RU2327056C2

RU2327056C2 - Wind-driven electric plant and support

Info

Publication number: RU2327056C2
Application number: RU2005111724/06A
Authority: RU
Inventors: Тельман Джамалдинович Каримбаев (RU); Тельман Джамалдинович Каримбаев; Дмитрий Игоревич Николаев (RU); Дмитрий Игоревич Николаев; Юрий Алексеевич Петров (RU); Юрий Алексеевич Петров; Дмитрий Викторович Афанасьев (RU); Дмитрий Викторович Афанасьев
Original assignee: Тельман Джамалдинович Каримбаев; Дмитрий Игоревич Николаев; Юрий Алексеевич Петров; Дмитрий Викторович Афанасьев
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2008-06-20
Also published as: RU2005111724A

Abstract

FIELD: power production, wind-driven electric power plants.

SUBSTANCE: wind-driven electric power rotary plant arranged on the support consists of the housing, wind wheel, electric generator incorporating a casing arranged inside the housing. The plant wind wheel has, at least, one aerodynamically shaped blade. The housing is made in the form of aerodynamically shaped diffuser self-orienting along the air flow with its front part facing the air flow carrying the said wind wheel. The diffuser and blades are fabricated from composite materials based on glass-reinforced plastics, coal-reinforced plastics and/or organic material-reinforced plastics. The plant support is a sectional and knock-down structure. In assembly, the sections are flange-connected and locked in a vertical position by means of tension members. The support base is hinged to the base plate.

EFFECT: lower production, mounting and operating costs.

8 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, а более точно касается ветровых энергетических установок, производящих электрическую энергию за счет использования силы потока воздуха.The invention relates to the field of energy, and more specifically relates to wind power plants that produce electrical energy through the use of air flow.

Известно ветроэнергетическое устройство (патент РФ №2226621, МКИ F03D 1/00, опубл. 2004), содержащее лопастное ветроколесо и генератор электрической энергии, функционально связанный с лопастями и электропотребителем.A wind power device is known (RF patent No. 2226621, MKI F03D 1/00, publ. 2004), containing a blade wind wheel and an electric energy generator, functionally connected with the blades and the consumer.

Известна лопасть ветроколеса, содержащая корпус, имеющий аэродинамическую форму (патент РФ №2046998, МКИ F03D 1/00, опубл. 1995).A known blade of a wind wheel containing a body having an aerodynamic shape (RF patent No. 2046998, MKI F03D 1/00, publ. 1995).

Известна ветроэлектрическая установка (патент РФ №2076946, МКИ F03D 1/00, опубл. 1997), содержащая башню, имеющую флюгерный стабилизатор и корпус, внутри которого размещено, по меньшей мере, одно ветроколесо, жестко соединенное с ротором электрогенератора. Перед конфузором корпуса расположен вихреконцентратор с возможностью вращения, причем расположенный так, что образуемый им вихрь частично отсекается ротором конфузора. При уменьшении скорости ветра одновременно с увеличением угла атаки, вихреконцентратор разворачивается так, что создаваемый им вихрь приближается к центру входного отверстия конфузора, что приводит к компенсации уменьшения скорости ветра и к поддержанию скорости вращения ветроколес и роторов в прежнем режиме.Known wind power installation (RF patent No. 2076946, MKI F03D 1/00, publ. 1997), containing a tower having a vane stabilizer and a housing, inside of which at least one wind wheel is placed, rigidly connected to the rotor of the electric generator. A rotational vortex concentrator is located in front of the housing confuser, and it can be rotated so that the vortex formed by it is partially cut off by the confuser rotor. With a decrease in wind speed simultaneously with an increase in the angle of attack, the vortex concentrator unfolds so that the vortex created by it approaches the center of the inlet of the confuser, which compensates for the decrease in wind speed and maintains the speed of rotation of the wind wheels and rotors in the previous mode.

