Лопасть ветроэлектрической установки с противообледенительной системой Российский патент 2024 года по МПК F03D80/40 

Область техники

Изобретение относится к средствам предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ветроэлектрических установок (ВЭУ), с формированием воздушного слоя вокруг внешней поверхности лопасти и распределенного ударно-волнового воздействия, неправленого на внешнюю поверхность лопасти.

Изобретение заключается в том, что лопасть ВЭУ содержит воздуховод, в который осуществляется импульсная подача воздушного потока, направленного от основания лопасти до ее вершины. Причем корпус упомянутого воздуховода выполнен с перфорациями, обеспечивающими связь внутреннего объёма воздуховода с внутренним объёмом лопасти. Корпус лопасти ВЭУ, как минимум в местах наиболее подверженным обледенению лопасти, выполнен с перфорациями, обеспечивающими связь внутреннего объёма лопасти с внешней поверхностью лопасти. А на внешней поверхности лопасти закреплен продуваемый эластичный супергидрофобный материал.

Предшествующий уровень техники

Обледенение лопастей ВЭУ, существенно влияет на эффективность, надежность и безопасность их работы. Обледенение изменяет профиль лопасти, что снижает её аэродинамические характеристики. Это приводит к уменьшению эффективности ВЭУ, так как установка не может эффективно преобразовывать энергию ветра в электроэнергию.

Обледенение также может привести к неравномерному распределению льда по поверхности лопасти, создавая дополнительные несимметричные нагрузки и вибрации. Это может повлиять на надежность работы оборудования и увеличить износ механизмов.

Помимо критического влияния обледенения на КПД и надежность работы, отрыв кусков льда с кромок лопастей, нагруженных ВЭУ во время работы может привести к повреждению как самой установки, поскольку, отрыв льда может создавать дополнительные нагрузки и динамические силы, а также может представлять опасность для людей и окружающей среды.

В целом, предотвращение и управление обледенением лопастей ВЭУ являются важными аспектами, для обеспечения стабильной и безопасной работы этих устройств в условиях холодного климата.

Для предотвращения обледенения лопастей ВЭУ используют различные технологии, такие как обогрев лопастей, применение гидрофобных покрытий, аэродинамические элементы и другие методы.

Основными способами в области борьбы с обледенением лопастей ВЭУ на сегодняшний день являются:

• оптимизация режимов работы и формы поверхности для снижения налипания льда за счет использования в том числе интеллектуальных алгоритмов работы ветроэнергетических установок (ВЭУ);

• разработка тепловых методов защиты от обледенения, например, используя циркуляцию нагретого воздуха в корпусе лопасти для передачи тепловой энергии на внешнюю поверхность лопасти, подверженной обледенению, благодаря внутренней теплопроводности;

• локальный нагрев поверхностей лопасти, подверженных обледенению, например, исследования ультразвуковых и вибрационных методов защиты от наледи и микроволнового излучения (например, СВЧ);

• предотвращение обледенения использованием гидрофобных покрытий.

Из уровня техники известны решения для предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ВЭУ. Например, Способ и устройство для предотвращения обледенения лопастей ветряного генератора, раскрытое в описании публикации международной заявки на изобретение WO/2016/037476 от 18.03.2015.

Известный способ, заключается в том, что обеспечивают круговую циркуляцию горячего воздуха внутри лопасти от основания лопасти к ее вершине и обратно к основанию, предотвращая обледенение кромок и поверхности лопасти, путем установки в основание лопасти системы нагревания, внутри лопасти размещают воздуховод, на конце которого устанавливают дефлектор, разделяющий переднюю кромку лопасти на две части, обеспечивают движение горячего воздуха по направлению к вершине лопасти, а затем вдоль задней кромки лопасти обратно к ее основанию.

Недостатком известного способа является то, что в целях борьбы с обледенением необходимо подавать большое количество тепловой энергии в воздух, циркулирующий внутри лопасти, чтобы эффективно нагревать весь корпус лопасти, а в целях предотвращения обледенения, необходимо нагреть всю массу лопасти, и это ведет к тому, что потребляется большое количество энергии.

