Способ предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ветроэлектрических установок Российский патент 2024 года по МПК F03D80/40 

Область техники

Изобретение относится к средствам предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ветроэлектрических установок (ВЭУ).

Способ заключается в применении продуваемых эластичных супергидрофобных материалов, расположенных на наружной поверхности лопасти и направлении импульсного потока воздуха на внешнюю поверхность лопасти в сочетании с ударно-волновым воздействием на продуваемый эластичный супергидрофобный материал, вследствие импульсной подачи воздушного потока.

В заявленном способе сочетается отталкивание атмосферной влаги супергидрофобной поверхностью, препятствование попаданию атмосферной влаги на поверхность лопасти за счет сформированного воздушного слоя вокруг указанной лопасти вследствие направления импульсного потока воздуха на внешнюю поверхность и сброс попавшей атмосферной влаги и образовавшейся наледи с поверхности за счет распределенных ударно-волновых воздействий на эластичную поверхность получаемых от импульсов подачи воздушного потока.

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, обеспечивающими стабильную и безопасную работу 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 тепла к внешней поверхности 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 патенте на изобретение RU 2685160 от 18.03.2015 (конвенционный приоритет: CN 201410461139.6 от 12.09.2014).

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, увеличивать общую производительность ветрогенератора.

В данном техническом решение 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 закрытым 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 решения является предотвращение и борьба с обледенением лопастей ВЭУ, что обеспечивается применением поверхностей, выполненных из продуваемых эластичных супергидрофобных материалов, и импульсной подачей воздуха из внутреннего объема 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 образования наледи.

Техническое решение, предлагаемое в настоящем изобретении, состоит в том, что продуваемый эластичный супергидрофобный материал, нанесенный на внешнюю поверхность лопасти ВЭУ, препятствует закреплению атмосферной влаги и ее намерзанию на указанной внешней поверхности, а также за счет испытываемого распределенного ударно-волнового воздействия, вследствие импульсной подачи воздушного потока во внутренний объем лопасти ВЭУ, способствует сбрасыванию атмосферной влаги и разрушению образовавшейся наледи на внешней поверхности лопасти ВЭУ.

Вследствие импульсной подачи воздуха во внутреннем объеме лопасти ВЭУ образуется избыточное давление воздуха, который посредством реактивного движения через эластичный супергидрофлбный материал, поступает на внешнюю поверхность лопасти, образуя воздушный слой вокруг лопасти ВЭУ, препятствующий контакту указанной внешней поверхности лопасти с атмосферной влагой. Также продуваемый эластичный супергидрофобный материал обеспечивает равномерное распределение воздушного слоя вокруг лопасти ВЭУ и его устойчивость. А в случае образования наледи на внешней поверхности лопасти ВЭУ, образуется воздушный карман между эластичным супергидрофлбным 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

Предлагаемый способ предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ВЭУ поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на Фиг. 1 представлен условный пример функциональной схемы устройства части лопасти ВЭУ для осуществления заявленного способа, а на Фиг. 2 представлена раскадровка видео эксперимента, реализующего предлагаемый способ.

Указанное устройство для предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ВЭУ, согласно схеме Фиг. 1, содержит, например:

100 - лопасть ветроэлектрической установки (ВЭУ), содержащая: V - внутренний объём; 15 - перфорированный корпус лопасти, 17 - внешняя поверхность лопасти, 20 - слой продуваемого эластичного супергидрофобного материала, например, фторопластовый нетканый материал (фторполимер), 51 - внешний компрессор, 53 - внешний электромагнитный клапан, 61 - внешний модуль управления. На Фиг. 1 также обозначены: А - внешний поток на лопасть (10) ВЭУ, S - воздушный слой вокруг внешней поверхности (17) лопасти (10) ВЭУ, L - воздушный поток через перфорированный корпус (15) лопасти (10) на ее внешнюю поверхность (17), P - импульсный воздушный поток направленный во внутренний объём (V) лопасти (10).

Детальное описание чертежей

Далее будут рассмотрены особенности реализации заявленного способа, иллюстрируемые приложенным чертежом на Фиг. 1.

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, предложенное устройство для реализации заявленного способа включает в себя следующие элементы и их связи:

внутренний объём (V) лопасти (100) ветроэлектрической установки (ВЭУ) ограничен перфорированным корпусом (15), причем перфорации выполнены как минимум в тех частях лопасти (100) внешняя поверхность (17) которых наиболее подвержена обледенению. Указанные перфорации обеспечивают связь внутреннего объёма (V) лопасти (100) с ее внешней поверхностью (17).

