EA020047B1 - Ветроэнергетическая установка - Google Patents

Abstract

Изобретение предназначено для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию. Ветроэнергетическая установка включает по крайней мере один ветродвигатель, содержащий центральное тело, состоящее из лобового обтекателя (1), средней части, хвостового обтекателя (3), осевой турбины с лопатками, и кольцевой обтекатель (2) с сечением формы несимметричного профиля крыла. Технический результат состоит в увеличении коэффициента полезного действия установки. Указанный технический результат достигается за счет того, что ветродвигатель дополнительно содержит направляющий аппарат, выполненный в виде неподвижных лопаток (4), установленных радиально между центральным телом и кольцевым обтекателем (2) в плоскости, соответствующей минимальному внутреннему диаметру кольцевого обтекателя, выпуклая часть которого является образующей его внутренней поверхности, причем лобовой обтекатель (1) ветродвигателя выполнен в форме полусферы, а осевая турбина с лопатками (5) размещена в средней части центрального тела, при этом лопатки осевой турбины установлены за неподвижными лопатками направляющего аппарата, притом соотношение максимального диаметра центрального тела к внешнему диаметру лопаток турбины составляет 0,45-0,55.

Description

Изобретение предназначено для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию.

Известны ветроэнергетические установки, включающие ветродвигатель, содержащий центральное тело и рабочие лопатки пропеллерного типа (КИ 1365, 1Р 2009257310, ЕК 2920206).

Такие ветроэнергетические установки не рассчитаны на работу при малых скоростях ветра, их устанавливают вдали от жилых домов, поскольку результатом их работы является эрозия почвы, а также гибель птиц, насекомых, попадающих во вращающиеся лопатки пропеллерного типа.

Известна ветроэнергетическая установка, включающая по крайней мере один ветродвигатель, содержащий центральное тело, состоящее из неподвижного лобового обтекателя, вращающейся средней части и хвостового обтекателя, имеющего параболический контур, лопатки направляющего аппарата и обечайку (КИ 2331791). Известный ветродвигатель содержит осесимметричный диффузорный ускоритель с лопатками направляющего аппарата, имеющими отклоняемый закрылок, вращающаяся средняя часть центрального тела выполнена в виде ротора электрогенератора с лопатками ветроколеса пропеллерного типа, при этом ветродвигатель снабжен цилиндрическими обечайками, прикрепленными радиальными стойками к центральному телу с возможностью образования с ним кольцевого зазора.

Известная ветроэнергетическая установка имеет большую материалоемкость, сложную конструкцию и небезопасную работу в связи с использованием лопаток ветроколеса пропеллерного типа. Наличие диффузорного ускорителя и цилиндрических обечаек не снижает существенно шума работающего ветродвигателя, плоская форма лобового обтекателя не способствует эффективности работы ветродвигателя.

Известна также ветроэнергетическая установка, включающая по крайней мере один ветродвигатель, содержащий турбину с сопловым аппаратом, механически связанную с генератором, центральную оболочку, кольцевую переднюю оболочку по крайней мере с одним входным каналом турбины, образующую с центральной оболочкой выходной канал турбины, а также кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой диффузорный выходной канал, при этом энергоагрегат снабжен дополнительной кольцевой оболочкой, образующей с внешними поверхностями передней и центральной оболочек сужающе-расширяющийся первый промежуточный канал, сообщенный в промежуточной части с выходным каналом турбины, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом с диффузорным выходным каналом (ЕА 001034).

Указанная известная ветроэнергетическая установка также имеет большую материалоемкость и сложную конструкцию.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является известная ветроэнергетическая установка, включающая по крайней мере один ветродвигатель, содержащий центральное тело, состоящее из лобового обтекателя, средней части, хвостового обтекателя, осевой турбины с лопатками, и кольцевой обтекатель с сечением формы несимметричного профиля крыла (КИ 12195 - прототип). На входе кольцевого обтекателя натянута защитная сетка, предотвращающая попадание птиц на вращающиеся лопатки. Однако при эксплуатации такой ветроэнергетической установки защитная сетка забивается насекомыми, увлеченными потоком воздуха, ее проницаемость уменьшается, что вызывает необходимость в очистке или замене защитной сетки, в противном случае коэффициент полезного действия установки резко снижается. Носовая часть центрального тела (лобовой обтекатель) имеет форму эллипсоида вращения, диаметр которого составляет 0,4-0,6 от максимального диаметра кольцевого обтекателя и длина - 0,4-0,5 от диаметра эллипсоида. Такое выполнение лобового обтекателя и выполнение кольцевого обтекателя с сечением формы несимметричного профиля крыла обеспечивают повышение коэффициента полезного действия ветродвигателя по сравнению с выполнением лобового обтекателя плоской формы, а кольцевого обтекателя - цилиндрической формы. Однако проведенные сравнительные испытания ветродвигателя по прототипу при скорости ветра от 1 до 20 м/с показали, что его коэффициент полезного действия (расчет по Бетцу) не превышает 32%.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка экологически безопасной ветроэнергетической установки, имеющей высокий коэффициент полезного действия.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки.

