Ветровая энергетическая установка и опора

Ветровая энергетическая установка и опора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области энергетики, а более точно касается ветровых энергетических установок, производящих электрическую энергию за счет использования силы потока воздуха.

Известно ветроэнергетическое устройство (патент РФ №2226621, МКИ F03D 1/00, опубл. 2004), содержащее лопастное ветроколесо и генератор электрической энергии, функционально связанный с лопастями и электропотребителем.

Известна лопасть ветроколеса, содержащая корпус, имеющий аэродинамическую форму (патент РФ №2046998, МКИ F03D 1/00, опубл. 1995).

Известна ветроэлектрическая установка (патент РФ №2076946, МКИ F03D 1/00, опубл. 1997), содержащая башню, имеющую флюгерный стабилизатор и корпус, внутри которого размещено, по меньшей мере, одно ветроколесо, жестко соединенное с ротором электрогенератора. Перед конфузором корпуса расположен вихреконцентратор с возможностью вращения, причем расположенный так, что образуемый им вихрь частично отсекается ротором конфузора. При уменьшении скорости ветра одновременно с увеличением угла атаки, вихреконцентратор разворачивается так, что создаваемый им вихрь приближается к центру входного отверстия конфузора, что приводит к компенсации уменьшения скорости ветра и к поддержанию скорости вращения ветроколес и роторов в прежнем режиме.

Известна ветровая энергетическая установка (патент РФ №2078990, МКИ F03D 1/00, опубл. 1997), содержащая вертикальную опору, на которой закреплена многолопастная быстроходная ветротурбина, закрепленная на трубчатой консоли, редуктор, вал отбора мощности, установленный в консоли и связывающий ступицу турбины с редуктором, электрогенератор. Быстроходность ветротурбины достигается за счет того, что ее профилированные лопатки размещены на периферии ометаемой поверхности между профилированными бандажными кольцами, соединенными со ступицей турбины профилированными лонжеронами. Для увеличения скорости потока бандажные кольца спрофилированы и совместно с лопатками образуют сопловой аппарат.

Известно, что наибольшая мощность, которую может отобрать свободно вращающийся винт (далее по тексту «ветроколесо» (по «открытому» типу)) от мощности набегающего потока в сформированной ветроколесом струе, будет при снижении скорости потока перед ветроколесом на 1/3 и еще на 1/3 за ветроколесом. Наибольшая мощность N_max и сила сопротивления (упора) ветроколеса F, соответствующего этой мощности будут равны

N_max=ρ·f·v³8/27, F=ρ·f·v² 4/9,

где ρ=0,125 кг(с)·с²/м⁴ - средняя величина плотности воздуха на уровне земли;

f (м²) - величина площади сечения, ометаемого винтом;

V (м/с) - скорость набегающего потока вне зоны воздействия ветроколеса на поток.

Полная мощность потока N_п, ограниченного цилиндром с площадью поперечного сечения f, будет равна

N_п=m·V²/2=ρ·f·v³/2,

где m=ρ·f·v - секундная масса воздуха, проходящая через сечение f.

Поэтому максимально возможная мощность от полной мощности составляет N_п величину N_max /N_п=16/27=0,5928. Это есть т.н. идеальная максимально возможная мощность ветроколеса с КПД п=1, когда не учитываются дополнительные потери энергии, возникающие на границе струи в зоне активного воздействия ветроколеса на струю за счет ничем не стесненного перетекания воздуха повышенного давления перед ветроколесом в зону пониженного давления за ним, минуя плоскость вращения ветроколеса.

Если оценить с учетом отмеченного КПД ветроколеса, n≤0,7, то реальная максимально возможная механическая мощность N_м, снимаемая с ветроколеса от полной мощности потока N_п составит еще более низкую величину: N_м /N_п=N_maxn/N_п n≤0,7·16/27=0,415.

Поэтому свободно вращающееся ветроколесо может преобразовать в механическую энергию меньше половины энергии, заключенной в струе потока сечения f.