Внутренний объём (V) лопасти (100) также соединен с внешним компрессором (51) и внешним электромагнитным клапаном (53), обеспечивающими подачу импульсного воздушного потока (P) во внутренний объём (V) лопасти (100). Указанные внешние компрессор (51) и электромагнитный клапан (53) соединены с внешним модулем управления (61), сопряженным с контроллером, регулирующим частоту подачи импульсов воздушного потока (P) во внутренний объём (V) лопасти (100).

На внешней поверхности (17) лопасти (100), как минимум на перфорированных частях корпуса (15) закреплен слой продуваемого эластичного супергидрофобного материала (20), например, фторопластовый нетканый материал (фторполимер), являющимся одновременно внешней поверхностью (17) лопасти (100).

Под давлением, создаваемым импульсной подачей воздушного потока (P), направленного во внутренний объём (V) лопасти (100), из указанного внутреннего объёма (V) через перфорированный корпус (15) лопасти (100) и сквозь фторопластовый нетканый материал (20) направлен реактивный воздушный поток (L), направленный на внешнюю поверхность (17).

Указанный воздушный поток (L), направленный на внешнюю поверхность (17), сталкиваясь с внешним потоком (A), направленным на лопасть (100) формирует воздушный слой (S) вокруг внешней поверхности (17) лопасти (100).

Подробное описание осуществления изобретения

Техническое решение вышеуказанного способа предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ВЭУ, предлагаемого в настоящем изобретении, состоит в том, что указанный способ включает в себя следующие этапы: часть корпуса (15) лопасти (100) ВЭУ, как минимум внешняя поверхность (17) которой наиболее подвержена обледенению, выполнена с перфорацией, причем каждое отверстие обеспечивает связь внутреннего объёма (V) лопасти (100) ВЭУ с ее внешней поверхностью (17).

Указанные перфорации со стороны внешней поверхности (17) лопасти (100) ВЭУ закрываются полотном из продуваемого эластичного супергидрофобного материала (20), например, фторопластовым нетканым материалом (фторполимер), образуя таким образом продуваемое эластичное супергидрофобное покрытие на внешней поверхности (17) лопасти (100) ВЭУ. Такое покрытие выполнено с возможностью его замены.

Создаётся избыточное давление во внутреннем объеме (V) лопасти (100), методом импульсной подачи воздуха (P) в указанный внутренний объём (V). Импульсная подача воздуха (P) обеспечивается с помощью внешних компрессора (51) и электромагнитного клапана (53), которые предназначены для создания импульсов с заданной частотой. Период накопления воздуха и длительность его подачи во внутренний объём (V) лопасти (100), задаётся внешним модулем управления (61) соединенным с контролером.

Указанный фторопластовый нетканый материал (20) на внешней поверхности (17) лопасти (100), препятствует закреплению атмосферной влаги и ее намерзанию на указанной внешней поверхности (17) лопасти (100).

А импульсы воздушного потока (P), подаваемого во внутренний объём (V) лопасти (100) ВЭУ, оказывают ударно-волновое воздействие на продуваемое эластичное супергидрофобное покрытие (20) закрепленного на внешней поверхности (17) лопасти (100) ВЭУ, что способствует отталкиванию атмосферной влаги скопившейся на указанной внешней поверхности (17) и разрушению образовавшейся наледи.

Амплитуда импульсов подачи воздуха (P) во внутренний объём (V) лопасти (100), задается автоматически модулем управления (61), исходя из сложившихся метеорологических условий и угрозы обледенения лопасти (100) ВЭУ.

Воздушный поток (L) под давлением, сформированным импульсной подачей воздуха (P) из внутреннего объёма (V) лопасти (100) через указанные перфорации в корпусе (15), обеспечивающие сообщение внутреннего объёма (V) и внешней поверхности (17) лопасти (100) и сквозь фторопластовый нетканый материал (20), попадает на внешнюю поверхность (17) лопасти (100), формируя при этом воздушный слой (S) вокруг лопасти (100) ВЭУ.

Причем, фторопластовый нетканый материал (20), вследствие своей супергидрофобности, обеспечивает воздушный поток (L) на внешнюю поверхность (17) лопасти (100) ВЭУ, с более низким процентом влажности, чем во внешнем набегающем потоке воздуха (A), что также способствует удалению влаги с внешней поверхности (17) лопасти (100), а также обеспечивает равномерное распределение воздушного слоя (S) вокруг лопасти (100) и его устойчивость.

