RU217734U1 - WIND SOLAR POWER PLANT - Google Patents

WIND SOLAR POWER PLANT Download PDF

Info

Publication number
RU217734U1
RU217734U1 RU2022122032U RU2022122032U RU217734U1 RU 217734 U1 RU217734 U1 RU 217734U1 RU 2022122032 U RU2022122032 U RU 2022122032U RU 2022122032 U RU2022122032 U RU 2022122032U RU 217734 U1 RU217734 U1 RU 217734U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wind
rotor
blades
supports
axis
Prior art date
Application number
RU2022122032U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Викторович Перевалов
Original Assignee
Валерий Викторович Перевалов
Filing date
Publication date
Application filed by Валерий Викторович Перевалов filed Critical Валерий Викторович Перевалов
Application granted granted Critical
Publication of RU217734U1 publication Critical patent/RU217734U1/en

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к комбинированным ветросолнечным энергетическим установкам и может использоваться для получения энергии на бытовом уровне и в походных условиях.The utility model relates to combined wind and solar power plants and can be used to generate energy at the household level and in field conditions.

Техническим результатом настоящего решения является расширение арсенала технических средств ВСЭУ. Также, техническим результатом является возможность работы установки при малых потоках ветра.The technical result of this solution is the expansion of the arsenal of VSEU technical means. Also, the technical result is the ability to operate the installation at low wind flows.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что заявлена ветросолнечная энергетическая установка, содержащая каркас, на котором установлен вертикально-осевой ротор с лопастями, направляющие поток ветра жесткие солнечные панели, где ротор соединен с генератором, где вокруг лопаток ротора установлены гребни Бернулли, образующие вместе с верхней и нижней опорами каркас, причем панели фотоэлектрических преобразователей расположены на гребнях Бернулли, а лопасти ротора закреплены сверху и снизу между верхней и нижней опорами, отличающаяся тем, что гребни Бернулли расположены вдоль квадратных элементов верхней и нижней опор, причем верхняя и нижняя опоры выполнены кольцевыми с возможностью отвода воздушных потоков вверх и вниз ротора.

Figure 00000002
These technical results are achieved due to the fact that a wind-solar power plant is claimed, containing a frame on which a vertical-axial rotor with blades is installed, rigid solar panels directing the wind flow, where the rotor is connected to the generator, where Bernoulli ridges are installed around the rotor blades, forming together frame with upper and lower supports, wherein the panels of photovoltaic converters are located on Bernoulli ridges, and the rotor blades are fixed from above and below between the upper and lower supports, characterized in that the Bernoulli ridges are located along the square elements of the upper and lower supports, and the upper and lower supports are made annular with the possibility of removing air flows up and down the rotor.
Figure 00000002

Description

Полезная модель относится к комбинированным ветросолнечным энергетическим установкам и может использоваться для получения энергии на бытовом уровне и в походных условиях.The utility model relates to combined wind and solar power plants and can be used to generate energy at the household level and in field conditions.

Проблема современных ветро- и солнечных генераторов энергии заключается в том, что все современные ветряки и фотоэлектрические преобразователи (солнечные панели) основываются на разработках более чем столетней давности. Ветряки вообще стали известны в Европе (Южная Испания) в XII веке. С тех пор они никак принципиально не изменились. Повысился КПД (точнее, коэффициент использования энергии ветра (киэв)), вплотную приблизившись к теоретическому пределу 0,5926. Но, правда, в процессе эксплуатации высокоэффективных ветроустановок выяснилось, что они крайне шумны и производят опасный уровень вибрации. Поэтому наиболее эффективные (и наиболее шумные и вибронагруженные) одно- и двухлопастные установки запрещены к эксплуатации. У наиболее употребимых трёхлопастных ветряков среднегодовой киэв, как правило, находится на уровне 0,24-0,28, что ненамного превышает аналогичный показатель ветряков XIX и даже XVIII веков. Чтобы довести среднегодовой показатель эффективности преобразования энергии ветра до приемлемых показателей, ветряки всё чаще выносят на шельфовые участки морей. Таким образом, среднегодовой киэв удаётся довести до 0,31.The problem of modern wind and solar power generators is that all modern windmills and photovoltaic converters (solar panels) are based on developments more than a century ago. Windmills generally became known in Europe (Southern Spain) in the 12th century. Since then, they have not fundamentally changed. Efficiency has increased (more precisely, the coefficient of use of wind energy (kiev)), coming close to the theoretical limit of 0.5926. However, during the operation of highly efficient wind turbines, it turned out that they are extremely noisy and produce a dangerous level of vibration. Therefore, the most efficient (and the most noisy and vibration-loaded) one- and two-blade installations are prohibited for operation. For the most commonly used three-bladed windmills, the average annual kiev, as a rule, is at the level of 0.24-0.28, which is not much higher than that of windmills of the 19th and even 18th centuries. In order to bring the average annual efficiency of wind energy conversion to acceptable levels, windmills are increasingly being taken out to the shelf areas of the seas. Thus, the average annual Kiev can be brought up to 0.31.

С другой стороны, в настоящее время всё большее применение находят фотоэлектрические преобразователи. Их ассортимент очень велик, как по цене, где можно найти очень дешевые «китайские» солнечные панели, так и крайне дорогие «американские» и «японские» (в кавычках названия написаны потому, что все они, за редким исключением, производятся именно в Китае). Причём, по основной своей характеристике - КПД преобразования энергии Солнца в электрическую, все они находятся примерно на одном уровне, имея различия в пределах статистической погрешности 15%-22%. On the other hand, at present, photoelectric converters are increasingly being used. Their range is very large, both in price, where you can find very cheap "Chinese" solar panels, and extremely expensive "American" and "Japanese" (the names are written in quotation marks because all of them, with rare exceptions, are made in China ). Moreover, according to their main characteristic - the efficiency of converting solar energy into electrical energy, they are all approximately at the same level, having differences within the statistical error of 15% -22%.

Поскольку современные солнечные панели изготавливаются на огромных предприятиях партиями по много миллионов квадратных метров, то в настоящее время их цена на рынке установилась на уровне примерно $0,8 за Ватт номинальной мощности. Since today's solar panels are manufactured in huge factories in batches of many millions of square meters, their market price is currently set at about $0.8 per watt of rated power.

Логично было бы дополнить ветряк солнечной панелью и за небольшую прибавку по цене получить существенную (почти на треть) прибавку в мощности и стабильности в работе. Но простой монтаж солнечной панели на ветряк приводит лишь к увеличению ометаемой площади и, соответственно, к уменьшению удельной эффективности комплексированной установки: ветряк 1м2 мощностью 300 Ватт + солнечная панель 1м2 мощностью 150 Ватт = 2 м2 мощностью 450 Ватт, или 1 м2 мощностью 225 Ватт. It would be logical to supplement the windmill with a solar panel and get a significant (almost a third) increase in power and stability in operation for a small increase in price. But a simple installation of a solar panel on a windmill only leads to an increase in the swept area and, accordingly, to a decrease in the specific efficiency of the integrated installation: windmill 1m 2 with a power of 300 watts + solar panel 1m 2 with a power of 150 watts \u003d 2 m 2 with a power of 450 watts, or 1 m 2 power of 225 watts.

При этом конструктивно происходит объединение недостатков: остаётся сильно шумящий и вибрирующий ветряк, для ветряка и солнечной панели нужны отдельные инверторы и АКБ, то есть, на выходе мы получаем практически вдвое более дорогостоящую установку при незначительном повышении мощности. Но, правда, резко возрастает надёжность и стабильность работы.At the same time, the disadvantages are structurally combined: a very noisy and vibrating windmill remains, the windmill and the solar panel require separate inverters and batteries, that is, at the output we get an installation that is almost twice as expensive with a slight increase in power. But, however, the reliability and stability of work sharply increases.

Известны различные ветроэнергетические установки гражданского назначения.Various civil wind turbines are known.

Ветроэнергетические установки «Винд-Ротор» (ОАО «НИИМЕСТПРОМ» г. Нижний Новгород) малой и средней мощности для гражданского назначения - это ветроэнергетические установки роторного типа. Они предназначены для преобразования кинетической энергии ветра во вращательное движение ротора с последующей выработкой генератором электрической энергии, которая используется для электроснабжения индивидуальных жилых домов, коттеджей, небольших сельских муниципальных образований, дачных поселков, крестьянско-фермерских хозяйств и других потребителей, подключение которых к системам централизованного электроснабжения невозможно или очень дорого.Wind turbines "Wind-Rotor" (OJSC "NIIMESTPROM" Nizhny Novgorod) of small and medium power for civil purposes are rotary wind turbines. They are designed to convert the kinetic energy of the wind into rotational motion of the rotor, followed by the generation of electrical energy by the generator, which is used to supply power to individual residential buildings, cottages, small rural municipalities, holiday villages, peasant farms and other consumers connected to centralized power supply systems. impossible or very expensive.

Известен вертикальный ветрогенератор LT 1500 (Компания «Светлый город»), имеющий 2 ряда лопастей с эффектом турбирования. Предназначен для преобразования механической энергии ветра в электрическую. Диапазон высоты рекомендуемой мачты 3-10м. Ветрогенератор может быть укомплектован контроллером заряда батарей с номинальным выходным напряжением 12/24/48 В.Known vertical wind generator LT 1500 (Company "Light City"), having 2 rows of blades with turbo effect. Designed to convert mechanical wind energy into electrical energy. Recommended mast height range 3-10m. The wind generator can be equipped with a battery charge controller with a nominal output voltage of 12/24/48 V.

Также известна модель ветрогенератора «ВЭУ-Исток 800-1», которая была одной из первых роторных вертикально-осевых установок. В действительности, ее малая габаритность, по сравнению с другими моделями, и небольшая ометаемая площадь показали достойные результаты на этапе тестовых запусков.Also known is the model of the wind generator "VEU-Istok 800-1", which was one of the first rotary vertical-axis installations. In fact, its small size, compared to other models, and a small swept area showed decent results at the stage of test launches.

Известны ветросолнечные установки AeroGreen (http://aerogreen.info/). Ветросолнечная установка состоит из верхнего обтекателя, электрогенератора, кольцевого обтекателя, аэродинамической турбины. Аэродинамическая турбина состоит из двух многолопастных ветроколес, одно из которых неподвижно и предназначено для направления воздушного потока, выполненных по схеме осевой турбины современного авиадвигателя из легких композитных материалов для преобразования воздушного потока в крутящий момент.AeroGreen wind solar installations are known (http://aerogreen.info/). The wind solar installation consists of an upper fairing, an electric generator, an annular fairing, and an aerodynamic turbine. The aerodynamic turbine consists of two multi-blade wind wheels, one of which is fixed and designed to direct the air flow, made according to the scheme of an axial turbine of a modern aircraft engine from light composite materials to convert the air flow into torque.

Данная ветроустановка не требует ориентации на ветер, выполнена по современным турбинным технологиям из легких композитных материалов, работающая в широком скоростном диапазоне ветров (3 - 50 м/с).This wind turbine does not require orientation to the wind, it is made using modern turbine technologies from lightweight composite materials, operating in a wide wind speed range (3 - 50 m/s).

Верхний обтекатель с гибкими солнечными батареями (элементами) предназначен для защиты аэродинамической турбины от неблагоприятных атмосферных воздействий и создания зоны разрежения для организации направленного движения воздушного потока. Гибкие фотоэлементы позволяют преобразовать солнечную энергию в электричество.The upper fairing with flexible solar panels (elements) is designed to protect the aerodynamic turbine from adverse atmospheric effects and create a rarefaction zone for organizing directed air flow. Flexible solar cells allow you to convert solar energy into electricity.

Основное преимущество ветроустановки AeroGreen состоит в том, что при сопоставимой с традиционными установками цене изготовления, эффективность использования ветра в 2 раза выше, чем у аналогичных традиционных конструкций, что подтверждено сравнительными лабораторными испытаниями.The main advantage of the AeroGreen wind turbine is that, at a manufacturing price comparable to traditional wind turbines, the efficiency of using wind is 2 times higher than that of similar traditional designs, which is confirmed by comparative laboratory tests.

Электрогенератор на постоянных магнитах предназначен для высокоэффективного преобразования крутящего момента, создаваемого аэродинамической турбиной в электрическую энергию.The permanent magnet electric generator is designed for highly efficient conversion of the torque generated by the aerodynamic turbine into electrical energy.

