночке.

Данная задача решается также тем, что системы подогрева расположены внутри лопасти, система подогрева горячим воздухом включает нагреватель воздуха и блок управления нагревателем, система подогрева электричеством включает электронагревательный элемент и блок управления этим элементом, лопасть содержит переднюю перегородку и заднюю перегородку, разделяющую лопасть на переднюю кромку и заднюю кромку, нагреватель воздуха размещен в области задней кромки лопасти, а электронагревательный элемент расположен снаружи на передней кромке лопасти, блоки управления обеих систем подогрева расположены в основании лопасти.

Данная задача решается также тем, что между вершиной передней кромки и передней перегородкой установлена заслонка II, между основанием лопасти в области передней кромки и передней перегородкой установлена заслонка III, на задней перегородке выполнен воздушный канал, соединенный с нагревателем воздуха, в пределах воздушного канала расположена заслонка I, в случае отключения системы подогрева электричеством система подогрева горячим воздухом выполнена с возможностью открывания заслонки II для подачи горячего воздуха на переднюю кромку лопасти.

Данная задача решается также тем, что система подогрева горячим воздухом включает нагнетатель воздуха и РТС нагреватель, электронагревательный элемент выполнен из композитного материала с углеродным волокном, воздушный канал выполнен из ткани со стекловолокном и при помощи этого материала закреплен на задней перегородке, при этом задняя перегородка выполнена из углепластика.

Данная задача решается также тем, что нагнетатель воздуха и РТС нагреватель крепятся внутри задней поверхности лопасти.

Данная задача решается также способом противодействия обледенению лопастей ветряного генератора, состоящим в том, что устанавливают систему подогрева горячим воздухом и систему подогрева электричеством соответственно на задней и передней кромке лопасти ветряного генератора, при этом каждую систему выполняют независимой и с возможностью функционирования отдельно от другой, используют систему подогрева горячим воздухом и систему подогрева электричеством для обогрева лопасти, при этом нагревательный элемент системы подогрева электричеством, который обеспечивает удаление льда и противодействует образованию льда, размещают снаружи на передней кромке лопасти, размещают часть системы подогрева горячим воздухом в основании лопасти, обеспечивают подачу нагретого воздуха в воздушный канал, размещенный в задней кромке лопасти, и обеспечивают нагрев лопасти горячим воздухом.

Данная задача решается также тем, что между вершиной передней кромки и передней перегородкой устанавливают заслонку II, между основанием лопасти в области передней кромки и передней перегородкой устанавливают заслонку III, на задней перегородке устанавливают воздушный канал и соединяют его с нагревателем воздуха, в пределах воздушного канала устанавливают заслонку I, систему подогрева горячим воздухом выполняют с возможностью открывания заслонки II для подачи горячего воздуха на переднюю кромку в случае отключения подогрева электричеством.

Данная задача решается также тем, что обеспечивают работу системы подогрева горячим воздухом следующим образом: с помощью нагнетателя воздуха подают холодный воздух в нагреватель воздуха, нагревают воздух с помощью нагревателя, подают нагретый воздух в область задней кромки с помощью воздушного канала, когда заслонка II находится в основном положении, нагретый воздух направляется к вершине лопасти и далее возвращается назад к основанию лопасти через пространство между перегородками, далее воздух снова попадает в нагнетатель так, что обеспечивается циркуляция нагретого воздуха по пути «основание лопасти - вершина лопасти - основание лопасти».

Данная задача решается также тем, что нагреватель воздуха выполняют в виде РТС нагревателя, а нагнетатель воздуха и РТС нагреватель устанавливают внутри задней поверхности лопасти.

Настоящее изобретение направлено на достижение следующих технических результатов.

Лопасть в соответствии с настоящим изобретением имеет две самостоятельные, взаимно независимые системы подогрева горячим воздухом и электрическими нагревательными элементами. При возникновении неисправности в системе электроподогрева система воздушного подогрева может самостоятельно открыть заслонку II и подогревать переднюю кромку потоком горячего воздуха.