Сформированный выше описанным способом воздушный слой (S) вокруг лопасти (100), препятствует контакту атмосферной влаги (туман, капли дождя, снег, лед и пр.) и её намерзанию на внешней поверхности (17) лопасти (100).

А в случае образования наледи на внешней поверхности (17) лопасти (100), поступающий на указанную поверхность поток воздуха (L), формирует воздушный слой (S) между льдом и фторопластовым нетканым материалом (20), что в совокупности с ударно-волновым воздействием способствует разрушению и удалению наледи с внешней поверхности (17) лопасти (100).

Существует вариант осуществления способа, описанного выше, в котором производится импульсная подача (P) подогретого воздуха во внутренний объём (V) лопасти (100) ВЭУ. В данном варианте осуществляется еще и термическое антиобледенительное воздействие.

Существует вариант осуществления способа, описанного выше, в котором во внутренний объём (V) лопасти (100) производится импульсная подача (P) сжатого воздуха.

Существует вариант осуществления способа, описанного выше, в котором во внутренний объём (V) лопасти (100) производится импульсная подача (P) подготовленной газовой смеси.

Существует вариант осуществления способа, описанного выше, в котором как минимум часть корпуса (15) лопасти (100), как минимум наиболее подверженная обледенению, изготовлена из каркасной сетки с закрепленной на ней фторопластовым нетканым материалом (20) являющимся внешней поверхностью (17) лопасти (100).

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 справиться 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 при 1 минуте в его отсутствии, что увеличивает время образования льда на порядок.

Изобретение относится к энергетике, а именно средствам предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ветроэлектрических установок (ВЭУ). Обеспечивают связь внешней поверхности лопасти с внутренним объемом лопасти. Во внутреннем объёме обеспечивают формирование избыточного давления методом импульсной подачи воздушного потока с помощью внешних компрессора и электромагнитного клапана. Часть корпуса лопасти, которая наиболее подвержена обледенению, выполнена с перфорациями, обеспечивающими формирование воздушного слоя вокруг внешней поверхности лопасти. На указанных перфорированных частях закреплён фторопластовый нетканый материал, препятствующий закреплению атмосферной влаги и ее намерзанию. Частота импульсов, период накопления воздуха и длительность его подачи во внутренний объём лопасти ВЭУ задаётся внешним модулем управления. Техническим результатом является увеличение КПД ветроэлектрической установки за счет улучшения аэродинамических характеристик лопасти. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ предотвращения и борьбы с обледенением лопастей ветроэлектрических установок (ВЭУ), с использованием воздушного слоя (S) вокруг внешней поверхности (17) лопасти (100), препятствующий попаданию атмосферной влаги на указанную внешнюю поверхность (17) и распределенного ударно-волнового воздействия на внешнюю поверхность (17) лопасти (100), отталкивающего атмосферную влагу, а также разрушающего образовавшуюся наледь на внешней поверхности (17) лопасти (100), заключающийся в том, что обеспечивают связь внешней поверхности (17) лопасти (100) с внутренним объемом (V) указанной лопасти (100), во внутреннем объёме (V) обеспечивают формирование избыточного давления методом импульсной подачи воздушного потока (P) с помощью внешних компрессора (51) и электромагнитного клапана (53), отличающийся тем, что корпус (15) лопасти (100), как минимум часть которой наиболее подвержена обледенению, выполнен с перфорациями, обеспечивающими формирование воздушного слоя (S) вокруг внешней поверхности (17) лопасти (100) посредством реактивного движения воздушного потока (L) из внутреннего объёма (V) лопасти (100), причем на указанных перфорированных частях внешней поверхности (17) лопасти (100) закреплён фторопластовый нетканый материал (20), препятствующий закреплению атмосферной влаги и ее намерзанию на внешней поверхности (17) лопасти (100), испытывающий распределенное ударно-волновое воздействие за счет импульсной подачи воздушного потока (P) во внутренний объём (V) лопасти (100), причем частота импульсов, период накопления воздуха и длительность его подачи во внутренний объём (V) лопасти (100) ВЭУ задаётся внешним модулем управления (61), а указанный фторопластовый нетканый материал (20) обеспечивает меньший процент влажности воздуха в воздушном слое (S) вокруг внешней поверхности (17) лопасти (100), чем в набегающем потоке воздуха (A).

2. Способ по п. 1, в котором подаваемый поток воздуха (P) во внутренний объём (V) предварительно нагревается.

3. Способ по п. 1, в котором на внешнюю поверхность (17) лопасти (100) ВЭУ подается сжатый воздух.