Для получения требуемого уровня энергии и механической мощности в ветроэнергетической установке «открытого» типа достигается за счет увеличения ометаемой ветроколесом площади f, т.е. увеличением диаметра ветроколеса до 30 м и более и поднятием ветроколеса на значительную высоту до 60 м и более, где скорость набегающего потока несколько больше, чем у земли.

Известные ветроэнергетические установки имеют большие размеры ветрового колеса и лопастей, вследствие того, что экономическая целесообразность использования таких установок определяется энергетической мощностью этих установок, которая возрастает и достигает эффективности с увеличением ометаемой лопастями ветроколеса площади. Увеличение диаметра ветроколеса приводит к непропорционально большому увеличению массы ветровой энергетической установки, ее парусности, усложнению конструкции и увеличению стоимости изготовления, монтажа и прочих эксплуатационных расходов.

Кроме того, известные ветроэнергетические установки изготавливаются из традиционных металлоемких материалов, поэтому тяжелые, трудно монтируемые практически не демонтируемые и, фактически, в силу этого, стационарные.

Задача предлагаемого изобретения - повышение до предельно возможного уровня эффективности работы и возможностей использования ветровых энергетических установок, уменьшение затрат на изготовление, монтаж и эксплуатацию за счет упрощения конструкции, снижения материалоемкости, уменьшения строительной высоты, а также создание компактной переносной (передвижной) автономной ветровой энергетической установки, легко монтируемой и демонтируемой, удобной в эксплуатации, и обеспечивающей выработку электроэнергии при малых скоростях ветра.

Техническим результатом является увеличение энергетической мощности с единицы ометаемой лопастями (далее по тексту - лопатками) ветроколеса площади путем ускорения вращения ветроколеса.

Другим техническим результатом является увеличение выработки среднегодовой энергии.

Другим техническим результатом является радиопрозрачность установки и снижение электронных и радиопомех за счет применения композиционных и комбинированных материалов.

Другим техническим результатом является снижение шумности ветровой энергетической установки за счет поглощения акустических колебаний от возмущений воздушного потока при взаимодействии с лопастями ветроколеса и пилонами диффузора из композиционных и комбинированных материалов.

Еще одним техническим результатом является повышение ресурса (надежности) за счет применения композиционных материалов на основе органо, стекло, углепластиков и их комбинаций для снижения веса установки и нагрузок на опоры.

Указанная задача решается тем, что ветровая энергетическая установка, содержащая ветроэлектрическое устройство, установленное на опоре с возможностью поворота и включающее корпус, ветроколесо, и электрогенератор, снабженный кожухом, установленные внутри корпуса, содержит ветроколесо, имеющее по меньшей мере одну лопатку, при этом лопатка имеет аэродинамический профиль, корпус выполнен в виде аэродинамически профилированного диффузора, самоориентирующегося по направлению воздушного потока и имеющего профиль, как показано на фиг.3, а в его передней части, направленной к входному воздушному потоку, размещено ветроколесо, при этом диффузор и лопатки выполнены из композиционных материалов на основе органопластиков и/или стеклопластиков и/или углепластиков.

Целесообразно, чтобы лопатка ветроколеса имела аэродинамический профиль с изменяющимися углами закрутки лопатки по ее длине, причем угол закрутки плавно менялся от 62° до 22°.

Целесообразно также, чтобы узел поворота был выполнен в виде стержня, жестко соединенного одним концом с ветроколесом, а другим - с подшипником скольжения, расположенным на оси центра тяжести установки.

Целесообразно также, чтобы установка содержала силовое кольцо для повышения жесткости всей установки, которое располагается преимущественно в сечении центра тяжести установки и минимального диаметра корпуса.

Целесообразно, чтобы кожух электрогенератора содержал кок и обтекатель, обеспечивающие течение воздушного потока, близкое к ламинарному, и выполненные из композиционного материала на основе стекло или углепластика.

Отношение площадей сечений на входе и выходе диффузора может составлять от 0,3 до 0,5.

Указанная задача решается также тем, что опора выполнена секционной и сборно-разборной, при этом в сборке секции соединены между собой фланцевым соединением и фиксированы в вертикальном положении посредством растяжек, а основание опоры шарнирно соединено с опорной плитой.