Отдельные нагревательные элементы системы электрического подогрева размещаются снаружи передней кромки и отвечают за удаление льда с передней кромки лопасти. Поскольку электрические нагревательные элементы установлены на внешней поверхности, то во время возникновения неисправности отдельных нагревательных элементов можно осуществить их ремонт. В это время происходит автоматическое открывание заслонки II. Заслонка III отрывается в ручном режиме таким образом, что горячий воздух начинает поступать на переднюю кромку, осуществляя удаление льда с ее поверхности.

Система воздушного подогрева преимущественно расположена в основании лопасти. Горячий воздух нагревается нагревателем и поступает в воздушный канал. Нагреватель выполнен, преимущественно, из РТС материала. Данный материал обладает свойством увеличения производительности при повышении температуры. В период повышения температуры происходит самостоятельная терморегуляция элемента, поддерживая температуру в районе установленной величины. Таким образом, используемые нагревательные элементы относительно безопасны.

В лопасти предлагаемой конструкции нагнетатель воздуха подает холодный воздух на нагреватель, где происходит его нагрев. После этого по воздушному каналу горячий воздух транспортируется в определенные места на задней кромке, а также на заслонку I. Таким образом горячий воздух достигает верхушки лопасти, затем через пространство между перегородками возвращается к основанию лопасти. Далее нагнетатель подает этот воздух на очередной оборот, образуя циркулирующий контур «основание лопасти - верхушка лопасти - основание лопасти», повышая коэффициент температурного использования.

Краткое описание фигур чертежей

На Фиг. 1 изображено внутреннее устройство оборудования для противодействия обледенению.

На Фиг. 2 показано размещение системы противодействия обледенению в основании лопасти ветряного генератора.

Осуществление изобретения

На Фиг. 1 позициями обозначены следующие элементы лопасти ветряного генератора в соответствии с настоящим изобретением:

5 - блок управления подогревом воздуха;

6 - нагнетатель воздуха;

7 - нагреватель воздуха;

8 - воздушный (воздуховодный) канал;

9 - задняя кромка лопасти;

10 - заслонка I;

11 - перегородка задней кромки (задняя перегородка);

12 - заслонка II;

13 - электронагревательный элемент;

14 - передняя кромка лопасти;

15 - перегородка передней кромки (передняя перегородка);

16 - заслонка III;

17 - блок управления электронагревательной системы.

Пример осуществления

Как показано на Фиг. 1 и 2, система противодействия обледенению лопастей ветряного генератора содержит основные компоненты: блок управления 5 подогревом воздуха, нагреватель 7 воздуха, блок управления 17 электронагревательной системы, электронагревательный элемент 13, переднюю 15 и заднюю 11 перегородки. Перегородки 15 и 11 разделяют лопасть на переднюю кромку 14 и заднюю кромку 9. Электронагревательный элемент 13 расположен на внешней стороне передней кромки 14 лопасти. Система подогрева горячим воздухом расположена в основании лопасти. Заслонка II расположена между вершиной передней кромки 14 и передней перегородкой 15. Заслонка III расположена между основанием лопасти в области передней кромки 14 и передней перегородкой 15. Воздушный канал 8 расположен на задней перегородке 11. Воздушный канал 8 выполнен из ткани со стекловолокном и при помощи этого материала закреплен на задней перегородке 11, при этом задняя перегородка 11 выполнена из углепластика. Заслонка I расположена в пределах воздушного канала 8. Система подогрева горячим воздухом включает нагнетатель 6 воздуха и нагреватель 7 воздуха, выполненный из РТС материала. Электронагревательный элемент 13 выполнен из композитного материала с углеродным волокном.