Для установки AeroGreen отсутствует необходимость ориентации на ветер. Традиционные установки либо направлены в одну сторону, откуда преимущественно дует ветер, либо оснащены системой слежения за ветром, которая или очень дорогая электронная или механическая, которая снижает коэффициент использования ветра, поскольку эффективно и своевременно следить за ветром не может. AeroGreen does not require wind orientation. Traditional installations are either directed in one direction, from where the wind predominantly blows, or equipped with a wind tracking system, which is either very expensive electronic or mechanical, which reduces the wind utilization rate, since it cannot monitor the wind effectively and in a timely manner.

Есть и аналогичные установки, которым также не важно, с какой стороны дует ветер, но их КПД более чем в 2 раза меньше традиционных. There are similar installations, which also do not care which side the wind blows, but their efficiency is more than 2 times less than traditional ones.

Кольцевой обтекатель и корпус с направляющими плоскостями предназначен для защиты аэродинамической турбины от неблагоприятных атмосферных воздействий и обеспечения ускорения и организации разнонаправленного порывистого ветра для устойчивой работы ветроколеса.The annular fairing and housing with guide planes are designed to protect the aerodynamic turbine from adverse atmospheric effects and to ensure acceleration and organization of multidirectional gusty wind for stable operation of the wind turbine.

Установка имеет низкую скорость страгивания (от 1 м/с). При отрицательных температурах, благодаря закрытой конструкции отсутствует обледенение при эксплуатации в условиях снегопада, мокрого снега. The unit has a low breaking speed (from 1 m/s). At negative temperatures, due to the closed design, there is no icing during operation in conditions of snowfall, sleet.

При ураганных ветрах у установки AeroGreen наблюдается повышение эффективности, в то время, когда традиционные конструкции либо «складываются» и перестают работать, во избежание разлома всей конструкции, либо используют специальные дорогостоящие системы торможения. Особенности конструкции позволяют практически полностью избавится от шумов, благодаря использованию высокооборотистой турбины (шум при работе характерен для лопастных ветроустановок).In gale-force winds, the AeroGreen installation is seeing an increase in efficiency, at a time when traditional structures either “fold” and stop working to avoid breaking the entire structure, or use special expensive braking systems. Design features allow you to almost completely get rid of noise, thanks to the use of a high-speed turbine (noise during operation is typical for bladed wind turbines).

Известны вертикальные ветровые турбины VAWT (США). Ветряные турбины Vertical Axis Wind Turbines производства США (https://wiki5.ru/wiki/Vertical_axis_wind_turbine) в настоящий день считаются самыми лучшими в мире вертикальными ветрогенераторами. Мощность турбин для коммерческой или частной эксплуатации в воздушной или водной среде варьируется от 2,5 кВ до 250 кВ. Known vertical wind turbines VAWT (USA). Wind turbines Vertical Axis Wind Turbines manufactured in the USA (https://wiki5.ru/wiki/Vertical_axis_wind_turbine) are currently considered the best vertical wind turbines in the world. Turbines for commercial or private operation in air or water range from 2.5 kV to 250 kV.

Они эффективны в работе в условиях низкой скорости ветра или течения воды, там, где традиционные системы неэффективны или не работают вообще.They are effective in low wind speeds or water currents, where traditional systems are inefficient or do not work at all.

Турбины спроектированы для условий тяжелого климата. Электропроводка рассчитана на работу в условиях арктического климата. Подшипники предназначены для работы в любых условиях, и способны работать при полном обледенении лопастей, а сами лопасти способны выдерживать удары градин размером с мяч для гольфа. Поверхность турбины полностью покрывается защитным слоем.Turbines are designed for severe climate conditions. The wiring is designed to work in the arctic climate. The bearings are designed to work in all conditions, and are able to work with full icing of the blades, and the blades themselves are able to withstand the blows of hailstones the size of a golf ball. The surface of the turbine is completely covered with a protective layer.

Вертикальные ветровые турбины на постоянных магнитах с эффектом левитации практически не нуждаются в техобслуживании, так как имеет только 2 движущиеся части с 15 летним сроком эксплуатации (закрытые подшипники). Установка способна работать в любых тяжелых климатических условиях от арктического побережья до экваториального пояса и регионов с высоким содержанием соли в воздухе, без снижения эффективности. Все части турбины выполнены из авиационного алюминия 2024 и нержавеющей стали 316 и покрыты специальным порошковым защитным слоем. Vertical wind turbines with permanent magnets with levitation effect are practically maintenance-free, as they have only 2 moving parts with a 15-year life (sealed bearings). The unit is capable of operating in any severe climatic conditions from the Arctic coast to the equatorial belt and regions with a high salt content in the air, without reducing efficiency. All parts of the turbine are made of 2024 aircraft aluminum and 316 stainless steel and coated with a special powder protective layer.

Чтобы достичь заявленной мощности, установка должна компоноваться экранами-уловителями ветра. Ветровая энергия определяется массой улавливаемого слоя воздуха. Чтобы добиться большего КПД или большей скорости ветра, установку необходимо компоновать экранами-уловителями ветра. Например, 0,5кВА установка при силе ветра 10,72 м/с, выдаст только около 100 Ватт энергии, тогда как с экранами-уловителями мощность достигает заявленной. In order to achieve the declared power, the installation must be assembled with wind trapping screens. Wind energy is determined by the mass of the trapped air layer. In order to achieve greater efficiency or greater wind speed, the installation must be assembled with wind trapping screens. For example, a 0.5 kVA installation with a wind force of 10.72 m / s will only give out about 100 watts of energy, while with screen traps, the power reaches the declared one.

Известна установка башенного типа компании ODIN Energy (Корея), также работающая по принципу ветросолнечной генерации электроэнергии. Система направляющих установки позволяет существенно увеличить коэффициент использования ветра по сравнению с существующими ветротурбинами с вертикальной осью вращения за счёт преобразования турбулентного потока в ламинарный, также за счёт увеличения скорости ветрового потока и применения эффекта Venturi. Known installation tower type company ODIN Energy (Korea), also operating on the principle of wind solar power generation. The guiding system of the installation allows to significantly increase the wind utilization factor compared to existing wind turbines with a vertical axis of rotation by converting turbulent flow into laminar flow, also by increasing the wind flow velocity and applying the Venturi effect.

Все известные системы генерации имеют низкую эффективность использования энергии ветра, выполнены в различных вариациях турбины Савониуса (теоретический киэв ξ - 0,18), кроме системы Aerogreen.All known generation systems have low efficiency of wind energy use, are made in various variations of the Savonius turbine (theoretical kiev ξ - 0.18), except for the Aerogreen system.

Никто из производителей не даёт значений ξ свой установки, указывая лишь на то, что их установка «вдвое-втрое эффективнее, чем другие». None of the manufacturers give the values of ξ of their installation, indicating only that their installation is "twice or three times more efficient than others."

Также все известные системы генерации имеют высокую материалоёмкость - порядка 500 кг на 1 кВт номинальной мощности, при этом WR-1 - 2000 кг на 1 кВт, имеют низкую удельную мощность 100-150 Вт на м2 ометаемой площади при скоростях ветра выше 10 м/сек. Наименьшее значение показывает WR-1 - 20 Вт, наибольшее LT-1500 (230 Вт).Also, all known generation systems have a high material consumption - about 500 kg per 1 kW of rated power, while WR-1 - 2000 kg per 1 kW, have a low specific power of 100-150 W per m 2 of swept area at wind speeds above 10 m / sec. The smallest value shows WR-1 - 20 W, the largest LT-1500 (230 W).

Эти обстоятельства приводят к высокой себестоимости производимой ими электроэнергии.These circumstances lead to a high cost of electricity produced by them.

В настоящее время в мировом эксплуатируемом парке ветроэнергетических установок традиционные горизонтально-осевые установки (ГО ВЭУ) составляют подавляющее большинство, а их серийным выпуском занимаются сотни предприятий. Отставание в освоении вертикально-осевых ВЭУ (ВО ВЭУ) вызвано несколькими причинами. Во-первых, вертикально-осевые ВЭУ были изобретены только в XX веке (ротор Савониуса - в 1929 г., ротор Дарье - в 1931 г., ротор Масгроува - в 1975 г.). Во-вторых, до недавнего времени считалось, что предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально-осевых ВЭУ ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных. Правда, как показывают результаты современных исследований и опыта эксплуатации, киэв как горизонтально-осевых, так и вертикально-осевых находится примерно в одном диапазоне: для горизонтально-осевых ВЭУ 0,25-0,47, для вертикально-осевых 0,09-0,48. At present, in the world's operating park of wind power plants, traditional horizontal-axis wind turbines (HA wind turbines) make up the vast majority, and hundreds of enterprises are engaged in their serial production. The lag in the development of vertical-axis wind turbines (VO wind turbines) is due to several reasons. Firstly, vertical-axis wind turbines were invented only in the 20th century (Savonius rotor - in 1929, Darrieus rotor - in 1931, Musgrove rotor - in 1975). Secondly, until recently it was believed that the marginal wind energy utilization factor for vertical-axis wind turbines is lower than for horizontal-axis propeller ones. True, as the results of modern research and operating experience show, the kiev of both horizontal-axial and vertical-axial is approximately in the same range: for horizontal-axial wind turbines 0.25-0.47, for vertical-axial 0.09-0 .48.

При этом у ВО ВЭУ имеются очевидные недостатки, о которых все знают, но мирятся как с неустранимой необходимостью. В них практически невозможно эффективно ориентировать ветроколесо при изменении направления ветра из-за запаздывания действия механизмов ориентации. Для ветроустановок средней и большой мощности с диаметром ветроколеса более 30-40 м эффективность его ориентации на ветер снижается вследствие некомпланарности и различия в скоростях ветрового потока по длине размаха лопастей, что приводит к невозможности установки ветроколеса в оптимальное направление ориентации. По этой причине снижаются выработка электроэнергии (вследствие уменьшения используемой энергии ветрового потока) и экономическая эффективность ветроустановки. К конструктивным недостаткам можно отнести то, что система ориентации разрывает жесткую связь между гондолой (корпусом ветроагрегата) и опорной башней горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ, чем обусловливаются появление автоколебаний и различие в частотных характеристиках подвижной и неподвижной частей конструкции, что в конечном счете снижает надежность и увеличивает амортизационные издержки. At the same time, the WPP has obvious shortcomings, which everyone knows about, but puts up with as an unavoidable necessity. In them, it is almost impossible to effectively orient the wind wheel when the wind direction changes due to the delay in the action of the orientation mechanisms. For wind turbines of medium and high power with a wind wheel diameter of more than 30-40 m, the efficiency of its orientation to the wind is reduced due to non-coplanarity and differences in wind flow speeds along the length of the blade span, which makes it impossible to install the wind wheel in the optimal direction of orientation. For this reason, electricity generation is reduced (due to a decrease in the energy used by the wind flow) and the economic efficiency of the wind turbine. The design disadvantages include the fact that the orientation system breaks the rigid connection between the nacelle (wind turbine housing) and the support tower of the horizontal-axis propeller wind turbine, which causes the appearance of self-oscillations and the difference in the frequency characteristics of the movable and fixed parts of the structure, which ultimately reduces reliability and increases depreciation costs.

Эффективность же работы вертикально осевых ВЭУ принципиально не зависит от направления ветра, в связи с чем отпадает необходимость в механизмах и системах ориентации на ветер. Неравенство характеристик ветрового потока по высоте приводит лишь к некоторому выравниванию моментов поворота, снимаемых с лопастей.The efficiency of vertical axis wind turbines does not fundamentally depend on the direction of the wind, and therefore there is no need for mechanisms and systems of orientation to the wind. The inequality of the characteristics of the wind flow in height leads only to some alignment of the turning moments taken from the blades.

Все сечения лопасти горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ находятся в разных энергетических состояниях по причине различия окружных скоростей и углов атаки. Это различие значительно снижается благодаря скрутке сечений лопасти относительно друг друга. Особенности инерционного нагружения лопасти приводят к необходимости сужения профиля к концу лопасти. Таким образом, пропеллерная лопасть конструктивно представляется значительно более сложной, чем прямая, а особенно симметричная относительно хордовой плоскости лопасть ВО ВЭУ. All blade sections of a horizontal-axial propeller wind turbine are in different energy states due to differences in circumferential speeds and angles of attack. This difference is significantly reduced due to the twisting of the blade sections relative to each other. Features of the inertial loading of the blade lead to the need to narrow the profile to the end of the blade. Thus, the propeller blade is structurally much more complex than the straight, and especially symmetric with respect to the chordal plane, blade of the WPP.