Также известна противообледенительная система для ветряной установки, техническое решение, взятое в качестве ближайшего аналога (прототипа), раскрыто в описании публикации международной заявки на изобретение WO/2004/036038, дата международной подачи 16.10.2003 г. Известное устройство содержит помимо всего прочего:

средства для направления потока текучей среды (воздуха) внутрь объемов, ограниченных внутри лопастей ротора (ВЭУ). При этом лопасти ротора содержат по меньшей мере на части внешней поверхности окна (или отверстия), которые сообщаются с внутренним объемом лопастей и предназначены для выброса по меньшей мере части текучей среды наружу из лопастей для термодинамического взаимодействия текучей среды с ветром, сталкивающимся с частью поверхности, относящейся к окнам, и/или с водой и льдом, возможно находящимися на внешней поверхности лопасти.

Воздушный поток, выходящий из окон, расположенных на внешней поверхности лопасти, взаимодействует с ветром, сталкивающимся с лопастями, и создает воздушный слой или пленку на указанной внешней поверхности лопасти, снабженной указанными окнами, а именно после них по ходу потока. Такая воздушная пленка, вследствие известных тепловых и динамических эффектов, отклоняет поток текучей среды ветра от прямого столкновения с внешней поверхностью лопасти, таким образом нагревая поток и предотвращая конденсацию частиц, вызванную влажностью ветра, и образование льда.

В известном техническом решении предусмотрены различные формы указанных окон на внешней поверхности лопасти, предназначенных для сообщения внутреннего объема лопасти с внешней средой: ортогонально набегающему потоку на лопасть, обеспечивающие замедление скорости исходящего потока, а также усиливать поток, сталкивающийся с лопастью. Такой процесс усиления потока может улучшить общие аэродинамические характеристики лопасти и таким образом увеличить общую производительность ветрогенератора.

В данном техническом решении предусмотрено, что из отверстий на внешней поверхности лопасти выходит воздушный поток с более высокой температурой и большим давлением по сравнению с потоком ветра, сталкивающегося с поверхностью лопасти, и со значительно более низкой степенью влажности, формируя воздушный слой или пленку вокруг лопасти ветрогенератора.

Аэродинамический эффект состоит в отклонении указанной воздушной пленкой капель воды, снега иди льда и сталкивающихся с ней частиц различного характера (например, насекомых, песка). Этот эффект максимален при определенной скорости и величине частиц.

Другой вариант известного технического решения предусматривает расположение устройства для подачи сжатого воздуха, в том числе импульсной подаче. Располагая сопла такого устройства во внутреннем объеме лопасти, по направлению к отверстиям на внешней поверхности лопасти, частично или полностью закрытыми льдом, можно подавать к ним импульсы сжатого воздуха.

Такое действие приводит к разрушению ледяных масс.

Общими признаками известного технического решения и заявленного изобретения являются: импульсная подача сжатого воздуха из-под поверхности лопасти и формирование воздушного слоя вокруг лопасти ВЭУ.

Недостатком известного технического решения является неравномерность распределения воздушного слоя вокруг лопасти ветрогенератора, вследствие чего лопасть подвержена обледенению в областях неустойчивости воздушного слоя, а также, в случае обледенения отверстий на внешней поверхности лопасти, заявленный аэродинамический эффект перестаёт работать.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей заявляемого технического решения является предотвращение и борьба с обледенением лопастей ВЭУ, что обеспечивается применением поверхностей, выполненных из продуваемых эластичных супергидрофобных материалов, импульсной подачи воздуха и формированием воздушного слоя вокруг внешней поверхности лопасти.

Экспериментально показано, что применение супергидрофобных покрытий эффективно при борьбе с обледенением. Супергидрофобная поверхность эффективно отталкивает капли от поверхности и препятствует образованию больших агломератов наледи, уменьшает суммарную область, где лед крепится к поверхности, что существенно облегчает борьбу с ним.

Показано, что бороться с наледью тем легче, чем меньше наледи образовалось на лопасти.