Один или несколько электронагревательных элементов 13 устанавливаются на внешней поверхности передней кромки 14 лопасти. Их функция состоит в противодействии образованию наледи и удалении льда с верхней части передней кромки лопасти. Количество электронагревательных элементов 13 выбирают исходя из габаритов лопасти и условий эксплуатации. В результате наружного размещения электронагревательного элемента 13 системы электроподогрева при возникновении неисправности можно осуществить его замену или ремонт. Для решения данной задачи между вершиной передней кромки 14 и передней перегородкой установлена заслонка II (позиция 12). Между основанием передней кромки 14 и перегородкой установлена заслонка III (позиция 16). При работе системы электроподогрева в обычном режиме заслонки II и III находятся в закрытом состоянии и горячий воздух может циркулировать только между перегородками. Таким образом обеспечивается независимая работа двух систем. При возникновении неисправности в системе электроподогрева заслонка II открывается в автоматическом режиме, заслонка III открывается в ручном режиме и тем самым образуется окно, через которое горячий воздух поступает на переднюю кромку 15, обеспечивая ее подогрев.

Нагнетатель 6 нагнетает холодный воздух на нагреватель 7. При помощи нагревателя 7 осуществляется нагрев воздуха. Далее при помощи воздуховодных каналов 8 горячий воздух подается в область задней кромки 9 и на заслонку I (позиция 10). Таким образом горячий воздух достигает вершины лопасти и, проходя между перегородками 11 и 15, возвращается к основанию лопасти. Далее при помощи нагнетателя 6 вернувшийся воздух запускается на очередной оборот, образуя циркулирующий контур «основание лопасти - верхушка лопасти - основание лопасти», что повышает коэффициент температурного использования.

Электроснабжение данных систем осуществляется через главный блок управления, расположенный в машинном отсеке (не показан). При помощи электрических проводов и контактных колец энергия передается через ступицу в установленные на перегородке основания лопасти блок управления 17 системы электрообогрева и блок управления 5 системы подогрева воздухом. Электроэнергия подается также на электронагревательный элемент 13 и систему подогрева воздухом.

На основании изложенного выше примера можно увидеть, что данное изобретение относится к способу предотвращения обледенения лопастей ветряного генератора и оборудованию, включающему в себя лопасти ротора и установленное внутри лопастей ротора оборудование для противодействия обледенению. Особенность настоящего изобретения заключаются в том, что противообледенительное оборудование подогрева состоит из системы подогрева горячим воздухом и системы подогрева электричеством. Эти две системы самостоятельны и не оказывают взаимного влияния, могут поочередно или одновременно обогревать лопасти ветряного ротора.

Системы подогрева горячим воздухом и электричеством расположены внутри лопасти. Система подогрева горячим воздухом состоит из блока управления 5 подогрева воздухом и оборудования подогрева горячим воздухом. Система электроподогрева состоит из блока управления 17 и, по крайней мере, одного электронагревательного элемента 13. Передняя 15 и задняя 11 перегородки образуют области передней 14 и задней 9 кромки лопасти. Оборудование подогрева горячим воздухом размещено в области задней кромки 9. Электронагревательный элемент 13 системы электроподогрева расположен на поверхности передней кромки 14. Блоки управления системы воздушного подогрева и электроподогрева 5 и 17 размещены в основании лопасти.

Между вершиной лопасти и передней перегородкой 15 установлена заслонка II (позиция 12). Между основанием передней кромки 14 и перегородкой установлена заслонка III (позиция 16). В задней кромке имеется воздушный канал 8 для связи с системой подогрева горячим воздухом. В пределах воздушного канала 8 расположена заслонка I (позиция 10). При возникновении неисправности в системе электроподогрева система воздушного подогрева может самостоятельно открыть заслонку II и подогревать переднюю кромку.

Описанная система воздушного подогрева включает в себя нагнетатель 6 воздуха и РТС нагреватель 7. Электронагревательный элемент 13 состоит из композитного материала с углеродным волокном. Воздушный канал 8 при помощи ткани со стекловолокном крепится к поверхности задней перегородки, изготовленной из углепластика.

Нагнетатель 6 воздуха и РТС нагреватель 7 крепятся к внутренней стороне лопасти.