Целесообразно, чтобы секция имела трубчатую конструкцию в виде трехслойной трубы, наружный и внутренний слои которой выполнены из композиционного материала, а полость между ними заполнена слоем наполнителя, при этом наружный и внутренний слои выполнены из стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим, а в качестве наполнителя применены пенопластовые полукольца.

Предлагаемое изобретение поясняется описанием его выполнения и чертежами, на которых: фиг.1 - изображает общий вид ветровой энергетической установки согласно изобретению, фиг.2 - график значений угла закрутки лопатки ветроколеса по ее длине, согласно изобретению, фиг.3 - профиль диффузора той же ветровой энергетической установки, согласно изобретению, фиг.4 - внешний вид диффузора с ветроколесом, фиг.5 - внешний вид сегмента диффузора при изготовлении, фиг.6а - мачта для установки ветроэлектрического устройства, фиг.6б - увеличенный фрагмент А-Б мачты, фиг.7 - схема монтажа ветровой энергетической установки согласно изобретению, фиг.8 - график зависимости энергетической мощности ветровой энергетической установки согласно изобретению и известного «открытого» ветроколеса, фиг.9 - график зависимости количества выработанной электроэнергии ветровой энергетической установкой, согласно изобретению, и известного «открытого» ветроколеса от среднегодовой скорости.

Ветровая энергетическая установка 1 содержит (фиг.1) силовое кольцо 2, которое установлено на опоре - мачте 3, с возможностью поворота, которое обеспечивается поворотным устройством 4. На силовом кольце 2 установлен диффузор 5. Внутри силового кольца 2 установлен пилон 8, на котором закреплен электрогенератор 9. Электрический генератор 9 обратной схемы. Корпус 10 электрогенератора, содержащий постоянные магниты, вращается (ротор), а вал 11 с электронной обмоткой и проводами неподвижен (статор). Внутреннее устройство (обмотки, магниты и др.) электрогенератора 9 и пазы на корпусе 10 на чертежах не показаны. На корпусе 10 выполнены пазы, в которые установлены лопатки 12. На передний торец корпуса 10 электрогенератора 9 устанавливается кок 13. К пилону 8 присоединяется обтекатель 14.

Лопатки 12, установленные в пазы на корпусе 10 электрогенератора 9, образуют ветроколесо 15. Ветровая энергетическая установка 1 также содержит преобразователь электрической энергии, распределительное и защитное электронные устройства, блок электронного управления, накопители электрической энергии (аккумуляторы), линию электропередачи потребителю электроэнергии, которые на чертежах не показаны. Мачта 3 соединена шарниром с опорной плитой 16. Мачта 3 сборная и состоит из отдельных секций мачты 17. Мачта 3 поддерживается и фиксируется в вертикальном положении тросовыми растяжками 18. Растяжки фиксируются на земле костылями 19.

Ветроколесо 15 имеет по меньшей мере одну лопатку, при этом лопатка имеет аэродинамический профиль. Целесообразно, чтобы лопатка ветроколеса имела аэродинамический профиль с изменяющимися углами закрутки по длине (фиг.2). Угол закрутки лопатки 12 ветроколеса 15 плавно меняется от начала лопатки до ее конца по длине, составляющей 0.5 м, от 62° до 22°. Ветроколесо 15 может иметь различное число лопаток. На чертежах показано ветроколесо с тремя лопатками.

Диффузор 5 выполнен в виде аэродинамически профилированного канала (фиг.3), самоориентирующегося по направлению воздушного потока. Передняя часть 20 диффузора имеет форму, близкую к цилиндру, и внутри нее размещено ветроколесо 15, а задняя часть 21 имеет форму конусообразного сопла (диффузорного типа), сопрягающегося с основанием цилиндра своим основанием меньшего диаметра, при этом другое основание цилиндра направлено к входному воздушному потоку V, а основание конусообразного сопла большего диаметра является выходным. Отношение площадей сечений на входе и выходе диффузора может составлять от 0,3 до 0,5. Диффузор 5 согласно изобретению при изготовлении выполнен отдельными сегментами 6, с внутренней структурой типа «сэндвич» из композиционных материалов на основе стеклопластика и пенопластовых внутренних закладных элементов, для обеспечения его продольной и поперечной жесткости. Кроме того, целесообразно, чтобы конструкция диффузора содержала бы бандажные стяжки 7, например, из органоленты, для повышения жесткости диффузора, которые располагались бы по двум и более различным сечениям перпендикулярно оси диффузора.