Известна ветровая энергетическая установка (патент РФ №2078990, МКИ F03D 1/00, опубл. 1997), содержащая вертикальную опору, на которой закреплена многолопастная быстроходная ветротурбина, закрепленная на трубчатой консоли, редуктор, вал отбора мощности, установленный в консоли и связывающий ступицу турбины с редуктором, электрогенератор. Быстроходность ветротурбины достигается за счет того, что ее профилированные лопатки размещены на периферии ометаемой поверхности между профилированными бандажными кольцами, соединенными со ступицей турбины профилированными лонжеронами. Для увеличения скорости потока бандажные кольца спрофилированы и совместно с лопатками образуют сопловой аппарат.Known wind power installation (RF patent No. 2078990, MKI F03D 1/00, publ. 1997), containing a vertical support on which is mounted a multi-blade high-speed wind turbine mounted on a tubular console, gearbox, power take-off shaft installed in the console and connecting the turbine hub with gearbox, electric generator. The speed of the wind turbine is achieved due to the fact that its profiled blades are located on the periphery of the swept surface between the profiled retaining rings connected to the turbine hub by the profiled spars. To increase the flow rate, the retaining rings are profiled and together with the blades form a nozzle apparatus.

Известно, что наибольшая мощность, которую может отобрать свободно вращающийся винт (далее по тексту «ветроколесо» (по «открытому» типу)) от мощности набегающего потока в сформированной ветроколесом струе, будет при снижении скорости потока перед ветроколесом на 1/3 и еще на 1/3 за ветроколесом. Наибольшая мощность N_max и сила сопротивления (упора) ветроколеса F, соответствующего этой мощности будут равныIt is known that the greatest power that a freely rotating rotor can take (hereinafter referred to as “wind wheel” (“open” type)) from the incoming flow power in the jet formed by the wind wheel will be when the flow speed decreases by 1/3 in front of the wind wheel and another 1/3 for the wind wheel. The maximum power N _max and the drag force (stop) of the wind wheel F corresponding to this power will be equal

N_max=ρ·f·v³8/27, F=ρ·f·v²4/9,N _max = ρ · f · v ³ 8/27, F = ρ · f · v ² 4/9,

где ρ=0,125 кг(с)·с²/м⁴ - средняя величина плотности воздуха на уровне земли;where ρ = 0.125 kg (s) · s ² / m ⁴ is the average air density at ground level;

f (м²) - величина площади сечения, ометаемого винтом;f (m ² ) - the value of the cross-sectional area swept by the screw;

V (м/с) - скорость набегающего потока вне зоны воздействия ветроколеса на поток.V (m / s) - the speed of the incident flow outside the zone of influence of the wind wheel on the stream.

Полная мощность потока N_п, ограниченного цилиндром с площадью поперечного сечения f, будет равнаThe total power of the stream N _p limited by a cylinder with a cross-sectional area f will be equal to

N_п=m·V²/2=ρ·f·v³/2,N _n = m · V ^2/2 = ρ · f · v ^3/2,

где m=ρ·f·v - секундная масса воздуха, проходящая через сечение f.where m = ρ · f · v is the second mass of air passing through the section f.

Поэтому максимально возможная мощность от полной мощности составляет N_п величину N_max /N_п=16/27=0,5928. Это есть т.н. идеальная максимально возможная мощность ветроколеса с КПД п=1, когда не учитываются дополнительные потери энергии, возникающие на границе струи в зоне активного воздействия ветроколеса на струю за счет ничем не стесненного перетекания воздуха повышенного давления перед ветроколесом в зону пониженного давления за ним, минуя плоскость вращения ветроколеса.Therefore, the maximum possible power from full power is N _{p the} value of N _max / N _p = 16/27 = 0.5928. This is the so-called the ideal maximum possible power of the wind wheel with an efficiency of n = 1, when additional energy losses occurring at the jet boundary in the zone of the wind’s active impact on the jet due to the unrestricted flow of high pressure air in front of the wind wheel to the low pressure zone behind it, bypassing the rotation plane, are not taken into account wind wheels.

Если оценить с учетом отмеченного КПД ветроколеса, n≤0,7, то реальная максимально возможная механическая мощность N_м, снимаемая с ветроколеса от полной мощности потока N_п составит еще более низкую величину: N_м /N_п=N_maxn/N_п n≤0,7·16/27=0,415.If we estimate, taking into account the marked efficiency of the wind wheel, n≤0.7, then the real maximum possible mechanical power N _m , taken from the wind wheel from the total flow power N _p will be even lower: N _m / N _p = N _maxn / N _p n ≤0.716 / 27 = 0.415.

Поэтому свободно вращающееся ветроколесо может преобразовать в механическую энергию меньше половины энергии, заключенной в струе потока сечения f.Therefore, a freely rotating wind wheel can convert into mechanical energy less than half the energy enclosed in the stream stream of section f.

