ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2023 года по МПК F03D7/02 F03D80/00 

Для стабильной работы ВЭУ малой и средней мощности чаще всего применяют систему активной самоориентации (за счет взаимодействия элементов ветроустановки с ветровым потоком). В качестве такого устройства служит флюгер-хвостовик. Он отличается большой точностью регулирования, простотой конструкции, но имеет повышенную скорость поворачивания гондолы, увеличивает ее вес, усложняет уравновешивание, например, «Безредукторный ветроэлектроагрегат», патент РФ №2337251, МКП 6 F03D 7/00, опубл. 27.10.2008 г., содержащий неподвижную башню, поворотное основание, ветроколесо, электроагрегат и флюгер-хвостовик.

Основное требование к системе активной самоориентации на направление ветра следующее:

- при всех режимах работы должна соблюдаться устойчивость положения гондолы в потоке, т.е. ориентация должна выполняться только при существенном и относительно долговременном изменении направления ветра, а не при случайных его пульсациях.

Известно техническое решение «Ветроэнергетическая установка» (патент РФ №2504687, МПК: F03D 7/00, опубл. 20.01.2014 г.), принятая за прототип, которая содержит опорную башню, ветроколесо, гондолу электроагрегата, поворотное основание, снабженное устройством ориентации на ветровой поток, выполненным в виде хвостовика двухкилевой схемы. Изобретение обеспечивает возможность поворота плоскости ветроколеса с горизонтальной осью вращения относительно ее вертикальной оси вращения при небольшой скорости набегающего потока. Достоинство прототипа- стабилизация положения ВЭУ при резких изменениях скорости ветра, замедленная реакция на изменение направление ветра. Основным недостатком прототипа является его применение в ВЭУ малой мощности при приемлемых габаритах флюгера-хвостовика. Задачей изобретения является существенное повышение мощности ВЭУ, применяющих хвостовики в качестве системы активной самоориентации ветроколеса, при сохранении положительного качества - замедленной реакции на кратковременные порывы ветра разного направления и приемлемых габаритах хвостовика. Для ее решения в ВЭУ устройство ориентации на ветровой поток, выполненное в виде хвостовика с оперением, причем в качестве хвостовика используется несущая балка с отверстиями на боковых сторонах для двух валов, на концах которых надеты подшипники с закрепленными на них передними и задними аэродинамическими уголками. В этой же балке сбоку проточена камера для воздушного демпфера, в которой находится поршень, закрепленный на средине штока с грибовидными деталями на его концах. Камера воздушного демпфера с обеих сторон прочно закрыта заглушками с отверстиями, через которые проходит, центрируется шток и выходит воздух при движении поршня. По сравнению с прототипом, в разработанном хвостовике за счет новой его конструкции при изменении направления ветра, действуют две силы. Первая - формируется в соответствии с принципом лобового сопротивления по известной формуле (1). При больших отклонениях направления ветра она эффективна, но при уменьшении отклонения вектора ветра (угла на α) от направления перпендикулярного плоскости вращения ветроколеса, уменьшается, т.е. sinα стремится к нулю

,

где α - угол отклонения вектора ветра, С_x - коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела, ρ - плотность воздуха - 1,29 кг/м³, S - площадь поперечного сечения пластины, м², V_В - скорость ВП, м/с. Коэффициент С_х зависит от формы тела: тонкая большая пластина, перпендикулярная потоку - С_х=1,33; Вторая - подъемная сила вычисляется по известной формуле -

,

где ρ - массовая плотность воздуха, V - скорость движения крыла относительно воздуха, S - площадь крыла, Су - коэффициент подъемной силы крыла.