Поворот лопастей горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ отработан и используется не только как средство торможения ветроколеса (наряду с обычным фрикционным), но главным образом как средство поиска оптимального угла установки лопасти для удержания ветроколеса на предельно возможном числе оборотов во избежание выхода его вразнос. Применение системы поворота лопастей значительно усложняет конструкцию ВЭУ, так как при этом нужны и система непрерывного слежения за числом оборотов, и поворотные устройства с приводами для каждой лопасти, и система автоматического управления углами поворота лопастей. The rotation of the blades of a horizontal-axis propeller wind turbine has been worked out and is used not only as a means of braking the wind wheel (along with the usual frictional one), but mainly as a means of finding the optimal blade angle to keep the wind wheel at the maximum possible number of revolutions in order to avoid its runaway. The use of a blade turning system significantly complicates the design of a wind turbine, since it requires a continuous monitoring system for the number of revolutions, and turning devices with drives for each blade, and a system for automatically controlling the angles of rotation of the blades.

Следующая проблема ВО ВЭУ всем известна и заключается в сильном шуме, который они издают при работе. Он появляется в связи с давлением и трением набегающего ветрового потока об элементы ВЭУ, в основном лопасти, траверсы, стяжки. При этом каждая лопасть и траверса испытывает знакопеременную нагрузку, за счет чего может генерироваться и механический шум различных частот. The next problem of wind turbines is known to everyone and is the strong noise that they emit during operation. It appears in connection with the pressure and friction of the oncoming wind flow on the elements of the wind turbine, mainly blades, traverses, couplers. In this case, each blade and traverse experiences an alternating load, due to which mechanical noise of various frequencies can also be generated.

Среди наиболее опасных - ультразвук и инфразвук. Among the most dangerous are ultrasound and infrasound.

Аэродинамический ультразвук может генерироваться малыми и/или тонкими элементами ВЭУ, например, тросовыми растяжками, кронштейнами, стяжками, фиксаторами болтовых соединений, фрагментами высохших тел насекомых, бьющихся о лопасти крыльчатки и т.д. Aerodynamic ultrasound can be generated by small and/or thin elements of wind turbines, for example, guy ropes, brackets, ties, bolt fasteners, fragments of dried insect bodies hitting the impeller blades, etc.

Аэродинамический инфразвук появляется за счет срыва потока с лопастей, турбулентности ветрового потока за ВЭУ. Этот вид шума, кстати, принципиально не может возникнуть у вертикально-осевых установок. Механический инфразвук образуется в процессе появления соответствующих гармоник при работе вращающихся частей ступицы ветроустановки за счет неидеальности трущихся поверхностей, явных и скрытых дефектов и дисбалансов.Aerodynamic infrasound appears due to the separation of the flow from the blades, the turbulence of the wind flow behind the wind turbine. This type of noise, by the way, cannot arise in principle with vertical-axis installations. Mechanical infrasound is formed in the process of the appearance of the corresponding harmonics during the operation of the rotating parts of the wind turbine hub due to the imperfection of the rubbing surfaces, obvious and hidden defects and imbalances.

В целом шумовое загрязнение у современных ВО ВЭУ таково, что для борьбы с ним приходится идти на сознательное снижение эффективности использования энергии ветра до 0,24. Запрещена промышленная эксплуатация одно- и двухлопастных ВЭУ, хотя они наиболее эффективны и обеспечивают максимальные значения быстроходности. In general, noise pollution in modern wind turbines is such that in order to combat it, one has to deliberately reduce the efficiency of wind energy use to 0.24. The industrial operation of one- and two-bladed wind turbines is prohibited, although they are the most efficient and provide maximum speed values.

Поэтому очевиден непрерывный рост интереса к вертикально-осевым ветроэнергетическим установкам, что отразилось, например, в реализации, как минимум, четырех основных методов их разработки, позволяющих создавать конструкции, наиболее полно соответствующих условиям их преимущественной эксплуатации. Therefore, the continuous growth of interest in vertical-axis wind turbines is obvious, which was reflected, for example, in the implementation of at least four main methods for their development, which make it possible to create structures that most fully correspond to the conditions of their primary operation.

Ветровой агрегат (ВА) ветросолнечной энергетической установки (ВСЭУ) состоит из следующих устройств:The wind unit (VA) of the wind solar power plant (VSEU) consists of the following devices:

1) Направляющий аппарат1) Guide apparatus

2) Ротор2) Rotor

Направляющий аппарат состоит из верхней и нижней опор, и неподвижных лопастей.The guide apparatus consists of upper and lower supports, and fixed blades.

Верхнее и нижнее основание могут быть как монолитными, сплошными и закрытыми, так и открытыми, составными. По центру оснований установлены наплывы, в которых располагаются подшипники: верхний - качения, нижний - качения, упорный.The upper and lower base can be either monolithic, solid and closed, or open, composite. In the center of the bases there are influxes in which the bearings are located: the upper one - rolling, the lower one - rolling, thrust.

По радиусу ротора на нижнем основании могут быть установлены подпятники, выполненные либо как подшипники скольжения, либо качения. Along the radius of the rotor on the lower base, thrust bearings can be installed, made either as plain bearings or rolling bearings.

К нижнему основанию крепятся установочные устройства.Mounting devices are attached to the bottom base.

К нижнему основанию ВСЭУ крепится юбка, в которой находится блок регулировочно-преобразовательного оборудования и АКБ. К юбке крепятся установочные устройства. A skirt is attached to the lower base of the VSEU, in which there is a block of control and conversion equipment and a battery. Mounting devices are attached to the skirt.

Ротор состоит из верхней и нижней опор (сплошных, монолитных для маломощных ВСЭУ, либо составных для более мощных), а также лопастей ротора.The rotor consists of upper and lower supports (solid, monolithic for low-power VSPP, or composite for more powerful ones), as well as rotor blades.

Основания по центру содержат ось, которая устанавливаются в подшипники. Ось также содержит ответные места для установки шкива, зубчатых колёс, либо фрикционной передачи.The bases in the center contain an axle that is mounted in bearings. The axle also contains reciprocal places for installing a pulley, gears, or friction gear.

В патентной литературе также известны электростанции, в которых ветрогенераторы и солнечные панели объединены в одном устройстве, в том числе, использующих солнечные панели в качестве направляющих ветер створок (например, KR20130062662, KR20120080155, JP2014169671), вообще известны. Такое комбинирование позволяет повысить эффективность электростанции в условиях слабых, порывистых ветров и слабого солнечного освещения.Also known in the patent literature are power plants in which wind turbines and solar panels are combined in one device, including those using solar panels as wind guide flaps (for example, KR20130062662, KR20120080155, JP2014169671), are generally known. This combination improves the efficiency of the power plant in conditions of weak, gusty winds and low sunlight.

Известен ветродвигатель с вертикальной осью вращения (RU2550993), содержащий ветровую турбину с лопастями S-образной формы, снабженный каркасом в виде многоугольной призмы с поворотными ветронаправляющими экранами. Ветронаправляющие экраны установлены на каждой стороне многоугольной призмы с возможностью обеспечения плавного перетекания воздуха с них на лопасти S-образной формы ветровой турбины. Ветродвигатель выполнен в виде башни. Ветронаправляющие экраны выполнены поворотными с углом поворота от 0 до 90° с возможностью выполнения функции жалюзи и прикрытия каждой стороны каркаса. S-образные лопасти характеризуются низкой скоростью и производительностью.Known wind turbine with a vertical axis of rotation (RU2550993), containing a wind turbine with S-shaped blades, equipped with a frame in the form of a polygonal prism with rotary windscreens. Wind guide screens are installed on each side of the polygonal prism with the ability to ensure smooth air flow from them to the S-shaped blades of the wind turbine. The wind turbine is made in the form of a tower. The wind guide screens are rotatable with a rotation angle of 0 to 90° with the ability to perform the function of blinds and cover each side of the frame. S-shaped blades are characterized by low speed and productivity.

Известна фотоветровая автономная электростанция (RU 188712) с вертикально-осевым ротором на магнитных подвесах и концентратором ветрового потока. Вертикально-осевой ротор ветрового электрогенератора вращается внутри концентратора ветрового потока, представляющего собой жесткие вертикальные пластины. Фотоветровая автономная электростанция оснащается мультипликатором, обеспечивающим оптимальную передачу крутящего момента с вала ротора на вал электрогенератора. Фотоэлектрические преобразователи размещены на одной стороне каждой из плоских направляющих поверхностей вертикальных пластин концентратора ветрового потока, а оборотные стороны направляющих поверхностей вертикальных пластин концентратора ветрового потока изготавливаются из светоотражающих материалов. Вертикально-осевой ротор электростанции опирается на магнитные подвесы, представляющие собой взаимно отталкивающиеся постоянные магниты, выполненные в форме дисков с отверстием посередине каждого диска для прикрепления дисков к валу вертикально-осевого ротора. Инвертор обеспечивает стабильные характеристики электроэнергии, направляемой потребителю от блока аккумуляторов. Использование одного асинхронного генератора на магнитных подвесах с демультипликатором имеет недостаток: создается дополнительный шум, увеличивается момент трогания ротора. Жесткие вертикальные пластины имеют с одной из сторон светоотражающие поверхности, с другой фотоэлектрические преобразователи. Недостатком конструкции является недостаточная эффективность работы светоотражающих поверхностей в условиях возможного загрязнения, налипания снега, что в свою очередь снижает эффективность работы всего блока солнечных модулей.Known photovoltaic autonomous power plant (RU 188712) with a vertically axial rotor on magnetic suspensions and a wind flow concentrator. The vertical-axial rotor of the wind power generator rotates inside the wind flow concentrator, which is a rigid vertical plate. The photowind autonomous power plant is equipped with a multiplier that ensures optimal transmission of torque from the rotor shaft to the generator shaft. Photoelectric converters are placed on one side of each of the flat guide surfaces of the vertical plates of the wind flow concentrator, and the reverse sides of the guide surfaces of the vertical plates of the wind flow concentrator are made of reflective materials. The vertical-axial rotor of the power plant is supported by magnetic suspensions, which are mutually repulsive permanent magnets, made in the form of disks with a hole in the middle of each disk for attaching the disks to the shaft of the vertical-axial rotor. The inverter provides stable characteristics of electricity sent to the consumer from the battery pack. The use of one asynchronous generator on magnetic suspensions with a demultiplier has a disadvantage: additional noise is created, the moment of starting the rotor increases. Rigid vertical plates have reflective surfaces on one side, and photoelectric converters on the other. The disadvantage of the design is the insufficient efficiency of the reflective surfaces in conditions of possible pollution, snow sticking, which in turn reduces the efficiency of the entire block of solar modules.

Известна фотоветровая электростанция (патент RU 193683, опубл.: 11.11.2019) содержащая каркас, на котором установлены по меньшей мере два вертикально-осевых ротора с лопастями один над другим, направляющие поток ветра жесткие солнечные панели, каждый ротор соединен с генератором.A photowind power plant is known (patent RU 193683, publ.: 11/11/2019) containing a frame on which at least two vertical-axial rotors with blades are installed one above the other, rigid solar panels directing the wind flow, each rotor is connected to a generator.

Известные аналоги, имеют те же технические проблемы, что присущи вышеописанным промышленным установкам, поскольку они также выполнены по принципу системы Савониуса.Known analogues have the same technical problems as the industrial plants described above, since they are also made according to the principle of the Savonius system.