В связи с чем целесообразно использовать комплекс антиобледенительных воздействий, который позволяет не только бороться с образованием наледи, но и препятствовать процессу её образования.

Техническое решение, предлагаемое в настоящем изобретении, состоит в том, что:

В воздуховод, расположенный во внутреннем объёме лопасти, осуществляется импульсная подача воздушного потока. Через имеющиеся перфорации в указанном воздуховоде воздушный поток попадает во внутренний объём лопасти, формируя в нем избыточное давление. Вследствие чего воздух из внутреннего объёма лопасти, посредством реактивного движения через перфорированный корпус лопасти, поступает на внешнюю поверхность лопасти, образуя воздушный слой вокруг лопасти, препятствующий контакту указанной внешней поверхности лопасти с атмосферной влагой.

На внешней поверхности лопасти закреплен слой продуваемого эластичного супергидрофобного материала, препятствующий закреплению атмосферной влаги и ее намерзанию на указанной внешней поверхности, а также за счет испытываемого распределенного ударно-волнового воздействия, вследствие импульсной подачи воздушного потока в воздуховод, расположенный во внутреннем объёме лопасти, способствует сбрасыванию атмосферной влаги и разрушению образовавшейся наледи на внешней поверхности лопасти.

Также продуваемый эластичный супергидрофобный материал обеспечивает равномерное распределение воздушного слоя вокруг лопасти и его устойчивость. А в случае образования наледи на внешней поверхности лопасти, формирует воздушный карман между эластичным продуваемым супергидрофобным материалом и наледью, который совместно с распределенным ударно-волновым воздействием на эластичную поверхность способствует разрушению образовавшейся наледи.

Образование воздушного слоя вокруг внешней поверхности лопасти способствует улучшению ее аэродинамических характеристик, что в свою очередь увеличивает КПД ветроэлектрической установки.

Краткое описание прилагаемых чертежей

Предлагаемое устройство лопасти ВЭУ поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на Фиг. 1 и Фиг. 2 представлен условный пример функциональной схемы устройства части лопасти ВЭУ, реализующее заявленное изобретение, а на Фиг. 3 представлена раскадровка видео эксперимента реализации изобретения.

Указанное устройство лопасти, согласно схеме, представленной на Фиг. 1, содержит, например:

100 – лопасть ветроэлектрической установки (ВЭУ), содержащая:

21 – воздуховод с перфорированным корпусом, и внутренним объёмом – V₂₁,

10 – перфорированный корпус лопасти (100),

30 – слой продуваемого эластичного супергидрофобного материала, например, фторопластовый нетканый материал (фторполимер), закрепленный на внешней поверхности корпуса (10) и образующий внешнюю поверхность лопасти (100);

80 – внешний блок содержащий компрессор, электромагнитный клапан и модуль управления.

На Фиг. 1 также обозначен, P – импульсный воздушный поток, направленный во внутренний объём (V₂₁) воздуховода (21).

На Фиг. 2 представлена иллюстрация схематического изображения части лопасти (100) ВЭУ в разрезе, содержащая, например:

100 – лопасть ветроэлектрической установки (ВЭУ) с внутренним объёмом (V₁₀₀), содержащая:

21 – воздуховод с перфорированным корпусом, и внутренним объёмом – V₂₁,

10 – перфорированный корпус лопасти (100),

30 – слой продуваемого эластичного супергидрофобного материала, например, фторопластовый нетканый материал (фторполимер), закрепленный на внешней поверхности корпуса (10) и образующий внешнюю поверхность лопасти (100);

На Фиг. 2 также обозначены: А – внешний поток перпендикулярный лопасти (100) ВЭУ,

S – воздушный слой вокруг внешней поверхности (30) лопасти (100),

L – воздушный поток через перфорированный корпус (10) лопасти (100) и слой фторопластового нетканого материала (30) на внешнюю поверхность лопасти (100).

Детальное описание чертежей

Далее будут рассмотрены особенности реализации заявленного изобретения, иллюстрируемые приложенными чертежами.