При больших отклонениях направления ветра создается отрицательный угол атаки крыла (собственно хвостовика) и подъемная сила мала (см. Фиг. 1), но при приближении угла атаки крыла (хвостовика) т.е. угла α к нулю эта сила возрастает в разы. Поэтому эффективность разработанного хвостовика в зоне больших и малых отклонений угла α от идеального положения в ВЭУ значительной мощности очевидна. Общий вид ВЭУ с разработанным хвостовиком дан на Фиг. 2 (а - вид сбоку, б - вид сверху). Она состоит из ветроколеса - 1, опорной башни - 2, гондолыс с электироагрегатом - 3, поворотного основания - 4, вала ветроколеса - 5 и хвостовика, в состав которого входит несущая балка - 6, передний - 7 и задний - 8 аэродинамические уголки, закрепленные на подшипниках - 9, установленных на осях - 10. Аэродинамические уголки 7, 8 опираются на детали грибовидного сечения - 11, закрепленные на штоке - 12, шток центрируется отверстиями заглушок - 13 воздушного демпфера - 14, состоящего из цилиндрической камеры - 15 и поршня - 16, зафиксированного на средине штока - 12. На Фиг. 3 даны детали одного из вариантов воздушного демпфера - 14 (детали грибовидного сечения 11, шток - 12, отрезок несущей балки - 6, цилиндрическая камера - 15, поршень - 16, заглушки - 13).

Воздушный демпфер выполнен по Фиг. 3 в виде цилиндрической камеры - 15 с заглушками - 13, внутри которой перемещается поршень - 16, закрепленный на середине штока - 12. причем камера с обеих сторон прочно закрыта заглушками с отверстиями, через которые проходит, центрируется шток и выходит воздух при движении поршня. При перемещении подвижной части хвостовика происходит торможение движущегося в камере - 15 поршня - 16, и колебания подвижной части хвостовика быстро затухают, ориентируя плоскость ветроколеса перпендикулярно направлению ветра, с высокой точностью.

Работа ветроэнергетической установки с разработанным хвостовиком. Работа ВЭУ при оптимальной ориентации относительно направления (вектора) ветра (плоскость ветроколеса перпендикулярна направлению ветра) поясняется Фиг. 2. В этом режиме аэродинамические уголки 7, 8 и детали с грибовидным сечением расположены симметрично относительно несущей балки - 6. Поршень - 16 воздушного демпфера - 14 находится посредине камеры - 15. Момент воздействия хвостовика на поворотное основание - 4 ВЭУ равен нулю. При стабильном длительном изменении направления ветра на угол α подвижные детали хвостовика примут сначала положение показанное на Фиг. 4, а затем под воздействием двух сил F₁ и Y₂, создаваемых хвостовиком, возникает момент М под воздействием которого ВЭУ возвращается к оптимальной ориентации относительно последнего направления ветра.

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано как источник электрической энергии. Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо, опорную башню, гондолу с электроагрегатом, поворотное основание, снабженное устройством ориентации на ветровой поток, выполненное в виде хвостовика с оперением. Хвостовик представляет собой несущую балку с отверстиями на боковых сторонах для двух валов, на концах которых надеты подшипники с закрепленными на них передними и задними аэродинамическими уголками. В балке сбоку проточена камера для воздушного демпфера, в которой находится поршень, закрепленный на средине штока с грибовидными деталями на его концах. Камера с обеих сторон закрыта заглушками с отверстиями, через которые проходит, центрируется шток и выходит воздух при движении поршня. Техническим результатом является обеспечение возможности ориентации по направлению ветра ВЭУ значительной мощности с помощью хвостовика и стабильности работы ВЭУ при кратковременных порывах ветра неосновного направления. 4 ил.

Ветроэнергетическая установка, содержащая ветроколесо, опорную башню, гондолу с электроагрегатом, поворотное основание, снабженное устройством ориентации на ветровой поток, выполненное в виде хвостовика с оперением, отличающаяся тем, что в качестве хвостовика используется несущая балка с отверстиями на боковых сторонах для двух валов, на концах которых надеты подшипники с закрепленными на них передними и задними аэродинамическими уголками, в балке также сбоку проточена камера для воздушного демпфера, в которой находится поршень, закрепленный на средине штока с грибовидными деталями на его концах, причем камера с обеих сторон прочно закрыта заглушками с отверстиями, через которые проходит, центрируется шток и выходит воздух при движении поршня.