Ветроэнергетическая установка

(51)03 1/02, 7/02 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Лаврентьев Николай Алексеевич(72) Авторы Лаврентьев Николай Алексеевич Макоско Юрий Валерьевич Метелица Александр Владимирович Лаврентьева Юлия Николаевна(73) Патентообладатель Лаврентьев Николай Алексеевич(57) Ветроэнергетическая установка, содержащая установленные горизонтально соосные лопастной ветроротор и ветроколесо с крыльчатыми лопастями, закрепленное на ступице,соединенной валом через редуктор-мультипликатор с ротором электрогенератора, кожух которого закреплен через подшипниковый узел на опоре, отличающаяся тем, что лопастной ветроротор выполнен объемным и установлен оппозитно ветроколесу с наветренной стороны от опоры, причем лопасти объемного ветроротора закреплены на ступице под углом к соединенному с ней и установленному горизонтально валу, связанному с контрротором электрогенератора на внешних концах наклонных лопастей объемного ветроротора установлены геликоидальные интерцепторы, образующие объемную конусоиду вращения, причем периметр, ометаемый геликоидальными интерцепторами объемного лопастного ветроротора, превышает периметр, ометаемый ветроколесом. 9025 1 2007.04.30 Изобретение относится к механике в области конструирования ветроэнергетических установок и может быть использовано в различных областях хозяйственной деятельности. Основу современной ветроэнергетики составляют ветроэнергетические установки с лопастями крыльчатого типа. Существенным недостатком ограничивающим возможности использования крыльчатых ВЭУ является их небольшая производительность в регионах с ярко выраженным континентальным климатом, характеризующимся невысокими скоростями ветра. Эти недостатки характеризуются низким крутящим моментом ветроколеса из-за малой движущей силы лопастей при скоростях ветра 3-6 мс и малой суточной продолжительностью работы не более 5-8 часов, что снижает выработку энергии. Относительно высокая окружная скорость вращения ветроколеса на периметре, превышающая в несколько раз скорость ветра, создает дискомфортные звуковые колебания, повышенную экологическую и эксплуатационную опасности, которые снижают жизненный цикл службы ветроустановки. Известно устройство управления отбором мощности ветрового потока, ометаемого ветроколесом ветроэнергетической установки в зависимости от скорости набегающего ветрового потока путем изменения парусности лопасти и частоты вращения ветроколеса 1. Это устройство, предназначенное для оптимизации частоты переменного электрического тока на электрогенераторе, только частично устраняет вышеуказанные недостатки ветроустановки путем снижения выработки электроэнергии, обеспечивая при этом постоянство подъемной силы на каждой крыльчатой лопасти ветроколеса за счет исключения из преобразования в энергию наиболее эффективной части ветрового потока с наивысшей скоростью ветра. Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа ветроэнергетической установки, является устройство управления отбором мощности ветрового потока крыльчатым ветроколесом, включающего установку с ветроколесом на одном приводном валу в непосредственной близости ветроротор, формирующий за крыльчатым ветроколесом индуктивный турбулентный поток в укороченный следовый шлейф в виде периметрического индуктивного геликоидального вихря 2. Достоинство известного объекта в возможности размещения на отпущенном под строительство ветроэнергетической станции увеличить, по сравнению с принятыми нормативами, количество ветроустановок при сохранении ими предписанной для крыльчатых ветроколес величины коэффициента использования энергии ветрового потока. Недостатки устройства по прототипу проявляются в повышении уровня шума, снижении суммарного коэффициента полезного действия ветроустановки за счет дополнительных механических связей с ветроротором и увеличенных экономических потерь на усложнение ветроустановки и дополнительные эксплуатационные расходы. В основу изобретения положены задачи при сохранении положительных качеств прототипа обеспечить повышение коэффициента использования энергии ветрового