Наиболее близким аналогом является ветрогелиоэнергетическая установка (патент RU 148242U, опубл.: 27.11.2014) содержащая платформу, на которой в подшипниковой опоре установлен вертикальный вал, сообщающийся с ротором электрогенератора и солнечные батареи, размещенные сверху, отличающаяся тем, что на вертикальном валу жестко закреплена неподвижная аэродинамическая конструкция, содержащая вертикально установленные панели, на которых размещены солнечные батареи, электрические выходы которых параллельно соединены с обмоткой ротора электрогенератора и блоком преобразования напряжения, к которому также подключена обмотка стартера электрогенератора.The closest analogue is a wind solar power plant (patent RU 148242U, publ.: 11/27/2014) containing a platform on which a vertical shaft is installed in a bearing support that communicates with the rotor of the electric generator and solar panels placed on top, characterized in that the vertical shaft is rigidly fixed a fixed aerodynamic structure containing vertically mounted panels on which solar batteries are placed, the electrical outputs of which are connected in parallel with the electric generator rotor winding and the voltage conversion unit, to which the electric generator starter winding is also connected.

Прототип частично усиливает эффективность установок системы Савониуса, но и имеет свои технические проблемы. The prototype partially enhances the efficiency of Savonius system installations, but also has its own technical problems.

Так, прототип решает задачу возможности работы установки вне зависимости от направления ветра.So, the prototype solves the problem of the ability of the installation to work regardless of the direction of the wind.

Но в прототипе не решена проблема отвода воздушных масс сверху и снизу ротора, в результате чего возникающие в роторе завихрения тормозят набегающие потоки воздуха ветра, что ограничивает возможность работы установки при малых потоках ветра. Кроме того, солнечные панели используются не эффективно. But the prototype has not solved the problem of removing air masses from above and below the rotor, as a result of which the turbulences that occur in the rotor slow down the oncoming wind flows, which limits the ability of the installation to operate at low wind flows. In addition, solar panels are not used efficiently.

Задачей настоящего решения является создание усовершенствованной ВСЭУ, в которой минимизированы недостатки известных ВСЭУ, работающих на основе системы Савониуса и улучшена конструкция прототипа.The objective of this solution is to create an improved VSEU, in which the shortcomings of the known VSEUs operating on the basis of the Savonius system are minimized and the design of the prototype is improved.

Техническим результатом настоящего решения является расширение арсенала технических средств ВСЭУ. Также, техническим результатом является возможность работы установки при малых потоках ветра.The technical result of this solution is the expansion of the arsenal of VSEU technical means. Also, the technical result is the ability to operate the installation at low wind flows.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что заявлена ветросолнечная энергетическая установка, содержащая каркас, на котором установлен вертикально-осевой ротор с лопастями, направляющие поток ветра жесткие солнечные панели, где ротор соединен с генератором, где вокруг лопастей ротора установлены лопатки направляющего аппарата, образующие вместе с верхней и нижней опорами каркас, причем солнечные панели расположены на лопатках направляющего аппарата, а лопасти ротора закреплены сверху и снизу между верхней и нижней опорами, отличающаяся тем, что лопатки направляющего аппарата расположены вдоль квадратных элементов верхней и нижней опор, причем верхняя и нижняя опоры выполнены кольцевыми с возможностью отвода воздушных потоков вверх и вниз ротора.These technical results are achieved due to the fact that a wind-solar power plant is claimed, containing a frame on which a vertical-axial rotor with blades is installed, rigid solar panels directing the wind flow, where the rotor is connected to a generator, where guide vanes are installed around the rotor blades, forming together with the upper and lower supports, the frame, wherein the solar panels are located on the guide vanes, and the rotor blades are fixed above and below between the upper and lower supports, characterized in that the guide vanes are located along the square elements of the upper and lower supports, with the upper and lower the supports are made annular with the possibility of removing air flows up and down the rotor.

Между верхней и нижней кольцевой опорами закреплены по меньшей мере две вертикально ориентированные лопасти, закрепленные вверху и/или внизу к опорным элементам, соединенным с ось вращения ротора.Between the upper and lower annular supports, at least two vertically oriented blades are fixed, fixed at the top and/or bottom to the support elements connected to the axis of rotation of the rotor.

Предпочтительно, каждая кольцевая опора соединена с осью вращения ротора горизонтально расположенными лопастями, где в нижней кольцевой опоре лопасти ориентированы направлением воздушного потока вниз, а в верхней кольцевой опоре лопасти ориентированы направлением воздушного потока вверх.Preferably, each annular support is connected to the axis of rotation of the rotor by horizontally located blades, where in the lower annular support the blades are oriented with the direction of the air flow downwards, and in the upper annular support the blades are oriented with the direction of the air flow upwards.

Предпочтительно, между верхней и нижней кольцевой опорами на оси закреплены по меньшей мере две вертикально расположенные лопасти, закрепленные вверху и внизу с опорными пластинами, а каждая опорная пластина в центре соединена с осью вращения ротора.Preferably, between the upper and lower annular supports, at least two vertically arranged blades are fixed on the axis, fixed at the top and bottom with support plates, and each support plate in the center is connected to the axis of rotation of the rotor.

Допустимо, что нижняя опорная пластина в центре соединена с ось вращения ротора через муфту свободного хода.It is possible that the lower support plate in the center is connected to the rotor's axis of rotation through a freewheel.

Предпочтительно, лопатки направляющего аппарата также установлены в верхней части ротора над верхней кольцевой опорой и ориентированы под уклоном к ней.Preferably, the guide vanes are also mounted in the upper part of the rotor above the upper annular support and oriented at an angle to it.

Предпочтительно, все кольцевые опорные элементы выполнены прозрачными.Preferably, all annular support elements are transparent.

Предпочтительно, лопатки направляющего аппарата на краях содержат присоски, которыми закреплены к верхней и нижней опорам.Preferably, the vanes of the guide vanes contain suction cups at the edges, which are fixed to the upper and lower supports.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

Ветросолнечная энергетическая установка состоит из каркаса, на котором установлен вертикально-осевой ротор с лопастями, направляющие поток ветра жесткие солнечные панели, где ротор соединен с генератором.The wind solar power plant consists of a frame on which a vertical-axial rotor with blades is installed, rigid solar panels directing the wind flow, where the rotor is connected to a generator.

Новым является то, что вокруг лопастей ротора установлены лопатки направляющего аппарата вдоль квадратных элементов верхней и нижней опор, образующие вместе каркас.What is new is that guide vanes are installed around the rotor blades along the square elements of the upper and lower supports, which together form a frame.

Лопатки направляющего аппарата 5 (см. Фиг.7), размещенные вдоль квадратных элементов 4.1 и 4.2 верхней и нижней опор, соответственно, обеспечивают забор и формирование потоков воздушных масс вокруг лопастей ротора 9 таким образом, что формируется перекресток воздушных масс, в котором перетоки воздуха возникают всегда вне зависимости от направления ветра.The guide vanes 5 (see Fig.7), placed along the square elements 4.1 and 4.2 of the upper and lower supports, respectively, provide for the intake and formation of air mass flows around the rotor blades 9 in such a way that an air mass intersection is formed, in which air flows always occur regardless of wind direction.

Наглядно направления движения потоков, возникающих от лопаток направляющего аппарата, показаны на Фиг.1, в сравнении с потоками воздуха, которые возникают на установке системы Савониуса.Clearly, the directions of movement of the flows arising from the blades of the guide vanes are shown in Fig. 1, in comparison with the air flows that occur in the installation of the Savonius system.

Из схемы Фиг.1 видно, что рабочий сектор 2 заявленной установки (Фиг.1(Б)) благодаря лопаткам направляющего аппарата 5 существенно больше, чем рабочий сектор 2 в обычной установке системы Савониуса (Фиг.1(А)).From the diagram of Fig.1 it can be seen that the working sector 2 of the claimed installation (Fig.1(B)) due to the blades of the guide vane 5 is significantly larger than the working sector 2 in a conventional installation of the Savonius system (Fig.1(A)).

При этом сектор торможения потока 3 заявленной установки (Фиг.1(Б)) благодаря лопаткам направляющего аппарата 5 существенно меньше, чем рабочий сектор 2 в обычной установке системы Савониуса (Фиг.1(А)). At the same time, the flow deceleration sector 3 of the claimed installation (Figure 1(B)) due to the guide vanes 5 is significantly smaller than the working sector 2 in a conventional Savonius system installation (Figure 1(A)).

Это возникает из-за того, что потоки воздуха 1, заходя за боковые стороны квадратного каркаса 4, попадают на лопатки направляющего аппарата 5 и заводятся в направлении лопастей ротора.This occurs due to the fact that air flows 1, going beyond the sides of the square frame 4, fall on the blades of the guide vane 5 and start in the direction of the rotor blades.

Между тем, в обычной установке системы Савониуса (Фиг.1(А)) такого захода не возникает и потому рабочий сектор узок, а сектор торможения большой. Вот почему заявленная установка благодаря квадратной форме каркаса 4, которую образуют квадратные верхние и нижние опоры вместе с лопатками направляющего аппарата 5, имеет большую эффективность использования воздушных потоков воздуха 1, чем обычная установка системы Савониуса (Фиг.1(А)) , что позволяет заявленную полезную модель использовать при малых потоках ветра.Meanwhile, in a conventional setting of the Savonius system (FIG. 1(A)) such an approach does not occur, and therefore the working sector is narrow, and the braking sector is large. That is why the claimed installation, due to the square shape of the frame 4, which is formed by the square upper and lower supports together with the blades of the guide vane 5, has a greater efficiency in the use of air streams of air 1 than the conventional installation of the Savonius system (Fig. 1(A)) , which allows the claimed useful model to use at low wind flows.

Следует понимать, что направление потока ветра не влияет на создаваемый заявленной установкой эффект, поскольку она симметричная.It should be understood that the direction of the wind flow does not affect the effect created by the claimed installation, since it is symmetrical.

Если же поток ветра дует косо, например, как показано на Фиг.2, то эффект использования воздушных потоков, как можно видеть из Фиг.2, точно такой же.If, on the other hand, the wind current blows obliquely, for example, as shown in Fig. 2, then the effect of using air currents, as can be seen from Fig. 2, is exactly the same.

Основной проблемой современных систем Савониуса является вывод воздушных масс из зоны вращения ротора, где они создают завихрения и мешают вновь поступающему потоку эффективно давить на лопасти. В результате, при малых потоках ветра система Савониуса не работает.The main problem of modern Savonius systems is the removal of air masses from the rotor rotation zone, where they create turbulence and prevent the newly incoming flow from effectively pressing on the blades. As a result, at low wind flows, the Savonius system does not work.

Данную проблему решает система горизонтально расположенных лопастей 7 (см. Фиг.14), установленная на кольцевой опоре 6, центр которой совпадает с осью вращения 8 ротора. Данная система в заявленной установке применена инвертно.This problem is solved by a system of horizontal blades 7 (see Fig.14), mounted on an annular support 6, the center of which coincides with the axis of rotation 8 of the rotor. This system in the claimed installation is applied inverted.

За счет того (см. Фиг.6), что лопасти ротора закреплены сверху и снизу на кольцевых опорах 6.1 и 6.2, соответственно, каждая из которых соединена с осью вращения ротора горизонтально расположенными лопастями 7.1 и 7.2, соответственно, причем в нижней кольцевой опоре 6.2 лопасти 7.2 ориентированы направлением воздушного потока вниз, а в верхней кольцевой опоре 6.1 лопасти 7.1 ориентированы направлением воздушного потока вверх, обеспечивается за счет вращения горизонтально ориентированных лопастей 7.1 и 7.2 принудительный отвод воздушных масс в верхней части вверх ротора, а в нижней части - вниз ротора (см. схему направления потоков на Фиг.3). Это обеспечивает возможность работы установки при малых потоках ветра, поскольку принудительный отвод воздушных масс вверх и вниз ротора создает дополнительную тягу воздуха на лопасти и давление воздуха на последние больше, нежели в обычных установках системы Савониуса.Due to the fact (see Fig.6) that the rotor blades are fixed at the top and bottom on the annular supports 6.1 and 6.2, respectively, each of which is connected to the axis of rotation of the rotor by horizontal blades 7.1 and 7.2, respectively, and in the lower annular support 6.2 the blades 7.2 are oriented with the direction of the air flow downwards, and in the upper annular support 6.1 the blades 7.1 are oriented with the direction of the air flow upwards, due to the rotation of the horizontally oriented blades 7.1 and 7.2, the forced removal of air masses in the upper part upwards of the rotor, and in the lower part downwards of the rotor ( see flow direction diagram in Fig. 3). This makes it possible to operate the unit at low wind flows, since the forced removal of air masses up and down the rotor creates additional air draft on the blades and air pressure on the latter is greater than in conventional Savonius system installations.