Если в нижеследующем описании, а также формуле изобретения, говорится что элемент «соединен» или «сопряжен» с другим элементом, то элемент может быть «непосредственно соединен» с другим элементом или иметь с ним электрическую, оптическую и прочую связь, непосредственно напрямую или через третий элемент.

Кроме того, если иное не оговорено особо, термин «содержит» и его производные («содержащий», «содержащийся», «включающий в себя» и иные аналогичные термины) понимается как включение указанных элементов, но не как исключение любых других элементов.

Для достижения указанного технического результата, предложенный способ реализации заявленного изобретения включает в себя следующие элементы и их связи на Фиг. 1:

Воздуховод (21), расположенный во внутреннем объёме (V₁₀₀) лопасти (100), от её основания к вершине, соединен с внешним блоком (80), содержащим как минимум компрессор, электромагнитный клапан и модуль управления, а также через перфорации в корпусе с внутренним объёмом (V₁₀₀) лопасти (100).

Внешняя поверхность лопасти (30) соединена с внутренним объёмом (V₁₀₀) лопасти (100) через перфорации в корпусе (10) лопасти (100).

Импульсный воздушный поток (P) направлен по воздуховоду (21) от внешнего блока (80) к вершине лопасти (100).

На Фиг. 2 изображены следующие элементы заявленного устройства и их связи, например:

Лопасть (100), содержащая во внутреннем объёме (V₁₀₀) воздуховод (21), импульсный воздушный поток (P) формирует реактивный воздушный поток (L), направленный сквозь перфорированный корпус (10) лопасти (100) и слой фторопластового нетканого материала (30), образующий внешнюю поверхность лопасти (100), который формирует воздушный слой (S) вокруг внешней поверхности (30) лопасти (100).

Подробное описание осуществления изобретения

Далее будут детально рассмотрены особенности реализации заявляемого изобретения, иллюстрируемые приложенными чертежами.

Для того чтобы достичь вышеуказанного технического результата, предложенное устройство лопасти (100) ветроэлектрической установки (ВЭУ) включает в себя (см. Фиг. 1 и Фиг. 2, которые иллюстрируют примерный вариант осуществления заявленного изобретения) следующие элементы и их связи:

Воздуховод (21), расположенный во внутреннем объёме (V₁₀₀) лопасти (100), от ее основания до вершины, соединенный с внешним блоком (80), содержащим как минимум компрессор, электромагнитный клапан и модуль управления, обеспечивающий подачу импульсного воздушного потока (P) по упомянутому воздуховоду (21) в направлении от основания лопасти (100) к ее вершине.

Корпус воздуховода (21) выполнен с перфорациями, причем каждое отверстие обеспечивает связь внутреннего объёма (V₂₁) воздуховода (21) с внутренним объёмом (V₁₀₀) лопасти (100).

А внутренний объём (V₁₀₀) лопасти (100) сообщается с внешней поверхностью (30) лопасти (100) через перфорированный, как минимум в местах наиболее вероятного обледенения лопасти (100), корпус (10) лопасти (100).

На внешней поверхности корпуса (10) лопасти (100) закреплен продуваемый эластичный супергидрофобный материал (30), например, фторопластовый нетканый материал (фторполимер), формирующий внешнюю поверхность (30) лопасти (100). Фторопластовый нетканый материал (30) образует продуваемое эластичное супергидрофобное покрытие, такое покрытие выполнено с возможностью его замены.

Внешний блок (80), содержащий компрессор, электромагнитный клапан и модуль управления, создаёт импульсный воздушный поток (P), направленный в воздуховод (21). Амплитуда импульсов задаётся модулем управления, исходя из сложившихся метеорологических условий и угрозы обледенения лопасти (100).

Импульсный воздушный поток (P), направленный по воздуховоду (21) от основания лопасти (100) к её вершине, через перфорации в корпусе воздуховода (21), попадает во внутренний объём (V₁₀₀) лопасти (100), формируя в нем избыточное давление и, как следствие, реактивный воздушный поток (L), направленный через перфорированный корпус (10) лопасти (100) на внешнюю поверхность (30) лопасти (100), где сталкиваясь с внешним воздушным потоком (A), перпендикулярным лопасти (100), формирует воздушный слой (S) вокруг внешней поверхности (30). Сформированный воздушный слой (S) вокруг внешней поверхности (30) лопасти (100) препятствует контакту атмосферной влаги (туман, капли дождя, снег, лед и пр.) и её намерзанию на внешней поверхности (30) лопасти (100).