потока,ометаемого ветроротором и крыльчатым ветроколесом, а также повышение общего коэффициента полезного действия за счет снижения механических передач ветроэнергетической установки в целом. Достигается это следующим образом. Ветроэнергетическая установка, содержащая установленные горизонтально соосные лопастной ветроротор и ветроколесо с крыльчатыми лопастями, закрепленное на ступице,соединенной валом через редуктор-мультипликатор с ротором электрогенератора, кожух которого закреплен через подшипниковый узел на опоре. Причем лопастной ветроротор выполнен объемным и установлен оппозитно к ветроколесу с наветренной стороны от опоры. Лопасти объемного ветроротора закреплены на ступице под углом к соединенному с ней и установленному горизонтально валу, связанному с контрротором электрогенератора. На внешних концах наклонных лопастей объемного ветроротора установлены геликоидальные интерцепторы, образующие объемную конусоиду вращения, ометаемую объем 2 9025 1 2007.04.30 ным ветроротором. Периметр, ометаемый геликоидальными интерцепторами объемного лопастного ветроротора превышает периметр, ометаемый ветроколесом. На фиг. 1 представлен общий вид ветроэнергетической установки (вид сбоку) фиг. 2 - общий ветроэнергетической установки (вид прямо) фиг. З - диаграмма сил и скоростей на профилях лопастей объемного ветроротора фиг. 4 - структурная схема управления ветроэнергетической установкой фиг. 5 - характер движения воздушных потоков и струй в зоне работы лопасти объемного ветроротора фиг. 6 - диаграмма зональной зависимости давления воздушных масс от скорости ветрового потока в условиях работы ветроэнергетической установки по прототипу фиг. 7 - диаграмма зональной зависимости давления воздушных масс от скорости ветрового потока в условиях работы ветроэнергетической установки по заявляемому объекту фиг. 8 - диаграмма энергетических характеристик ветроэнергетических установок по прототипу и заявляемому объекту. Ветроэнергетическая установка состоит из установленных горизонтально соосных лопастного ветроротора 1 и ветроколеса 2 с крыльчатыми лопастями 3, закрепленными на ступице 4, соединенной валом 5 через редуктор-мультипликатор 6 с ротором 7 электрогенератора 8, кожух 9 которого закреплен через подшипниковый узел 10 на опоре 11. Лопастной ветроротор 1 выполнен объемным ветроротором 12 и установлен оппозитно к ветроколесу 2 с наветренной стороны от опоры 11. Лопасти 13 объемного ветроротора 12 закреплены на ступице 14 под углом к соединенному с ней и установленному горизонтально валу 15, связанному с контрротором 16 электрогенератора 8. На внешних концах наклонных лопастей 13 объемного ветроротора установлены геликоидальные интерцепторы 17,образующие объемную конусоиду вращения 18, ометаемую объемным ветроротором 12. Периметр, ометаемый геликоидальными интерцепторами 17 объемного лопастного ветроротора 12, превышает периметр, ометаемый ветроколесом 2. Геликоидальные интерцепторы 17 выполнены с желобами 19, обращенными к лопастям 13, причем лопасти 13 выполнены переменного профиля (фиг. 5). В верхней части крыльчатой лопасти 13 по длине крыла крутка от позиции а) к б) и в). В позиции г) профиль крыльчатой лопасти 13 - овальный с уменьшением сопротивления в центровой части ветрового потока, ометаемой в зоне крепления крыльчатых лопастей 13 к ступице 14. Следует иметь в виду, что профили и крутка лопастей 3 аналогичны профилям а), б), в) лопастей 13. Лопасти 3 и 13 связаны соответственно со ступицами 4 и 14 через исполнительные механизмы 20 и 21, соединенные через блоки управления 22 и 23 с аналитическим блоком 24 и датчиком скорости ветра 25. Кроме того, аналитический блок 24 подключен к датчикам нагрузки 26 и частоты тока 27. Работает ветроэнергетическая установка следующим образом. Ветровой поток В воздействует на крыльчатые лопасти 3 крыльчатого ветроколеса 2. При этом на крыльчатых лопастях 3 возникает подъемная сила, которая суммируется в окружную силу Ру крыльчатого ветроколеса 2 РуГ,где- количество крыльчатых лопастей, шт- плотность воздуха, гсм 3 Г - циркуляция- скорость ветра, мс- длина