Для стартового раскручивания ротора, которое обеспечивает вышеуказанный принудительный поток воздуха вверх и вниз ротора, могут применяться дополнительные лопасти системы Дарье, которые на малых ветрогенераторах могут выполняться сверху (элементы 20.1) и снизу (элементы 20.2) (см. Фиг.4).For starting spinning of the rotor, which provides the above forced air flow up and down the rotor, additional blades of the Darrieus system can be used, which on small wind turbines can be performed from above (elements 20.1) and from below (elements 20.2) (see Fig.4).

Более эффективно при использовании только пары лопастей системы Дарье располагать перпендикулярно верхнюю и нижнюю пару, как показано на Фиг.5.It is more efficient, when using only a pair of Darrieus blades, to have the upper and lower pair perpendicular, as shown in Fig.5.

Таким образом, лопасти системы Дарье могут выполняться также между верхней 6.1 и нижней 6.2 кольцевой опорами на оси. При этом, крепятся по меньшей мере две вертикально расположенные лопасти 20 вверху и внизу с опорными пластинами 21.1 (верхняя опорная пластина) и 21.2 (нижняя опорная пластина), где каждая опорная пластина в центре соединена с осью вращения ротора, своей осью вращения 8.1 и 8.2, соответственно (см. Фиг.6).Thus, the blades of the Darrieus system can also be carried out between the upper 6.1 and lower 6.2 annular bearings on the axis. At the same time, at least two vertically arranged blades 20 are attached at the top and bottom with support plates 21.1 (upper support plate) and 21.2 (lower support plate), where each support plate in the center is connected to the axis of rotation of the rotor, its axis of rotation 8.1 and 8.2 , respectively (see Fig.6).

На больших установках продольные лопасти 20 могут размещаться от верхней кольцевой опоры до нижней, причем они устанавливаются на планках 21.1 верхней опорной пластины и 21.2 - нижней опорной пластины. Нижняя опорная пластина 21.2 соединяется с осью с помощью муфты свободного хода (на чертежах не показана). Когда ротор раскручивается на скоростях более 5-6 м/с, муфта свободного хода выводит лопасти Дарье из зацепления, и они зависают, не мешая вращению основного ротора ветрогенератора.On large installations, the longitudinal blades 20 can be placed from the upper annular support to the bottom, and they are mounted on the straps 21.1 of the upper base plate and 21.2 of the lower base plate. The bottom support plate 21.2 is connected to the axle with a freewheel (not shown in the drawings). When the rotor spins at speeds of more than 5-6 m / s, the freewheel disengages the Darrieus blades, and they hang without interfering with the rotation of the main rotor of the wind generator.

Муфта свободного хода или обгонная муфта - это механическое устройство, основная задача которого - предотвращение передачи крутящего момента к ведущему валу от ведомого в моменты, когда ведомый вал начинает вращаться более быстро. Для вышеописанных задач может использоваться любая муфта свободного хода.A freewheel or overrunning clutch is a mechanical device whose main task is to prevent the transmission of torque to the drive shaft from the driven one at the moments when the driven shaft starts to rotate more quickly. Any freewheel can be used for the above tasks.

Таким образом, на больших ветроустановках нижняя опорная пластина 21.2 в центре соединена с ось вращения ротора 8.2 через муфту свободного хода.Thus, on large wind turbines, the bottom support plate 21.2 in the center is connected to the axis of rotation of the rotor 8.2 through a freewheel.

Заявленная установка помимо вышеописанных элементов содержит солнечные панели 10.1, размещенные на верхней части 4.1 квадратного элемента каркаса, а также солнечные панели 10.2, размещенные на лопатках направляющего аппарата 5 (см. Фиг.7).The claimed installation, in addition to the above elements, contains solar panels 10.1 placed on the upper part 4.1 of the square frame element, as well as solar panels 10.2 placed on the blades of the guide vane 5 (see Fig.7).

Крепление солнечных панелей 10.1 на верхней части 4.1 квадратного элемента каркаса может осуществляться жестко или присосками 22 (см. Фиг.12), где присоски 22 могут соединяться с панелями через шарнирный поворотный узел 23 (см. Фиг.9).Mounting of the solar panels 10.1 on the upper part 4.1 of the square frame element can be done rigidly or by suction cups 22 (see Fig. 12), where the suction cups 22 can be connected to the panels through a hinged swivel assembly 23 (see Fig. 9).

Электропровода всех солнечных панелей 10 соединены последовательно через вилочные разъемы 24 для солнечных панелей (см. Фиг.9). The electrical wires of all solar panels 10 are connected in series through plug connectors 24 for solar panels (see Fig.9).

Схема соединения всех солнечных панелей показана на Фиг.10 и является стандартной схемой подключения. Общие провода 16 подведены в контроллер 12.The connection diagram of all solar panels is shown in Fig. 10 and is a standard connection diagram. Common wires 16 are connected to the controller 12.

В этот же контроллер 12 подключаются провода 14 от генератора энергии 13, который вращает вал 8.2 ротора.In the same controller 12, wires 14 are connected from the power generator 13, which rotates the shaft 8.2 of the rotor.

В качестве контролера 12 может использоваться любой гибридный контроллер заряда ветряной солнечной батареи, например, гибридный контролер 12 в 24 В для 800 Вт 600 Вт 400 Вт, (см. https://verbaflowers.ru/rz140124669 или https://strelashop.ru/product/4000214924186).Any hybrid wind solar charge controller can be used as controller 12, for example, a hybrid controller 12 V 24 V for 800 W 600 W 400 W, (see https://verbaflowers.ru/rz140124669 or https://strelashop.ru /product/4000214924186).

От контроллера 12 питание на подзарядку подается на аккумулятор 11, к которому через провод 17 подключен вывод 18 раздаточного напряжения для потребителя. Это может быть розетка 220V или же разъем USB.From the controller 12, power for recharging is supplied to the battery 11, to which the output 18 of the distributing voltage for the consumer is connected through the wire 17. It can be a 220V socket or a USB connector.

Аккумулятор 11, генератор 13 и контроллер 12 могут размещаться в нижней части под элементом 4.2 каркаса в отдельном защитном кожухе 19 с целью защиты от влаги.The battery 11, the generator 13 and the controller 12 can be placed in the lower part under the frame element 4.2 in a separate protective casing 19 in order to protect against moisture.

Солнечные панели 10.1, установленные в верхней части ротора над верхней кольцевой опорой 6.1 могут быть установлены под уклоном к ней, что позволяет их использовать в качестве дополнительных лопаток направляющего аппарата для лучшего отвода воздуха из верхней части ротора.Solar panels 10.1, installed in the upper part of the rotor above the upper annular support 6.1, can be installed at an angle to it, which allows them to be used as additional guide vanes for better air removal from the upper part of the rotor.

Сами солнечные панели 10.2 фотоэлектрических преобразователей могут быть также расположены на самих основных лопатками направляющего аппарата 5, что позволяет получать больше энергии в контроллер 12. Еще больше энергии удается получать, если по крайней мере верхний кольцевой опорный элемент 6.1 и верхняя часть каркаса 4.1 будут выполнены прозрачными (см. Фиг.12). В этом случае больше солнечного света будет проникать через них на солнечные панели 10.2.The solar panels 10.2 of the photovoltaic converters themselves can also be located on the main guide vanes 5 themselves, which allows more energy to be received into the controller 12. Even more energy can be obtained if at least the upper annular support element 6.1 and the upper part of the frame 4.1 are made transparent (see Fig.12). In this case, more sunlight will penetrate through them to the solar panels 10.2.

Солнечные панели 10.2 могут крепиться к лопаткам направляющего аппарата 5 жестко (см. Фиг.7, Фиг.8), либо вся установка может быть разборной, что позволяет обеспечить портативность установки, ее возможность использования на бытовом уровне. Для разборности установки каждую солнечную панель 10.2 (они же выполняют роль лопаток направляющего аппарата 5) фиксируют по крайней мере одной присоской 22 внизу к нижней части 4.2 каркаса и одной присоске 22 к внутренней стороне верхней части 4.1 каркаса (см. Фиг.11, Фиг.12).Solar panels 10.2 can be attached to the guide vanes 5 rigidly (see Fig.7, Fig.8), or the entire installation can be collapsible, which allows for portability of the installation, its use at the domestic level. For disassembly of the installation, each solar panel 10.2 (they also act as guide vanes 5) is fixed with at least one suction cup 22 at the bottom to the bottom part 4.2 of the frame and one suction cup 22 to the inside of the upper part 4.1 of the frame (see Fig.11, Fig. 12).

Возможно использование по две присоски с каждой стороны (пример опытного образца со снятым ветрогенератором показан на Фиг.13).It is possible to use two suction cups on each side (an example of a prototype with a wind turbine removed is shown in Fig. 13).

Таким образом, размещение солнечных панелей 10 на лопатках направляющего аппарата 5 позволяет существенно повысить мощность солнечной электрогенерации установки.Thus, the placement of solar panels 10 on the blades of the guide vane 5 can significantly increase the power of solar power generation installation.

А организация с помощью направляющих 7.1, 7.2 спицевого аппарата ротора и лопаток направляющего аппарата 5 устойчивого ветрового потока позволяет задействовать не только ветровой поток по фронту установки, но и по бокам и сзади, что существенно (в 1,5-2 раза увеличивает мощность ветровой электрогенерации).And the organization with the help of guides 7.1, 7.2 of the spoke apparatus of the rotor and the blades of the guide apparatus 5 of a stable wind flow allows you to use not only the wind flow along the front of the installation, but also on the sides and back, which significantly (by 1.5-2 times increases the power of wind power generation ).

Теоретические обоснованияTheoretical justifications

Идеальная формула мощности ВСЭУ (приведённая к 1м2):The ideal formula for the power of the VSEU (reduced to 1m 2 ):

Fn = ½ ξρSV3,Fn = ½ ξρSV 3 ,

ξ - коэффициент использования энергии ветра (принято для настоящего случая достигнутые 0,21 и перспективные 0,45)ξ - coefficient of wind energy utilization (assumed for the present case, achieved 0.21 and prospective 0.45)

ρ - плотность воздушного потока, равная 1,22 кг/м3,ρ - air flow density, equal to 1.22 kg / m 3 ,

S - площадь ометаемой проекции ВСЭУ, равная 1 м2,S is the area of the swept projection of the VSEU, equal to 1 m 2 ,

V - скорость ветрового потока.V is the speed of the wind flow.

Поскольку ρ и S являются в нашем случае константами, то нам необходимо уточнить только зависимость Fn 0,21, Fn 0,45 и V:Since ρ and S are constants in our case, we only need to clarify the dependence of Fn 0.21, Fn 0.45 and V:

V,(м/сек)V,(m/s) 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 Fn 0,21,(Вт)Fn 0.21,(W) 3,53.5 16,016.0 65,665.6 170,5170.5 281,4281.4 432,3432.3 747,1747.1 1024,81024.8 Fn 0,45,(Вт)Fn 0.45,(W) 7,47.4 34,334.3 140,63140.63 365,5365.5 603,3603.3 926,7926.7 1601,61601.6 2196,92196.9

Ввиду постоянного изменения условий обтекания лопастей ротора и изменения угла атаки крыла α от 90° до -90° для расчёта применён секторальный принцип. Полный круг ротора разбит на пять секторов, в которых условия обтекания лопасти ротора примерно одинаковы, но существенно отличаются от условий в иных секторах.Due to the constant change in the conditions of the flow around the rotor blades and the change in the angle of attack of the wing α from 90° to -90°, the sectoral principle was applied for the calculation. The full circle of the rotor is divided into five sectors, in which the flow conditions around the rotor blade are approximately the same, but differ significantly from the conditions in other sectors.

Примерная разбивка на сектора (А, Б, В, Г, Д) обозначена на Фиг.15.An approximate breakdown into sectors (A, B, C, D, E) is indicated in Fig.15.