Способ подогрева лопастей ветряного генератора для устранения обледенения использует систему обогрева лопастей ветряных генераторов повышенной производимости горячим воздухом и систему электрообогрева. Обе системы работают самостоятельно и не зависят друг от друга. Для устранения обледенения применяются системы электроподогрева и обогрева горячим воздухом. В системе электроподогрева электрический нагревательный элемент 13 размещен на внешней стороне передней кромки 14 лопасти в месте, наиболее подверженном образованию льда. Система подогрева горячим воздухом включает в себя оборудование, размещенное в основании лопасти. Она подает горячий воздух в канал 8, расположенный в задней кромке лопасти, тем самым производя ее подогрев.

Между вершиной лопасти и передней перегородкой установлена заслонка II. Между основанием лопасти и передней перегородкой установлена заслонка III. В задней кромке имеется канал 8, связанный с системой подогрева горячим воздухом. Между концами воздушного канала 8 расположена заслонка I. При возникновении неисправности в системе электроподогрева система воздушного подогрева может самостоятельно открыть заслонку II и направить горячий воздух на переднюю кромку 14, подогревая ее.

В способе подогрева при помощи горячего воздуха холодный воздух при помощи нагнетателя воздуха подается в нагреватель 7, где осуществляется его нагрев. После этого горячий воздух через воздушный канал 8 доставляется в необходимые области задней кромки 9 лопасти с помощью заслонки I, вследствие чего горячий воздух достигает вершины. Посредством обратного течения между перегородками горячий воздух возвращается к основанию лопасти и посредством нагнетателя 6 продолжает дальше циркулировать, образуя, таким образом, циркулирующий контур «верхняя кромка - основание - верхняя кромка». Тем самым повышается теплоотдача.

Упомянутый ранее РТС нагреватель 7 и нагнетатель 6 воздуха закрепляются на внутренней поверхности лопасти.

Полезный результат данного изобретения.

Данная структура имеет две самостоятельные, взаимно независимые системы подогрева горячим воздухом и электрическими нагревательными элементами. При возникновении неисправности в системе электроподогрева система воздушного подогрева может самостоятельно открыть заслонку II и подогревать переднюю кромку.

Отдельные нагревательные элементы системы электрического подогрева должны размещаться в районе внешней поверхности передней кромки и обеспечивать удаление льда с передней кромки лопасти. Поскольку электрические нагревательные элементы установлены на внешней поверхности, то во время возникновения неисправности отдельных нагревательных элементов можно осуществить их ремонт. В это время происходит автоматическое открывание заслонки II, а заслонка III открывается в ручном режиме. Таким образом, горячий воздух начинает поступать на переднюю кромку 14, осуществляя удаление льда с ее поверхности.

Система воздушного подогрева преимущественно расположена в основании лопасти. Воздух нагревается нагревателем 7 из РТС материала и поступает в канал 8. Материал РТС обладает свойством увеличения производительности при повышении температуры. В период повышения температуры происходит самостоятельная терморегуляция элемента, поддерживая температуру в районе установленной величины. Таким образом, используемый нагревательный элемент 7 относительно безопасен.

Нагнетатель 6 воздуха подает холодный воздух на нагреватель 7, где происходит его нагрев. После этого через канал 8 горячий воздух транспортируется в определенные места на задней кромке, а также на заслонку I. Таким образом, горячий воздух достигает вершины лопасти. Затем через пространство между перегородками горячий воздух возвращается к основанию лопасти и далее нагнетателем 6 запускается на очередной оборот, образуя циркулирующий контур «основание лопасти - верхушка лопасти - основание лопасти». Это повышает коэффициент температурного использования.

Изобретение относится к ветряным генераторам и средствам противообледенения. Система противодействия обледенению лопастей ветряного генератора содержит основные компоненты: блок управления 5 подогревом воздуха, нагреватель 7 воздуха, блок управления 17 электронагревательной системы, электронагревательный элемент 13, переднюю 15 и заднюю 11 перегородки. Перегородки 15 и 11 разделяют лопасть на переднюю кромку 14 и заднюю кромку 9. Электронагревательный элемент 13 расположен на внешней стороне передней кромки 14 лопасти. Изобретение направлено на повышение эффективности удаления льда. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лопасть ветряного генератора, содержащая оборудование для противодействия обледенению, упомянутое оборудование включает систему подогрева горячим воздухом и систему подогрева электричеством, упомянутые системы подогрева выполнены независимыми друг от друга и каждая система выполнена с возможностью функционировать отдельно от другой, при этом упомянутые системы подогрева выполнены с возможностью обеспечивать обогрев лопасти как одновременно, так и по одиночке.