Указанный технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке, включающей по крайней мере один ветродвигатель, содержащий центральное тело, состоящее из лобового обтекателя, средней части, хвостового обтекателя, осевой турбины с лопатками, и кольцевой обтекатель с сечением формы несимметричного профиля крыла, ветродвигатель дополнительно содержит направляющий аппарат, выполненный в виде неподвижных лопаток, установленных радиально между центральным телом и кольцевым обтекателем в плоскости, соответствующей минимальному внутреннему диаметру кольцевого обтекателя, выпуклая часть которого является образующей его внутренней поверхности, причем лобовой обтекатель ветродвигателя выполнен в форме полусферы, а осевая турбина с лопатками размещена в средней части центрального тела, при этом лопатки осевой турбины установлены за неподвижными лопатками направляющего аппарата, притом соотношение максимального диаметра центрального тела к внешнему диаметру лопаток турбины составляет 0,45-0,55.

- 1 020047

На фигуре приведена схема ветродвигателя, являющегося составным элементом предлагаемой ветроэнергетической установки, центральное тело которого имеет лобовой обтекатель 1 и хвостовой обтекатель 3. Лобовой обтекатель 1 выполнен в форме полусферы, а кольцевой обтекатель 2 ветродвигателя имеет сечение формы несимметричного профиля крыла, причем выпуклая часть кольцевого обтекателя 2 является образующей его внутренней поверхности. Ветродвигатель содержит направляющий аппарат с неподвижными лопатками 4, установленными в плоскости, соответствующей минимальному внутреннему диаметру кольцевого обтекателя 2. Средняя часть центрального тела ветродвигателя выполнена в виде осевой турбины, включающей колесо 6 и лопатки 5, установленные за направляющим аппаратом. Ветродвигатель крепится на опоре 7.

Предлагаемая ветроэнергетическая установка может состоять из одного ветродвигателя, а также может содержать несколько ветродвигателей, размещенных, например, на общей опоре 7 или так, как описано в ЕА 001034.

Генератор предпочтительно размещен в центральном теле ветродвигателя.

В качестве турбины может быть использована любая газовая турбина, например по И8 6786697, Κϋ 2124142, ЕА 001034, АО 2007/038836 и др.

Как показали эксперименты, выполнение вращающейся средней части центрального тела ветродвигателя в виде осевой турбины позволяет повысить коэффициент полезного действия ветроэнергетической установки по сравнению с прототипом. При изменении числа лопаток турбины частота вращения и мощность повышались с увеличением числа лопаток турбины, что отсутствует в ветродвигателях с лопатками пропеллерного типа.

Как показали эксперименты, наличие в ветродвигателе направляющего аппарата с лопатками, установленными в плоскости, соответствующей минимальному внутреннему диаметру кольцевого обтекателя, создает предварительную закрутку ветрового потока на подходе к осевой турбине с неподвижными лопатками, установленными за направляющим аппаратом, что дает существенный выигрыш в мощности. Кроме того, без использования защитной сетки удается избежать попадания птиц на вращающиеся лопатки.

Как показали эксперименты, выполнение лобового обтекателя в форме полусферы, выполнение кольцевого обтекателя с выпуклой частью, являющейся образующей его внутренней поверхности, при отношении максимального диаметра центрального тела к внешнему диаметру турбины 0,45-0,55 повышают эффективность отбора ветровой мощности. В результате проведенных испытаний было установлено, что при предлагаемой конструкции ветродвигателя выполнение отношения максимального диаметра центрального тела к внешнему диаметру турбины выше 0,55 приводит к снижению коэффициента полезного действия, а выполнение отношения ниже 0,45 нецелесообразно в связи с увеличением металлоемкости конструкции.

Максимальный коэффициент полезного действия (расчет по Бетцу) предлагаемого ветродвигателя с 32 лопатками турбины при скорости ветра от 1 до 20 м/с составил 46%, т.е. на 14% выше, чем в прототипе.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   Ветроэнергетическая установка, включающая по крайней мере один ветродвигатель, содержащий центральное тело, состоящее из лобового обтекателя, средней части, хвостового обтекателя, осевой турбины с лопатками, и кольцевой обтекатель с сечением формы несимметричного профиля крыла, отличающаяся тем, что ветродвигатель дополнительно содержит направляющий аппарат, выполненный в виде неподвижных лопаток, установленных радиально между центральным телом и кольцевым обтекателем в плоскости, соответствующей минимальному внутреннему диаметру кольцевого обтекателя, выпуклая часть которого является образующей его внутренней поверхности, причем лобовой обтекатель ветродвигателя выполнен в форме полусферы, а осевая турбина с лопатками размещена в средней части центрального тела, при этом лопатки осевой турбины установлены за неподвижными лопатками направляющего аппарата, притом соотношение максимального диаметра центрального тела к внешнему диаметру лопаток турбины составляет 0,45-0,55.