Для аэродинамического расчёта конструкции ВСЭУ (теоретического) мы воспользовались формулой Жуковского для тонкого крыла:For the aerodynamic calculation of the VSPP design (theoretical), we used the Zhukovsky formula for a thin wing:

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

Где: Where:

ρ - давление воздушного потока,ρ - air flow pressure,

υ - скорость воздушного потока,υ - air flow velocity,

d - длина хорды крыла (расстояние по потоку от передней до задней кромки крыла), d - wing chord length (distance downstream from the leading edge to the trailing edge of the wing),

α - угол атаки,α - angle of attack,

В секторе А (30°) Fn при α=1 равен In sector A (30°) Fn at α=1 is equal to

V,(м/сек)V,(m/s) 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 Fn,(Ватт)Fn,(Watts) 1,71.7 4,84.8 12,212.2 23,223.2 32,332.3 4343 6262 76,676.6

В секторе Б (90°) Fn при α=0,5 равен:In sector B (90°) Fn at α=0.5 is equal to:

V,(м/сек)V,(m/s) 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 Fn,(Ватт)Fn,(Watts) 0,80.8 2.42.4 6,16.1 11,511.5 16,116.1 2121 3232 3838

В секторе В (45°) Fn при α=0,5 равен:In sector B (45°) Fn at α=0.5 is equal to:

V,(м/сек)V,(m/s) 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 Fn,(Ватт)Fn,(Watts) 0,80.8 2.42.4 6,16.1 11,511.5 16,116.1 2121 3232 3838

Между секторами В и Г (140°) (зона торможения 3) подъёмная сила не образуется.Between sectors C and D (140°) (stagnation zone 3), lift is not generated.

В секторе Г (45°) в одиночном варианте подъёмная сила практически не образуется. Но действует сила разности давлений, поскольку давление в четвёртом секторе из-за обтекания ветровым потоком направляющего аппарата создаётся разрежение порядка 10% от ρ.In sector D (45°) in a single variant, lift is practically not formed. But the force of the pressure difference acts, since the pressure in the fourth sector, due to the wind flow around the guide vane, creates a rarefaction of the order of 10% of ρ.

В силу этого на лопасти ротора действует сила, равная: Because of this, the force acting on the rotor blades is equal to:

V,(м/сек)V,(m/s) 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 Fn,(Ватт)Fn,(Watts) 0,50.5 1,21.2 3,23.2 6,06.0 8,458.45 11,2511.25 16,216.2 2020

В комплексированном варианте в секторе Г на лопасти ротора действует сила, равная ½ силы ветрового потока в первом секторе:In the integrated version in sector G, a force equal to ½ of the wind flow force in the first sector acts on the rotor blades:

V,(м/сек)V,(m/s) 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 Fn,(Ватт)Fn,(Watts) 0,80.8 2.42.4 6.16.1 11,511.5 16,116.1 2121 3131 38,238.2

В секторе Д (10°) на лопасти ротора действует сила, равная примерно половине величины силы в первом секторе:In sector D (10 °), a force equal to about half the force in the first sector acts on the rotor blades:

V,(м/сек)V,(m/s) 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 Fn,(Ватт)Fn,(Watt) 0,80.8 2.42.4 6.16.1 11,511.5 16,116.1 2121 3131 38,238.2

Итоговая сила Fn, действующая на лопасти 1-лопаточного ротора по всей длине окружности радиуса ротора, равна:The final force Fn acting on the blades of a 1-blade rotor along the entire circumference of the rotor radius is:

V,(м/сек)V,(m/s) 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 Fn,(Ватт)Fn,(Watts) 4,6 (4.9)4.6 (4.9) 13,2 (14,4)13.2 (14.4) 33,7 (39,9)33.7 (39.9) 63,7 (69,7)63.7 (69.7) 89,05 (97,1)89.05 (97.1) 117,2 (125,6)117.2 (125.6) 173,2 (189,3)173.2 (189.3) 210 (226,2)210 (226.2)

Число лопастей устанавливается в зависимости от условий работы ВСЭУ (господствующие ветра, вероятность обледенения или покрытия снегом, пыле-каменная опасность и т.д.).The number of blades is set depending on the operating conditions of the VSPP (prevailing winds, the likelihood of icing or snow cover, dust and stone hazard, etc.).

Для установки типа «Крым» установлено, что ротор ВСЭУ-0,1 будет иметь 6 лопастей размером 100х380, ВСЭУ-50 - 32 лопатки размером 1000х9800.For the installation of the "Crimea" type, it was established that the VSEU-0.1 rotor will have 6 blades 100x380 in size, VSEU-50 - 32 blades 1000x9800 in size.

Кроме того, в каждом из секторов по-разному проявляется реактивная сила, образующаяся на лопатках ротора в зависимости от воздействия ветрового потока.In addition, in each of the sectors, the reactive force formed on the rotor blades manifests itself differently depending on the impact of the wind flow.

Расчёт реактивной силы производится по формуле: Fr = kρSV3/2,The reactive force is calculated using the formula: Fr = kρSV 3 /2,

где: k - коэффициент использования энергии ветра. Для настоящего исследования он признан равным 0,1; ρ - коэффициент плотности ветрового потока, равный 1,22; S - площадь лопасти ротора, равная 0,1 м2.where: k is the wind power utilization factor. For the present study, it is recognized as equal to 0.1; ρ - coefficient of wind flow density equal to 1.22; S is the area of the rotor blade, equal to 0.1 m 2 .

Скорость ветрового потока различается по секторам согласно поправочным коэффициентам, равным: The wind flow speed varies by sector according to the correction factors equal to:

А сектор - поправочный 1, Б сектор - 1, В сектор - 0,5, Г сектор - 0,3, Д сектор - 0,3.A sector - correction 1, B sector - 1, C sector - 0.5, D sector - 0.3, D sector - 0.3.

Суммирующая реактивная сила равна:The summing reactive force is equal to:

V, ветраV, wind 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 Fn,(Ватт)Fn,(Watts) 3,43.4 16,816.8 65,865.8 171,7171.7 281,0281.0 431,2431.2 745,0745.0 980,0980.0

Приведённая к реальной ВСЭУ-0,1 (6 лопастей) суммирующая мощность составляет:Reduced to a real VSEU-0.1 (6 blades), the summing power is:

V, ветраV, wind 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 F (Ватт)F (Watt) 33 24,824.8 98,798.7 257,55257.55 421,5421.5 646,8646.8 1117,51117.5 14701470 ξ, к.и.э.вξ, c.i.e.v 0,20.2 0,320.32 0,310.31 0,310.31 0,310.31 0,310.31 0,310.31 0,300.30

Приведённая к реальной ВСЭУ-1 (12 лопастей площадью 0,2 м2) суммирующая мощность составляет:Reduced to a real VSEU-1 (12 blades with an area of 0.2 m 2 ), the summing power is:

V, ветраV, wind 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 F (Ватт)F (Watt) 9,29.2 49,649.6 197,4197.4 515,1515.1 843843 1293,61293.6 2235,02235.0 2940,02940.0 ξ, к.и.э.вξ, c.i.e.v 0,280.28 0,320.32 0,310.31 0,280.28 0,310.31 0,320.32 0,310.31 0,300.30

Приведённая к реальной ВСЭУ-5 (24 лопасти площадью 0,9 м2 каждая) суммирующая мощность составляет:Reduced to a real VSEU-5 (24 blades with an area of 0.9 m 2 each), the summing power is:

V, ветраV, wind 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 F (Ватт)F (Watt) 27,827.8 148,8148.8 592,2592.2 1545,51545.5 2529,02529.0 3880,03880.0 67056705 88208820 ξ, к.и.э.вξ, c.i.e.v 0,280.28 0,390.39 0,370.37 0,390.39 0,370.37 0,380.38 0,370.37 0,360.36

Приведённая к реальной ВСЭУ-50 (32 лопасти площадью 3 м2 каждая) суммирующая мощность составляет:Reduced to a real VSEU-50 (32 blades with an area of 3 m 2 each), the summing power is:

V, ветраV, wind 33 55 88 11eleven 1313 1515 1818 2020 F (Ватт)F (Watt) 347,5347.5 18601860 7402,57402.5 19318,7519318.75 31612,531612.5 4850048500 83812,583812.5 110250110250 ξ,к.и.э.вξ,c.i.e.v 0,320.32 0,380.38 0,370.37 0,370.37 0,370.37 0,370.37 0,370.37 0,350.35

Расчёты по возможной генерации электроэнергии в Крыму (по месяцам) (киэвс - коэффициент использования энергии ветра и Солнца).Calculations for the possible generation of electricity in the Crimea (by months) (kiews - the coefficient of use of wind and solar energy).

Средняя по Крыму генерация электроэнергии с помощью ВСЭУ типа "Крым" показана в таблице 1.The average generation of electricity in the Crimea with the help of HSPP of the "Crimea" type is shown in Table 1.

Таблица 1Table 1 °° Ветер (получаемое на установке с киэвс 0,4)Wind (obtained on installation with kiews 0.4) Солнце (получаемое на ФЭП с КПД 0,1)The sun (obtained on solar cells with an efficiency of 0.1) Общее (для эталонных 1 кв. м)General (for reference 1 sq. m) ВСЭУ-0,1 (средняя реальная мощность, кВт)VSEU-0.1 (average real power, kW) ВСЭУ-50 (средняя реальная мощность, кВт)VSEU-50 (average real power, kW) ЯнварьJanuary 0,50.5 0,010.01 0,510.51 0,120.12 5151 ФевральFebruary 0,450.45 0,020.02 0,470.47 0,10.1 4747 МартMarch 0,40.4 0,030.03 0,430.43 0,10.1 4343 АпрельApril 0,30.3 0,050.05 0,350.35 0,080.08 3535 МайMay 0,20.2 0,060.06 0,260.26 0,070.07 2626 ИюньJune 0,10.1 0,080.08 0,180.18 0,060.06 1818 ИюльJuly 0,10.1 0,080.08 0,180.18 0,060.06 1818 АвгустAugust 0,10.1 0,080.08 0,180.18 0,060.06 1818 СентябрьSeptember 0,20.2 0,040.04 0,240.24 0,070.07 2424 ОктябрьOctober 0,30.3 0,030.03 0,330.33 0,080.08 3333 НоябрьNovember 0,40.4 0,020.02 0,420.42 0,090.09 4242 ДекабрьDecember 0,50.5 0,010.01 0,510.51 0,120.12 5151

График генерации электроэнергии в среднем по Крыму в течение года (по месяцам) показан на Фиг.16.The schedule of electricity generation on average in the Crimea during the year (by months) is shown in Fig.16.

Генерация электроэнергии с помощью установки типа "Крым" в районе Ай-Петри показана в таблице 2.Electricity generation using the Krym-type plant in the Ai-Petri area is shown in Table 2.

Таблица 2table 2 °° Ветер (получаемое на установке с киэвс 0,4)Wind (obtained on installation with kiews 0.4) Солнце (получаемое на ФЭП с КПД 0,1)The sun (obtained on solar cells with an efficiency of 0.1) Общее (для эталонных 1 кв. м)General (for reference 1 sq. m) ВСЭУ-0,1 (средняя реальная мощность, кВт)VSEU-0.1 (average real power, kW) ВСЭУ-50 (средняя реальная мощность, кВт)VSEU-50 (average real power, kW) ЯнварьJanuary 1,51.5 0,030.03 6,036.03 33 6161 ФевральFebruary 1,351.35 0,030.03 5,535.53 22 5555 МартMarch 1,351.35 0,040.04 5,545.54 22 5555 АпрельApril 1,31.3 0,050.05 5,055.05 22 5050 МайMay 1,31.3 0,060.06 5,065.06 22 5050 ИюньJune 1,21.2 0,080.08 3,083.08 1,51.5 30thirty ИюльJuly 1,21.2 0,080.08 3,083.08 1,51.5 30thirty АвгустAugust 1,21.2 0,080.08 3,083.08 1,51.5 30thirty СентябрьSeptember 1,351.35 0,060.06 5,065.06 22 5050 ОктябрьOctober 1,351.35 0,050.05 5,055.05 22 5050 НоябрьNovember 1,351.35 0,040.04 5,545.54 2,52.5 5555 ДекабрьDecember 1,51.5 0,030.03 6,036.03 33 6060

График генерации электроэнергии в самом ветренном месте Крыма в течение года (по месяцам) показан на Фиг.17.The schedule of electricity generation in the most windy place of the Crimea during the year (by months) is shown in Fig.17.

Генерация электроэнергии с помощью установки типа "Крым" в районе Керчь-Феодосия показана в таблице 3.The generation of electricity using the installation of the "Crimea" type in the Kerch-Feodosiya region is shown in Table 3.