крыльчатой лопасти, м. Чем выше скоростьветрового потока В, тем выше окружная скорость Ру крыльчатого ветроколеса 2 и соответственно крутящий момент М 1 на приводном валу 5 к редукторумультипликатору 6 и электрогенератору 8. Для оптимизации частоты электрического электрогенератора 8 (50 Гц) обеспечивается корректировка скорости вращения ротора 7 3 9025 1 2007.04.30 путем замедления или ускорения скорости вращения крыльчатого ветроколеса 2. За счет создания тормозных эффектов при развороте крыльчатых лопастей 3 исполнительными механизмами 20, установленными в ступице 4. При этом информационные сигналы к блоку управления 22 о регулировании скорости вращения крыльчатого ветроколеса 2 поступают от аналитического блока 24, перерабатывающего информацию о фактической частоте переменного электрогенератора 8 от датчика 26, а о скорости ветра от датчика 25,и о нагрузке в сети потребителя электроэнергии от датчика силы тока 27. Аналитический блок 24, кроме того, обеспечивает выработку информационных сигналов по регулированию скорости вращения объемного ветроротора 12 в зависимости от скорости ветрапо датчику 25. Эта информация поступает в блок управления 23, который формирует сигнал на изменение угла установки лопастей 13 к направлению ветрового потока В исполнительными механизмами 21 в ступице 14, что обеспечивает регулирование скорости вращения объемного ветроротора 12, крутящего момента контрротора 16 и соответственно изменение энергетических характеристик электрогенератора 8. В общем виде Ср для ветроколеса представляет собой зависимость Ср 1 2( , , Су, Сх, ) 3, стр.160, где, из теории элементарных струй 3, стр.123-129 1 и 2 - функция быстроходности в сечениии движущего момента/ - безразмерный радиус сечения- радиус оцениваемого сечения ветрового потока- радиус ометаемой ветроколесом площади (радиус ветроколеса)/ - быстроходность ветроколеса- угловая скорость вращения ветроколесаскорость набегающего на ветроколесо ветрового потока (скорость ветра)- угол атаки и соответствующие ему коэффициенты подъемной силы Су (окружной силы на ветроколесе) и силы лобового сопротивления профиля крыльчатой лопасти Сх/2 - коэффициент заполнения ветроколеса- проекция лобовой к ветровому потоку площади сечения крыльчатой лопасти- количество лопастей. Теоретический предел, который может достигнуть ветроэнергетическая установка по прототипу, измеряемая коэффициентом использования мощности ветрового потока Срмах 16270,59 3, стр.160. Для крыльчатых ветроколес с горизонтальной осью вращения Ср реализуется при больших значениях, т.е. при больших скоростях ветра и малом количестве лопастей (13). Многолопастные ( больше 3) и тихоходные ветроколеса,предназначенные для слабоветренных условий работы, имеют значение Ср 0,250,3. На фиг. 6 по диаграмме работы (прототип) для крыльчатого ветроколеса представлено изменение давления -0 воздушных масс в зависимости от скорости течения ветровых потоков В и индуктивных потоков Б в окрестностях плоского крыльчатого ветрколеса с соосным за ним плоским лопастным ветроротором. Скоростьтечения воздушных масс изменяется плавно от 0 к 1, что влияет на величину кинетической энергии потока, оцениваемого выражением 2/2 где- массовоздушный расход 001 122,0, 1, 2 - площади соответствующих сечений на диаграмме, фиг. 6. Энергия невозмущенного потока воздуха, проходящего через ометаемую ветроколесом поверхность 2 равна 0032/2. 9025 1 2007.04.30 Изменением расстояния по оси между крыльчатым ветроколесом 1 и лопастным ветроротором 2, формируя короткий геликоидальный шлейф в индуктивном ветровом потоке Б, можно сохранить величину 0, но увеличить нельзя по причине неизменностипри стабильных 0 и . Ветровой поток по заявляемому объекту, воздействующий на объемный ветроротор 12(фиг. 7), отличается от ветрового потока В, воздействующего на крыльчатое ветроколесо 2,так как складывается из трех компонентов во-первых, из разреженного турбулизованного слоя К к центру от ветроколеса 2 в центральной зоне индуктивного шлейфа Т крыльчатых лопастей 3, сформированного в результате закрытости ступицей 4, кожухом 9 и, частично,вершиной