2. Лопасть по п. 1, характеризующаяся тем, что системы подогрева расположены внутри лопасти, система подогрева горячим воздухом включает нагреватель воздуха и блок управления нагревателем, система подогрева электричеством включает электронагревательный элемент и блок управления этим элементом, лопасть содержит переднюю перегородку и заднюю перегородку, разделяющую лопасть на переднюю кромку и заднюю кромку, нагреватель воздуха размещен в области задней кромки лопасти, а электронагревательный элемент расположен снаружи на передней кромке лопасти, блоки управления обеих систем подогрева расположены в основании лопасти.

3. Лопасть по п. 2, характеризующаяся тем, что между вершиной передней кромки и передней перегородкой установлена заслонка II, между основанием лопасти в области передней кромки и передней перегородкой установлена заслонка III, на задней перегородке выполнен воздушный канал, соединенный с нагревателем воздуха, в пределах воздушного канала расположена заслонка I, в случае отключения системы подогрева электричеством система подогрева горячим воздухом выполнена с возможностью открывания заслонки II для подачи горячего воздуха на переднюю кромку лопасти.

4. Лопасть по п. 2, характеризующаяся тем, что система подогрева горячим воздухом включает нагнетатель воздуха и РТС нагреватель, электронагревательный элемент выполнен из композитного материала с углеродным волокном, воздушный канал выполнен из ткани со стекловолокном и при помощи этого материала закреплен на задней перегородке, при этом задняя перегородка выполнена из углепластика.

5. Лопасть по п. 4, характеризующаяся тем, что нагнетатель воздуха и РТС нагреватель крепятся внутри задней поверхности лопасти.

6. Способ противодействия обледенению лопастей ветряного генератора, состоящий в том, что устанавливают систему подогрева горячим воздухом и систему подогрева электричеством соответственно на задней и передней кромке лопасти ветряного генератора, при этом каждую систему выполняют независимой и с возможностью функционирования отдельно от другой, используют систему подогрева горячим воздухом и систему подогрева электричеством для обогрева лопасти, при этом нагревательный элемент системы подогрева электричеством, который обеспечивает удаление льда и противодействует образованию льда, размещают снаружи на передней кромке лопасти, размещают часть системы подогрева горячим воздухом в основании лопасти, обеспечивают подачу нагретого воздуха в воздушный канал, размещенный в задней кромке лопасти, и обеспечивают нагрев лопасти горячим воздухом.

7. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что между вершиной передней кромки и передней перегородкой устанавливают заслонку II, между основанием лопасти в области передней кромки и передней перегородкой устанавливают заслонку III, на задней перегородке устанавливают воздушный канал и соединяют его с нагревателем воздуха, в пределах воздушного канала устанавливают заслонку I, систему подогрева горячим воздухом выполняют с возможностью открывания заслонки II для подачи горячего воздуха на переднюю кромку в случае отключения подогрева электричеством.

8. Способ по п. 7, характеризующийся тем, что обеспечивают работу системы подогрева горячим воздухом следующим образом: с помощью нагнетателя воздуха подают холодный воздух в нагреватель воздуха, нагревают воздух с помощью нагревателя, подают нагретый воздух в область задней кромки с помощью воздушного канала, когда заслонка II находится в основном положении, нагретый воздух направляется к вершине лопасти и далее возвращается назад к основанию лопасти через пространство между перегородками, далее воздух снова попадает в нагнетатель так, что обеспечивается циркуляция нагретого воздуха по пути «основание лопасти - вершина лопасти - основание лопасти».

9. Способ по п. 8, характеризующийся тем, что нагреватель воздуха выполняют в виде РТС нагревателя, а нагнетатель воздуха и РТС нагреватель устанавливают внутри задней поверхности лопасти.