Таблица 3Table 3 °° Ветер (получаемое на установке с киэвс 0,4)Wind (obtained on installation with kiews 0.4) Солнце (получаемое на ФЭП с КПД 0,1)The sun (obtained on solar cells with an efficiency of 0.1) Общее (для эталонных 1 кв. м)General (for reference 1 sq. m) ВСЭУ-0,1 (средняя реальная мощность, кВт)VSEU-0.1 (average real power, kW) ВСЭУ-50 (средняя реальная мощность, кВт)VSEU-50 (average real power, kW) ЯнварьJanuary 0,80.8 0,030.03 0,830.83 0,150.15 5353 ФевральFebruary 0,80.8 0,030.03 0,830.83 0,150.15 5353 МартMarch 0,70.7 0,040.04 0,740.74 0,140.14 4444 АпрельApril 0,650.65 0,050.05 0,70.7 0,130.13 4040 МайMay 0,60.6 0,060.06 0,660.66 0,120.12 3636 ИюньJune 0,550.55 0,080.08 0,630.63 0,120.12 3333 ИюльJuly 0,550.55 0,080.08 0,630.63 0,120.12 3333 АвгустAugust 0,60.6 0,080.08 0,680.68 0,120.12 3838 СентябрьSeptember 0,70.7 0,060.06 0,760.76 0,140.14 4444 ОктябрьOctober 0,80.8 0,050.05 0,850.85 0,150.15 5353 НоябрьNovember 0,80.8 0,040.04 0,840.84 0,150.15 5353 ДекабрьDecember 0,80.8 0,030.03 0,830.83 0,150.15 5353

График генерации электроэнергии в том месте Крыма, где она больше всего необходима показан на Фиг.18.The schedule of electricity generation in the place of the Crimea, where it is most needed is shown in Fig.18.

Все расчёты были подтверждены в ходе продувок в аэродинамической трубе, а также в ходе ресурсных испытаний.All calculations were confirmed during blowdowns in a wind tunnel, as well as during life tests.

В основу аэродинамического расчёта конструкции лег секторальный принцип, при котором характер действующих аэродинамических сил исследуется в зависимости от расположения аэродинамических лопастей по ветровому потоку и по отношению к лопаткам направляющего аппарата.The aerodynamic calculation of the structure is based on the sectoral principle, in which the nature of the acting aerodynamic forces is studied depending on the location of the aerodynamic blades along the wind flow and in relation to the guide vanes.

В секторе А лопатка ротора работает за счёт подъёмной силы. In sector A, the rotor blade works due to lift.

Коэффициент использования энергии ветра ξ в этом секторе максимально велик и равен для существующих профилей 0,3-0,4. В настоящее время в ЦАГИ успешно разрабатывается профиль с киэв 0,5.Wind energy utilization factor ξ in this sector is maximally high and equal to 0.3-0.4 for the existing profiles. Currently, TsAGI is successfully developing a profile with kiev 0.5.

Для условий работы настоящей ВСЭУ подъёмная сила Y составит, при:For the operating conditions of this VSPP, the lifting force Y will be, at:

Cy = 0,3C y = 0.3

ρ = 1,1 кг/м3 ρ \u003d 1.1 kg / m 3

V = 9 м/сV = 9 m/s

S = 1 м2 S \u003d 1 m 2

Y = 1,5 кW при обеспечении постоянного присутствия лопастей ротора в данном секторе.Y = 1.5 kW, while ensuring the constant presence of the rotor blades in this sector.

В секторе Б лопатка ротора работает за счёт страгивающей (парусной) силы ветра. Коэффициент использования энергии ветра ξ в этом секторе не превышает 0,2.In sector B, the rotor blade works due to the streaking (sailing) force of the wind. Wind energy utilization factor ξ in this sector does not exceed 0.2.

Максимальная мощность, создаваемая в этом секторе, 0,5 кW. The maximum power generated in this sector is 0.5 kW.

В секторе В у лопасти ротора происходит смена носка и законцовки. Законцовка начинает играть роль носка лопатки. Данный фактор требует пересмотра привычной компоновки лопатки. С учётом этого фактора наилучшим профилем становится симметричный (квазисимметричный). ξ не превышает 0,1, но это лучше, чем тормозящее усилие лопастей традиционного профиля.In sector B, the nose and tip are changed at the rotor blade. The ending begins to play the role of the toe of the shoulder blade. This factor requires a revision of the usual blade layout. Taking this factor into account, the best profile becomes symmetrical (quasi-symmetrical). ξ does not exceed 0.1, but it is better than the braking force of the blades of the traditional profile.

Максимальная развиваемая мощность в данном секторе не превышает 0,2 kW.The maximum developed power in this sector does not exceed 0.2 kW.

В секторе Г лопатка работает за счёт эффекта «подсоса» ветрового потока, при этом лопатки направляющего аппарата закрывают роторные лопатки от встречного ветрового потока. In sector G, the blade works due to the effect of "suction" of the wind flow, while the blades of the guide vane close the rotor blades from the oncoming wind flow.

Максимальная развиваемая мощность в данном секторе не превышает 0,1 kWThe maximum developed power in this sector does not exceed 0.1 kW

В пятом секторе Д лопасти ротора работают в изменённом направляющими по вектору потоке ветра. In the fifth sector D, the rotor blades operate in a modified direction along the wind flow vector.

Максимальная развиваемая мощность в данном секторе не превышает 0,1 kW.The maximum developed power in this sector does not exceed 0.1 kW.

Итоговая мощность унитарной ВСЭУ при скорости ветра 9 м/с и ометаемой площади 1 м2 может составить до 0,6 кВт-0,7 кВт. При горизонтальном комплексировании ВСЭУ мощность может быть увеличена ещё на 10%-15%.The total power of a unitary VSPP at a wind speed of 9 m/s and a swept area of 1 m 2 can be up to 0.6 kW-0.7 kW. With horizontal integration of HSPP, the power can be increased by another 10% -15%.

Как показывают расчёты и продувки, при учёте всех выше изложенных факторов, при использовании специально созданного для данного ВСЭУ профиля роторных лопастей, можно достичь коэффициента использования энергии ветра до ξ=0,4-0,45. Данный профиль описан в патенте-прототипе RU148242.As calculations and blowdowns show, taking into account all the above factors, using a profile of rotor blades specially created for this HSPP, it is possible to achieve a wind energy utilization factor of up to ξ = 0.4-0.45. This profile is described in prototype patent RU148242.

Число лопастей ротора ВСЭУ определяется по совокупности природных и экономических факторов: мощности ВСЭУ, используемых материалов, природной зоны (для обеспечения устойчивой работы ВСЭУ в зоне обильных снегопадов необходимо обеспечить минимально возможное число лопастей для соблюдения максимально возможной ветропродуваемости ВСЭУ. Это необходимо для избежания налипания снега и льда на лопатки и иные узлы и агрегаты ВСЭУ), средних значений скоростей ветра и стабильность ветрового потока в данной местности.The number of VSPP rotor blades is determined by a combination of natural and economic factors: the VSPP power, the materials used, the natural zone (to ensure the stable operation of the VSPP in the area of heavy snowfalls, it is necessary to provide the minimum possible number of blades to maintain the maximum possible wind blowing of the VSPP. This is necessary to avoid snow sticking and ice on the blades and other units and assemblies of the VSPP), the average values of wind speeds and the stability of the wind flow in the area.

Профиль лопастей на первом этапе исследований определялся по методике Н.Е. Жуковского The profile of the blades at the first stage of research was determined by the method of N.E. Zhukovsky

В результате этого этапа исследований было установлено, что наилучшим образом обеспечивают максимально высокий коэффициент использования энергии ветра ξ по ветровому фронту комбинация подъёмных и реактивных сил. As a result of this stage of research, it was found that the combination of lifting and reactive forces provides the best possible use of wind energy ξ along the wind front.

Однако, при испытаниях на натурном образце теоретически выведенные показатели достичь не удалось, поскольку на таких профилях во всех секторах, кроме 1, было обнаружена существенная тормозящая сила, вызванная сильным отклонением законцовки профиля, работающей в данных условиях как антикрыло. В ходе проведённых экспериментов, было установлено, что наилучшим профилем для всех секторов ротора ВСЭУ является квазисимметричный с хордой не менее 25% с симметричным носком (законцовкой), описанным в патенте RU 148242U. Некоторое снижение максимально возможных значений ξ в секторе 1 компенсируется отсутствием тормозящих сил во всех остальных секторах ротора. However, when testing on a full-scale sample, the theoretically derived indicators could not be achieved, since on such profiles in all sectors, except for 1, a significant braking force was found, caused by a strong deviation of the profile tip, which works as a wing under these conditions. During the experiments, it was found that the best profile for all sectors of the HSEU rotor is quasi-symmetrical with a chord of at least 25% with a symmetrical toe (tip) described in patent RU 148242U. Some decrease in the maximum possible values of ξ in sector 1 is compensated by the absence of braking forces in all other sectors of the rotor.

Кроме того, в ходе экспериментов по агрегатированию единичных ВСЭУ в блоки, состоящих из трёх и более устройств, был обнаружен «туннельный» эффект, заключающийся в перетоке ветрового потока из сектора Б, где его давление выше среднего по окружающей среде на 10%-15%, в сектор Г стоящего слева агрегата, где давление ниже на 10%-15% окружающей среды в связи с тем, что данный сектор прикрыт лопастью направляющего аппарата. В связи с этим, лопатка ротора начинает работать на подъёмную силу не только в секторе А, но и в секторах этого устройства Б и Г. In addition, in the course of experiments on the aggregation of single VSPPs into blocks consisting of three or more devices, a “tunnel” effect was discovered, which consists in the overflow of the wind flow from sector B, where its pressure is 10% -15% higher than the average for the environment. , to sector D of the unit standing on the left, where the pressure is lower by 10% -15% of the environment due to the fact that this sector is covered by the guide vane. In this regard, the rotor blade begins to work for lift not only in sector A, but also in sectors B and D of this device.

Данный эффект позволяет рассчитывать на существенное (до 30%) повышение суммарной мощности агрегатированных устройств.This effect makes it possible to count on a significant (up to 30%) increase in the total power of aggregated devices.

Лопатки направляющего аппарата и верхняя крыша ВСЭУ образуют плоские поверхности, на которые крепятся солнечные панели. Тем самым, прибавка мощности ВСЭУ происходит без увеличения ометаемой площади, в отличие от ныне существующих ВСЭУ. The guide vanes and the upper roof of the VSPP form flat surfaces on which the solar panels are mounted. Thus, an increase in the power of the VSPP occurs without an increase in the swept area, in contrast to the currently existing VSPU.

Таким образом, удельная электрическая мощность ВСЭУ заявленной конструкции по расчётам и натурным испытаниям достигала 0,6-0,65 кВт/м2 ометаемой площади при использовании существующих узлов и агрегатов, с возможностью повышения этого показателя до 0,79-0,81 кВт/м2 при разработке оптимизированных узлов и агрегатов. Thus, the specific electrical power of the VSPP of the claimed design, according to calculations and full-scale tests, reached 0.6-0.65 kW / m 2 of swept area using existing components and assemblies, with the possibility of increasing this figure to 0.79-0.81 kW / m 2 in the development of optimized units and assemblies.

Расчёты показали, что развиваемая на лопастях ротора центробежная сила при скорости ветра порядка 9-12 м/сек и быстроходности 1-1,5 достаточна для сбрасывания с этих лопастей снега и льда при небольшом нагреве лопастей и/или покрытии их гидрофобным лаком, а также за счёт небольшого изменения геометрии лопатки (изгиба в её центральной части).Calculations have shown that the centrifugal force developed on the rotor blades at a wind speed of about 9-12 m/s and a speed of 1-1.5 is sufficient to drop snow and ice from these blades with a slight heating of the blades and / or coating them with a hydrophobic varnish, as well as due to a slight change in the blade geometry (bending in its central part).