А импульсы воздушного потока (P) оказывают ударно-волновое воздействие через слой фторопластового нетканого материала (30) на скопившуюся атмосферную влагу или образовавшуюся наледь на внешней поверхности (30) лопасти (100).

В случае образования наледи на внешней поверхности (30) лопасти (100), направленный на внешнюю поверхность (30) реактивный поток воздуха (L) формирует воздушный слой (S) между льдом и фторопластовым нетканым материалом (30), что в совокупности с ударно-волновым воздействием способствует разрушению и удалению наледи, с внешней поверхности (30) лопасти (100).

Причем, слой фторопластового нетканого материала (30), вследствие своей супергидрофобности, обеспечивает в реактивном воздушном потоке (L), направленном на внешнюю поверхность (30), более низкий процент влажности чем во внешнем набегающем потоке воздуха (A), что также способствует удалению влаги с внешней поверхности (30) лопасти (100), а также упомянутый слой фторопластового нетканого материала (30) обеспечивает равномерное распределение воздушного слоя (S) вокруг лопасти (100) и его устойчивость.

Существует вариант осуществления изобретения, описанного выше, в котором, часть корпуса (10) лопасти (100), как минимум наиболее подверженная обледенению, изготовлена из каркасной сетки с закрепленным на ней фторопластовым нетканым материалом (30), являющимся внешней поверхностью (30) лопасти (100).

Существует вариант осуществления изобретения, описанного выше, в котором в воздуховод (21) производится импульсная подача (P) подогретого воздуха. В данном варианте осуществляется еще и термическое антиобледенительное воздействие.

Существует вариант осуществления изобретения, описанного выше, в котором в воздуховод (21) производится импульсная подача (P) сжатого воздуха. В указанном варианте осуществления изобретения внешний блок (80) содержит вместо компрессора емкость для сжатого воздуха, электромагнитный клапан и модуль управления. Также емкость для сжатого воздуха может содержать специально подготовленную газовую смесь.

Существует вариант осуществления изобретения, описанного выше, в котором лопасть (100) ВЭУ содержит в своем внутреннем объёме (V₁₀₀) компрессор или емкость для сжатого воздуха и электромагнитный клапан, соединенные с воздуховодом (21) и внешним модулем управления.

Существует вариант осуществления изобретения, описанного выше, в котором внешний блок (80) содержит трубку Ранка вместо компрессора. В данном варианте воздуховод (21) соединен, например, с «горячим» концом трубки Ранка, в целях направления в воздуховод (21) воздушного потока (P) с более высокой температурой, чем во внешнем воздушном потоке (A).

Также существует вариант осуществления изобретения, в котором указанные электромагнитный клапан и трубка Ранка находятся во внутреннем объёме (V₁₀₀) лопасти (100) ВЭУ, соединенные с воздуховодом (21) и внешним модулем управления.

Экспериментальные результаты

Проведенный эксперимент с ударно-волновым воздействием и подачей воздушного потока из-под поверхности показал, что данные методы отлично друг друга дополняют.

Ударно-волновое воздействие реализовано за счет создаваемых импульсов давления внутри лопасти. Метод импульсной подачи воздуха создавался с помощью компрессора и электромагнитного клапана, который позволял создавать импульсы с заданной частотой. Период накопления воздуха и длительность подачи воздуха задавались контроллером, который в свою очередь управлялся модулем управления экспериментом.

Проведенный эксперимент с ударно-волновым воздействием и формированием воздушного слоя вокруг внешней поверхности показал, что данные методы отлично друг друга дополняют. В отдельности ударно-волновое воздействие не может справится со всей обледененной поверхностью, так как воздействует на лед локально в месте непосредственного соприкосновения с тканью. Подача воздушного потока из-под поверхности создает воздушный карман между льдом и фторполимерным покрытием, что также недостаточно для полного разрушения льда. Комбинация данных методов позволяет полностью избавиться ото льда.