Лопатки 12 изготавливают из двух половинок, отпрессованных отдельно, пространство между которыми заполняют пенопластом. Лопатки 12 изготавливают из композиционного материала, например стеклопластика, методом выкладки и прессованием в соответствующей пресс-форме методом горячего прессования. В пресс-форме выкладывают половинку лопатки из раскроенной углеткани (стеклоткани), углеленты и пропитанной эпоксидным связующим жидкой консистенции, прессуют, затем в сборочной пресс-форме объединяют две половинки лопаток, закладывают заранее отпрессованный хвостовик лопатки типа «ласточкин хвост», «бульбовидный», «Т-образный», а внутренний объем заполняют пенопластом. Половинки лопатки склеивают эпоксидным связующим, подпрессовывают и отверждают. После отверждения производят механическую обработку соединительного шва по кромке половинок лопатки 12 и производят доработку хвостовика под соответствующий паз на корпусе 10 генератора 9, удаляя облой.

Диффузор 5 при изготовлении формируют из отдельных сегментов 6 (фиг.5), которые объединяют бандажными лентами-стяжками 7 (фиг.4). Сегменты 6 изготавливают из композиционного материала, например стеклопластика, методом выкладки и прессованием, в заранее изготовленной пресс-форме при помощи вакуумных мешков. Сегменты диффузора 6 образованы структурой типа «сэндвич». Диффузор 5 собирают из отдельных готовых сегментов 6, которые размещают по окружности на силовом кольце 2, соединяют и укрепляют бандажными лентами-стяжками 7 на основе полимерного материала, например капрона.

Поворотное устройство 4 ветроэлектрического устройства выполнено в виде стержня жестко соединенного одним концом с ветроколесом 15, а другим - с подшипником скольжения, и расположено в сечении центра тяжести установки. Токосъемники (на чертежах не показаны) расположены в поворотном устройстве.

Ветровая электрическая установка содержит силовое кольцо 2 для повышения жесткости всей установки, которое располагается преимущественно в сечении центра тяжести установки и минимального диаметра диффузора 5.

Силовое кольцо 2 является основным несущим элементом, воспринимающим на себя суммарные нагрузки от всех деталей. Кольцо 2 является коробчатой конструкцией, выполненной из композиционных материалов путем выкладки и намотки. В пазу намоточного приспособления выкладывают внутреннюю стенку из предварительно раскроенной стеклоткани, углеткани или углеленты и пропитанной эпоксидным связующим жидкой консистенции, затем внутренний объем заполняют пенопластом, предварительно нанеся соединительный слой эпоксидного связующего, затем наматывают с викелевкой внешнюю стенку и отверждают сборную конструкцию. После прессования производят механическую обработку соединительного шва и сверление двух отверстий по диаметру под крепеж пилона 8.

Электрогенератор 9, снабжен кожухом, содержащим кок 13 и обтекатель 14, обеспечивающим течение воздушного потока близким к ламинарному, для снижения аэродинамических потерь. Кок 13 и обтекатель 14 изготавливают в собственных пресс-формах путем выкладки поверхности из раскроенной стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим жидкой консистенции и дальнейшем прессовании пресс-пакета вакуумным мешком и дальнейшем отверждением.

Опору-мачту 3, содержащую секции 17, соединяют шарниром 22 с опорной плитой 16, фиксируют вертикально посредством растяжек 18, костылей 19. Мачта может содержать, например, четыре секции 17. Каждая секция 17 представляет собой (фиг.6а и фиг.6б) трубчатую конструкцию с фланцевым соединением 23 этих секций. Основу составной трубчатой конструкции составляет трехслойная труба 24 из стекло- или углепластика с пенопластовым заполнителем, обеспечивающего жесткость и прочность конструкции. Внутренняя полость между внутренним и наружным слоями (стенками трубы 24) заполнена пенопластовыми полукольцами 25. Труба 24 может быть длиной 800 мм и диаметром 110 мм. Изготовляют ее следующим образом. Сначала изготавливают внутреннюю стенку трубы намоткой стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Затем на эту стенку по всей длине одевают пенопластовые полукольца 25 и поверх них, также намоткой стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим, наматывают с викелевкой внешнюю стенку трубы.