Неожиданным позитивным преимуществом конструкции стал проявившийся в первых же экспериментах эффект маховика. Масса конструкции ротора и роторных лопастей является достаточной, чтобы согласно расчётам:An unexpected positive advantage of the design was the flywheel effect that appeared in the very first experiments. The mass of the rotor structure and rotor blades is sufficient to, according to the calculations:

Энергия, запасенная маховиком, определяется по формуле:The energy stored by the flywheel is determined by the formula:

W=E/3600, Вт/чW=E/3600, W/h

Где Е определяется по формуле:Where E is determined by the formula:

E=J/2(wE=J/2(w 11 22 -w-w 22 22 ), Дж), J

где w 1 2 - максимальная угловая скорость вращения маховика, рад/с; w 2 2 - минимальная угловая скорость вращения маховика, рад/с; J - момент инерции, кгхм2; where w 1 2 - the maximum angular velocity of the flywheel, rad/s; w 2 2 - minimum angular speed of rotation of the flywheel, rad/s; J - moment of inertia, kg x m 2 ;

Момент инерции определяется по формуле:The moment of inertia is determined by the formula:

J=M/2(RJ=M/2(R 22 +r+r 22 ), кгм), kgm 22 ;;

где М - масса, определяется по формуле:where M is the mass, is determined by the formula:

M=(p(RM=(p(R 22 -r-r 22 )hg)/2, кг)hg)/2, kg

где R - внешний радиус маховика, м; r - внутренний радиус маховика, м; h - толщина, м; g - плотность материала, из которого изготовлен маховик, кг/м3.where R is the outer radius of the flywheel, m; r - inner radius of the flywheel, m; h - thickness, m; g is the density of the material from which the flywheel is made, kg / m 3 .

Отсюда энергию, запасенную маховиком, можно определить по формуле:From here, the energy stored by the flywheel can be determined by the formula:

W=(p(R 4 -r 4 )hg(w 1 2 -w 2 2 ))/(83600), кВт/ч [Гулиа Н.В. Инерция, М., 1982]. W \u003d (p (R 4 -r 4 )hg (w 1 2 -w 2 2 )) / (83600), kW / h [Gulia N.V. Inertia, M., 1982].

То есть, при устоявшемся ветровом потоке в течение часа не менее 10 м/сек, при ометаемой поверхности ВСЭУ порядка 1 м2 и быстроходности ротора z порядка 9, при собственной массе ротора порядка 200 кг, возможна нормальная отдача энергии 1 кВт/час при полном отсутствии ветра в течение 1 часа. That is, with a steady wind flow for an hour of at least 10 m/s, with a swept surface of the VSPP of the order of 1 m no wind for 1 hour.

Данный фактор делает возможным изготовление бытовых упрощенных электромеханических инверторов-контроллеров, поскольку делает ВСЭУ нечувствительным к наиболее вредным минутным и десятиминутным колебаниям скорости ветра (доходящих до 100% по мощности ветрового потока). This factor makes it possible to manufacture household simplified electromechanical inverter-controllers, since it makes the VSPP insensitive to the most harmful minute and ten-minute fluctuations in wind speed (up to 100% in terms of wind flow power).

Кроме того, существенно снижается требование к ёмкости агрегатированной АКБ. Для обеспечения суточной потребности ВСЭУ мощностью 100 кВт достаточно АКБ порядка 10 кАмпер/час. In addition, the requirement for the capacity of the aggregated battery is significantly reduced. To meet the daily needs of a 100 kW VSPP, a battery of about 10 kA/h is sufficient.

В конечном итоге, мы можем констатировать, что удалось создать вполне работоспособную компактную ветросолнечную энергоустановку, способную эффективно работать практически во всех климатических зонах России и в большинстве стран мира на бытовом уровне.Ultimately, we can state that we have managed to create a fully functional compact wind solar power plant that can operate effectively in almost all climatic zones of Russia and in most countries of the world at the household level.

Опытно-экспериментальные образцы различных мощностей прошли успешное испытание.Pilot samples of various capacities have been successfully tested.

В частности, в ходе испытаний двух установок: без разгонных лопастей Дарье - см. Фиг.19 и с разгонными лопастями Дарье - см. Фиг.20, удалось выяснить, что разгонные лопасти Дарье существенно уменьшают минимальную силу ветра, при которой лопасти 9 ротора начинают вращение. Для установки на Фиг.19 минимальная сила ветра для старта составляла 1,9 м/с, тогда как для установки на Фиг.20 - 1 м/с.In particular, during the tests of two installations: without accelerating Darrieus blades - see Fig.19 and with accelerating Darrieus blades - see Fig.20, it was possible to find out that the accelerating Darrieus blades significantly reduce the minimum wind force at which the rotor blades 9 start rotation. For the setting in Fig. 19, the minimum wind force for the start was 1.9 m/s, while for the setting in Fig. 20 it was 1 m/s.

Испытывались установки и с продольными лопастями от верхней кольцевой опоры до нижней (см. пример такой установки на Фиг.21). Испытания проводили под действием воздушной турбины направленного потока. Когда ротор раскручивали на скоростях более 5-6 м/с, муфта свободного хода выводила лопасти Дарье из зацепления, они успешно зависали, не мешая вращению основного ротора ветрогенератора.Installations were also tested with longitudinal blades from the upper annular support to the bottom (see an example of such an installation in Fig.21). The tests were carried out under the action of a directional flow air turbine. When the rotor was spun at speeds of more than 5-6 m/s, the freewheel disengaged the Darrieus blades, they hung successfully without interfering with the rotation of the main rotor of the wind generator.

Отдельно испытывали эффективность размещения солнечных панелей на верхней части каркаса под углом (см. фотографии опытного образца установки на Фиг.22 - вид одной и той же установки с разных ракурсов). Separately, we tested the efficiency of placing solar panels on the upper part of the frame at an angle (see photos of the prototype installation in Fig.22 - view of the same installation from different angles).

Тестировали мощность четырех солнечных панелей общей площадью равной площади верхнего квадрата каркаса.We tested the power of four solar panels with a total area equal to the area of the upper square of the frame.

В опытном образце Фиг.22 их размещали под углом к плоскости верхней каркасной панели. В контрольном образце (как в прототипе) солнечные панели лежали плоскостью по всей поверхности каркаса.In the prototype Fig.22 they were placed at an angle to the plane of the upper frame panel. In the control sample (as in the prototype), the solar panels lay flat over the entire surface of the frame.

Сравнительные испытания показали, что мощность энергоотдачи в прототипе была на 30% ниже при том же освещении, в сравнении с опытным образцом на Фиг.22.Comparative tests showed that the power output of the prototype was 30% lower under the same illumination, compared with the prototype in Fig.22.

Claims (7)

1. Ветросолнечная энергетическая установка, содержащая каркас, на котором установлен вертикально-осевой ротор с лопастями, направляющие поток ветра жесткие солнечные панели, где ротор соединен с генератором, где вокруг лопастей ротора установлены лопатки направляющего аппарата, образующие вместе с верхней и нижней квадратными опорами каркас, причем солнечные панели расположены на лопатках направляющего аппарата, а лопасти ротора закреплены сверху и снизу между верхней и нижней кольцевыми опорами, при этом лопатки направляющего аппарата расположены вдоль квадратных элементов верхней и нижней опор, причем каждая из кольцевых опор соединена с осью вращения ротора горизонтально расположенными лопастями, где в нижней кольцевой опоре лопасти ориентированы направлением воздушного потока вниз, а в верхней кольцевой опоре лопасти ориентированы направлением воздушного потока вверх.1. Wind solar power plant, containing a frame on which a vertical-axial rotor with blades is installed, rigid solar panels directing the wind flow, where the rotor is connected to a generator, where guide vanes are installed around the rotor blades, forming a frame together with the upper and lower square supports , wherein the solar panels are located on the guide vane blades, and the rotor blades are fixed above and below between the upper and lower annular supports, while the guide vanes are located along the square elements of the upper and lower supports, each of the annular supports is connected to the rotor rotation axis by horizontally located blades, where in the lower annular support the blades are oriented with the direction of the air flow downwards, and in the upper annular support the blades are oriented with the direction of the air flow upwards. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что между верхней и нижней кольцевой опорами закреплены по меньшей мере две вертикально ориентированные лопасти, закрепленные вверху и/или внизу к опорным элементам, соединенным с осью вращения ротора.2. The installation according to claim 1, characterized in that at least two vertically oriented blades are fixed between the upper and lower annular supports, fixed at the top and / or bottom to the support elements connected to the axis of rotation of the rotor. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что между верхней и нижней кольцевой опорами на оси закреплены по меньшей мере две вертикально расположенные лопасти, закрепленные вверху и внизу с опорными пластинами, а каждая опорная пластина в центре соединена с осью вращения ротора.3. Installation according to claim 1, characterized in that at least two vertically located blades are fixed on the axis between the upper and lower annular supports, fixed at the top and bottom with support plates, and each support plate in the center is connected to the axis of rotation of the rotor. 4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что нижняя опорная пластина в центре соединена с осью вращения ротора через муфту свободного хода.4. Installation according to claim 3, characterized in that the lower support plate in the center is connected to the axis of rotation of the rotor through a freewheel. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что лопатки направляющего аппарата также установлены в верхней части ротора над верхней кольцевой опорой и ориентированы под уклоном к ней.5. Installation according to claim 1, characterized in that the guide vanes are also installed in the upper part of the rotor above the upper annular support and are oriented at a slope to it. 6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что все кольцевые опорные элементы выполнены прозрачными.6. Installation according to claim 1, characterized in that all annular support elements are made transparent. 7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что лопатки направляющего аппарата на краях содержат присоски, которыми закреплены к верхней и нижней опорам.7. Installation according to claim 1, characterized in that the guide vanes contain suction cups at the edges, which are fixed to the upper and lower supports.
RU2022122032U 2022-08-14 WIND SOLAR POWER PLANT RU217734U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU217734U1 true RU217734U1 (en) 2023-04-14

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2251022C1 (en) * 2003-11-13 2005-04-27 Зазимко Вадим Николаевич Windmill electric generating plant
RU188712U1 (en) * 2018-06-08 2019-04-22 Сергей Аркадьевич Быков Photoelectric autonomous power station
RU2714584C1 (en) * 2019-01-16 2020-02-18 Ильдар Фанильевич Зайнуллин Helio-wind power plant
DE202020003848U1 (en) * 2020-09-10 2020-11-10 Hubertus W. Weckmann Device for generating electrical energy both from wind power and from sunlight

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2251022C1 (en) * 2003-11-13 2005-04-27 Зазимко Вадим Николаевич Windmill electric generating plant
RU188712U1 (en) * 2018-06-08 2019-04-22 Сергей Аркадьевич Быков Photoelectric autonomous power station
RU2714584C1 (en) * 2019-01-16 2020-02-18 Ильдар Фанильевич Зайнуллин Helio-wind power plant
DE202020003848U1 (en) * 2020-09-10 2020-11-10 Hubertus W. Weckmann Device for generating electrical energy both from wind power and from sunlight

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7008171B1 (en) Modified Savonius rotor
US10612515B2 (en) Vertical axis wind turbine
US9041239B2 (en) Vertical axis wind turbine with cambered airfoil blades
US11236724B2 (en) Vertical axis wind turbine
US20100327596A1 (en) Venturi Effect Fluid Turbine
US20140356163A1 (en) Turbomachine
Kiwata et al. Performance of a vertical axis wind turbine with variable-pitch straight blades utilizing a linkage mechanism
EP2476898A1 (en) Method and solar-powered wind plant for producing electric power
RU217734U1 (en) WIND SOLAR POWER PLANT
RU193683U1 (en) Photovoltaic Power Station
US20070160477A1 (en) Vertical axis fluid actuated turbine
RU217787U1 (en) WIND SOLAR POWER PLANT
CN104533708A (en) Gear mechanism based self-rotation blade impeller
CN204627851U (en) Vertical axis aerogenerator
RU217788U1 (en) WIND SOLAR POWER PLANT
RU2802564C1 (en) Wind and solar power plant
RU2802563C1 (en) Wind and solar power plant
KR20120139154A (en) Vertical axis type wind power generator fused lift and drag
GB2476830A (en) Vertical axis wind powered generator
TW202233958A (en) Wind power generator installable on moving body
RU2210000C1 (en) Rotary windmill
US8070449B2 (en) Wind turbine
RU2453727C1 (en) Horizontal turbine wind-powered generator
Chong et al. Design and wind tunnel testing of a Savonius wind turbine integrated with the omni-direction-guide-vane
US9217421B1 (en) Modified drag based wind turbine design with sails