В эксперименте использовался метод импульсной подачи воздушного потока из-под поверхности лопасти, формирующий воздушный слой вокруг внешней поверхности и оказывающий ударно-волновое воздействие на обледенение.

Экспериментально показано, что сформированный воздушный слой препятствует каплям влаги в аэродинамическом потоке подлетать и примерзать к поверхности, вследствие чего образование льда происходит значительно медленнее, чем при отсутствии воздушного слоя, например, образование 1 мм льда при импульсной подаче воздушного потока занимает 10 минут и 1 минуту при его отсутствии, что увеличивает время образования льда на порядок.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к средствам предотвращения и борьбы с обледенением лопастей. Лопасть ВЭУ содержит воздуховод, в который осуществляется импульсная подача воздушного потока, направленного от основания лопасти до ее вершины. Корпус воздуховода выполнен с перфорациями, обеспечивающими связь внутреннего объёма воздуховода с внутренним объёмом лопасти. Корпус лопасти ВЭУ, как минимум в местах, наиболее подверженным обледенению лопасти, выполнен с перфорациями, обеспечивающими связь внутреннего объёма лопасти с внешней поверхностью лопасти. На внешней поверхности лопасти закреплен продуваемый фторопластовый нетканый материал для создания ударно-волнового воздействия на образования наледи. Амплитуда импульсов воздушного потока задается модулем управления в зависимости от метеорологических условий. Техническим результатом является увеличение КПД ветроэлектрической установки за счет улучшения аэродинамических характеристик лопасти. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лопасть (100) ветроэлектрической установки (ВЭУ) с противообледенительной системой, включающей воздуховод (21), расположенный во внутреннем объёме (V₁₀₀) лопасти (100) от ее основания до вершины, внешний блок (80) содержащий компрессор, электромагнитный клапан и модуль управления, причем воздуховод (21) в основании лопасти (100) соединен с внешним блоком (80), предназначенным для создания и управления импульсным воздушным потоком (P), направленного в упомянутый воздуховод (21), отличающаяся тем что, корпус воздуховода (21) выполнен с перфорациями, обеспечивающими связь внутреннего объёма (V₂₁) воздуховода (21) с внутренним объёмом (V₁₀₀) лопасти (100), а корпус (10) лопасти (100), как минимум в местах наиболее вероятного обледенения лопасти (100), выполнен с перфорациями, обеспечивающими связь внутреннего объёма (V₁₀₀) лопасти (100) с внешней поверхностью (30) лопасти (100), причем с внешней стороны корпуса (10) лопасти (100) закреплен слой фторопластового нетканого материала, образующий упомянутую внешнюю поверхность (30) лопасти (100), причем перфорированный корпус (10) лопасти (100) предназначен для создания воздушного слоя (S) вокруг внешней поверхности (30) лопасти (100), препятствующий контакту указанной внешней поверхности (30) с внешним потоком (A) перпендикулярным лопасти (100), а слой фторопластового нетканого материала (30) предназначен для создания ударно-волнового воздействия на образования наледи, вследствие импульсной подачи воздушного потока (P) в воздуховод (21), а также обеспечивает меньший процент влажности воздуха в воздушном слое (S) вокруг внешней поверхности (30) лопасти (100), чем в набегающем потоке воздуха (A), а также его равномерное распределение вокруг лопасти (100) и его устойчивость, а амплитуда импульсов воздушного потока (P) задается модулем управления, включенным в внешний блок (80) в зависимости от метеорологических условий.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что лопасть (100) содержит во внутреннем объёме (V₁₀₀) компрессор и электромагнитный клапан, соединенные с воздуховодом (21) и внешним модулем управления;

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором подаваемый поток воздуха (P) в воздуховод (21) предварительно нагревается;

4. Устройство по п. 1 или 2, в котором в воздуховод (21) подается сжатый воздух.