Относительно небольшой вес узлов и агрегатов ВЭУ позволяет проводить ее монтаж в полевых условиях без применения специальных грузоподъемных механизмов. Сборка и монтаж ВЭУ производится в следующем порядке (фиг.7).

Подготовительные операции.

На ровном участке площадью около 30 м и радиусом окружности 3 м устанавливают опорную плиту 16 горизонтально по уровню и крепят ее путем вбивания в грунт четырех стальных костылей 17. Затем на расстоянии 4-5 м от плиты производят сборку ветровой энергетической установки согласно изобретению.

Сначала собирают ветроэнергетическое устройство 1 (по инструкции). Затем к опорной плите 16 с помощью вставляемого в проушины ответных фланцев пальца 26 крепится в горизонтальном положении первая секция 17 мачты 3, к которой с предварительным пропусканием внутри секций 17 мачты 3 электрокабеля и тросика тормоза (на чертежах не показан) крепят последующие секции 17 посредством фланцевого соединения 23 до полной высоты мачты. В верхней последней секции 17 монтируется поворотное устройство 4 для поворота диффузора 5, в проушины которого устанавливаются верхние концы растяжек 18 с открученными до упора винтовыми парами 27.

Далее, для обеспечения соосности стойки 28 опорной плиты 16, мачты 3 под диффузор 5 подкладываются необходимой толщины деревянные кружки 28, после чего к нижней части поворотного устройства 4 крепится мачта 3 ветроэнергетического устройства 1 фланцевым соединением 23.

Подъем рекомендуется производить в относительно тихую погоду против ветра. Перед подъемом удлиняют растяжки 18 веревками и устанавливают под них шест 29 и треногу 30. В процессе подъема (т.е. ее перехода из начального положения I в промежуточное II) нижний торец мачты 3 вращается вокруг вставленного в проушины ответного фланца опорной плиты пальца 26. Когда угол наклона к земле достигает 60 градусов (положение II), придерживая оставшуюся свободной третью растяжку 18 и страхуя ею дальнейший подъем до вертикального положения (положение III), совмещают фланец 23. Далее, растяжки 18 разводятся в стороны от предварительно вбитых в грунт костылей 19, к которым они закреплены нижними концами, и натягиваются при помощи винтовых пар 27. Завершается монтаж подсоединением концов электрокабеля к розетке штепсельного разъема преобразователя. Демонтаж и разборку проводят в обратной сборке последовательности.

Ветровая энергетическая установка работает следующим образом.

Установка является самоориентируемой навстречу набегающему потоку воздуха за счет формы диффузора без применения дополнительных устройств, такого как выносной плоский флюгер (wind vane). При скорости ветра около 3 м/с происходит самозапуск ветроколеса 15. Вращение ветроколеса 15 приводит в движение корпус 10 электрогенератора 9, который вырабатывает электрический ток. При взаимодействии воздушного потока с наружной поверхностью диффузора 5 через поворотное устройство 3 происходит его самоориентирование прямо против ветра. Полученная электрическая энергия от электрогенератора 9 через токосъемники 31 по электрокабелю направляется в распределительное и защитное устройства преобразователя, накапливается в аккумуляторах электроэнергии или направляется непосредственно потребителю через линию электропередачи.

Используемый поток воздуха принудительно формируется диффузором, подобно аэродинамической трубе. При этом скорость набегающего на лопатки ветроколеса, установленного в узком сечении диффузора, потока многократно увеличивается по сравнению со скоростью потока на входе в диффузор. Применение диффузора 5 согласно изобретению увеличивает окружную скорость вращения ветроколеса 15 на 25-30% и позволяет выходить на рабочие обороты при скорости ветра 3.5-4 м/с.