опоры 11 во-вторых, из краевого турбулентного завихренного потока Т шлейфа Ю к периметру ометаемой ветроколесом 1 площади ветрового потока В в-третьих, из свободного ветрового потока В воздействующего на кольцевую ометаемую геликоидальными интерцепторами 17 объемным ветроротором 12, ограниченную наружной поверхностью шлейфа Ю. Турбулентный поток Ю по наружной поверхности уплотнен хаотичными вихрямив результате схода присоединенных вихрей П с крыльчатых лопастей 3 под воздействием центробежных сил, вращающегося крыльчатого ветроколеса 2 и циркуляции Г. Разрежение К в профиле г) крыльчатых лопастей 13 сохраняется в шлейфе Ю и за объемным ветроротором 12, но аэродинамика формы профиля г) препятствует возникновению хаотичных вихрей (т.е. турбулентности) по центру шлейфа за пределами объемного ветроротора 12, частично восстанавливая ламинарность воздушного потока и предупреждая чрезмерное удлинение шлейфа Ю. Это крайне важно при групповой работе нескольких ветроэнергетических установок в составе ветроэлектрической станции. Присоединенные вихри П в зоне схода с концов лопастей 3 крыльчатого ветроколеса 2 складываются со струями кольцевого набегающего ветрового потока В, образуя уплотненный слой у с повышенным давлением, который, воздействуя на профиль в) лопасти 13 обеспечивает приращение М 2 к крутящему моменту 3, образуемому лопастями 13 на ступице 14 объемного ветроротора 12. Суммарный крутящий момент М 0 М 2 М 3 на валу 15 объемного ветроротора 12 обеспечивает вращение магнитного поля контрротора 16 вокруг ротора 7 электрогенератора 8, выдавая ток в сеть с заданной частотой. В случае превышения предельно допустимых значений скорости ветрасверх допустимых характеристик электрогенератора 8 осуществляется подтормаживание ротора 7 и контрротора 16 дозированным поворотом лопастей 3 и 13 исполнительными механизмами 20 и 21. Так как в рабочем режиме ротор 7 электрогенератора 8 вращается против направления вращения контрротора 16, то передаточное число редуктора-мультипликатора 6 сокращается относительно прототипа на количество оборотов объемного ветроротора 12, обеспечивая значительное приращение коэффициента полезного действия механических передач, повышение уровня использования энергии ветрового потока и долговечности работы ветроэнергетической установки. Присоединенные вихри П 0, перемещаясь вдоль лопастей 13 к периферии под воздействием центробежных сил вращающегося объемного ветротротора 12, сбрасываются в желоба 19 геликоидальных интерцепторов 17. Набегающие на желоба 19 струи ветрового потока В и воздушные массы от сброшенных лопастями 13 присоединенных вихрей П 0 изменяют направление движения вдоль желобов 19 по винту к центру, создавая эжекторный эффект, сужая индукционный поток Т и снижая давление воздуха по наружной оболочке шлейфа Ю. Кроме того, воздействие воздушных масс на геликоидальные интерцепторы 18 в режиме бейдевинд обеспечивают значительное приращение М 4 крутящего момента М 0 М 2 М 3 М 4 на валу 15 и как следствие приращение мощности на контрроторе 16 электрогенератора 8. Суммарная мощностьэлектрогенератора 8, образуемая при совместной работе крыльчатого ветроколеса 1 и объемного ветроротора 12,составляет величинувквр,5 9025 1 2007.04.30 где вк - часть мощности, вырабатываемая под воздействием крыльчатого ветроколеса 1 в - часть мощности, вырабатываемая под воздействием объемного ветроротора 12. Энергетические характеристики (фиг. 8) заявляемой ветроэнергетической установки значительно перекрывает показатели как аналогов, так и прототипа. Авторами изготовлены и испытаны натурные модели крыльчатого ветроколеса и объемного ветроротора на кафедре Белорусского национального технического университета. Заявляемая ветроэнергетическая установка может успешно использоваться в любых климатических зонах. Источники информации 1. Патенты 426427996.00349 А 1 (прототип)1026 , 20032046 ,19981511457 , 1999418072 , 1979. 2. СССР 986402, МПК 03 7/0, 9/0. 3. Абрамовский Е.Р. и др. Аэродинамика ветродвигателей. Днепропетровск, ДГУ, 1987. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7