Изучалась зависимость энергетической мощности ветровой энергетической установки согласно изобретению и известного «открытого» ветроколеса. Результаты экспериментов в обобщенном виде представлены на фиг.8. Как видно из фиг.8, энергетическая мощность «открытого» ветроколеса с диаметром 1 м (кривая 1) проходит много ниже кривой 2, отражающей энергетическую мощность ветровой энергетической установки согласно изобретению того же диаметра. Так, при постоянной частоте вращения n=1000 об/мин энергетическая мощность «открытого» ветроколеса составляет 0,21 кВт, а энергетической установки согласно изобретению 1 кВт, что в 4,5 раза выше и делает использование такой установки эффективным.

Изучалась зависимость количества выработанной электроэнергии ветровой энергетической установкой согласно изобретению и известного «открытого» ветроколеса от среднегодовой скорости ветра (фиг.8) Как видно из фиг.8, кривая 1, характеризующая вырабатываемую в год электроэнергию ветровой энергетической установки, согласно изобретению проходит много выше кривой 2, характеризующей известное «открытое» ветроколесо. Как видно из фиг.9, ветровая энергетическая установка согласно изобретению при скорости ветра 4 м/с может выработать 6,2 МВт, а известная только 0,3 МВт.

Ветровая энергетическая установка может применяться для автономного снабжения электроэнергией бытовых приборов и зарядки аккумуляторов метеостанций, радиоузлов жилищ скотоводов, альпинистских лагерей, хуторов и т.д., т.е. там, где подключение к существующим линиям электропередач либо экономически нецелесообразно, либо технически невозможно. Может быть установлено несколько ветровых энергетических установок согласно изобретению электрогенераторы этих установок могут быть соединены последовательно между собой, что позволяет наращивать производимую мощность.

1. Ветровая энергетическая установка, содержащая ветроэлектрическое устройство, установленное на опоре с возможностью поворота и включающее корпус, ветроколесо, и электрогенератор, снабженный кожухом, установленные внутри корпуса, отличающаяся тем, что ветроэлектрическое устройство содержит ветроколесо, имеющее, по меньшей мере, одну лопатку, при этом лопатка имеет аэродинамический профиль, корпус выполнен в виде аэродинамически профилированного диффузора, самоориентирующегося по направлению воздушного потока и имеющего профиль, как показано на фиг.3, а в его передней части, направленной к входному воздушному потоку, размещено ветроколесо, при этом диффузор и лопатки выполнены из композиционных материалов на основе органопластиков, и/или стеклопластиков, и/или углепластиков.

2. Ветровая энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что лопатка ветроколеса имеет аэродинамический профиль с изменяющимися углами закрутки лопатки по ее длине, причем угол закрутки плавно меняется от 62 до 22°.

3. Ветровая энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что узел поворота выполнен в виде стержня, жестко соединенного одним концом с ветроколесом, а другим - с подшипником скольжения, расположенным на оси центра тяжести установки.

4. Ветровая энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит силовое кольцо для повышения жесткости всей установки, которое располагается преимущественно в сечении центра тяжести установки и минимального диаметра корпуса.

5. Ветровая энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что кожух электрогенератора содержит кок и обтекатель, обеспечивающие течение воздушного потока, близкое к ламинарному, и выполненные из композиционного материала на основе стекла или углепластика.

6. Ветровая энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что отношение площадей сечений на входе и выходе диффузора составляет от 0,3 до 0,5.

7. Опора для ветровой энергетической установки по п.1, отличающаяся тем, что опора выполнена секционной и сборно-разборной, при этом в сборке секции соединены между собой фланцевым соединением и фиксированы в вертикальном положении посредством растяжек, а основание опоры шарнирно соединено с опорной плитой.

8. Опора по п.7, отличающаяся тем, что секция имеет трубчатую конструкцию в виде трехслойной трубы, наружный и внутренний слои которой выполнены из композиционного материала, а полость между ними заполнена слоем наполнителя, при этом наружный и внутренний слои выполнены из стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим, а в качестве наполнителя применены пенопластовые полукольца.