Для получения требуемого уровня энергии и механической мощности в ветроэнергетической установке «открытого» типа достигается за счет увеличения ометаемой ветроколесом площади f, т.е. увеличением диаметра ветроколеса до 30 м и более и поднятием ветроколеса на значительную высоту до 60 м и более, где скорость набегающего потока несколько больше, чем у земли.To obtain the required level of energy and mechanical power in an “open” type wind power installation, it is achieved by increasing the area f swept by the wind wheel, i.e. increasing the diameter of the wind wheel to 30 m or more and raising the wind wheel to a considerable height of 60 m or more, where the speed of the incoming flow is slightly higher than that of the earth.

Известные ветроэнергетические установки имеют большие размеры ветрового колеса и лопастей, вследствие того, что экономическая целесообразность использования таких установок определяется энергетической мощностью этих установок, которая возрастает и достигает эффективности с увеличением ометаемой лопастями ветроколеса площади. Увеличение диаметра ветроколеса приводит к непропорционально большому увеличению массы ветровой энергетической установки, ее парусности, усложнению конструкции и увеличению стоимости изготовления, монтажа и прочих эксплуатационных расходов.Known wind power plants have large sizes of the wind wheel and blades, due to the fact that the economic feasibility of using such plants is determined by the power capacity of these plants, which increases and reaches efficiency with increasing area swept by the blades of the wind wheel. An increase in the diameter of the wind wheel leads to a disproportionately large increase in the mass of the wind power installation, its windage, complicating the design and increasing the cost of manufacturing, installation and other operating costs.

Кроме того, известные ветроэнергетические установки изготавливаются из традиционных металлоемких материалов, поэтому тяжелые, трудно монтируемые практически не демонтируемые и, фактически, в силу этого, стационарные.In addition, the well-known wind power plants are made of traditional metal-consuming materials, therefore, heavy, difficult to assemble, practically non-dismountable and, in fact, due to this, stationary.

Задача предлагаемого изобретения - повышение до предельно возможного уровня эффективности работы и возможностей использования ветровых энергетических установок, уменьшение затрат на изготовление, монтаж и эксплуатацию за счет упрощения конструкции, снижения материалоемкости, уменьшения строительной высоты, а также создание компактной переносной (передвижной) автономной ветровой энергетической установки, легко монтируемой и демонтируемой, удобной в эксплуатации, и обеспечивающей выработку электроэнергии при малых скоростях ветра.The objective of the invention is to increase to the maximum possible level of operational efficiency and the possibility of using wind power plants, reducing the cost of manufacturing, installation and operation by simplifying the design, reducing material consumption, reducing the building height, as well as creating a compact portable (mobile) autonomous wind power installation easily mounted and dismantled, convenient in operation, and providing power generation at low wind speeds.

Техническим результатом является увеличение энергетической мощности с единицы ометаемой лопастями (далее по тексту - лопатками) ветроколеса площади путем ускорения вращения ветроколеса.The technical result is an increase in energy power from a unit swept by the blades (hereinafter referred to as the blades) of the area’s wind wheel by accelerating the rotation of the wind wheel.

Другим техническим результатом является увеличение выработки среднегодовой энергии.Another technical result is an increase in average annual energy production.

Другим техническим результатом является радиопрозрачность установки и снижение электронных и радиопомех за счет применения композиционных и комбинированных материалов.Another technical result is the radio transparency of the installation and the reduction of electronic and radio interference due to the use of composite and combined materials.

Другим техническим результатом является снижение шумности ветровой энергетической установки за счет поглощения акустических колебаний от возмущений воздушного потока при взаимодействии с лопастями ветроколеса и пилонами диффузора из композиционных и комбинированных материалов.Another technical result is the reduction in the noise of a wind power plant due to the absorption of acoustic vibrations from air flow disturbances when interacting with wind wheel blades and diffuser pylons made of composite and combined materials.

Еще одним техническим результатом является повышение ресурса (надежности) за счет применения композиционных материалов на основе органо, стекло, углепластиков и их комбинаций для снижения веса установки и нагрузок на опоры.Another technical result is to increase the resource (reliability) through the use of composite materials based on organo, glass, carbon fiber and their combinations to reduce the weight of the installation and the load on the supports.

Указанная задача решается тем, что ветровая энергетическая установка, содержащая ветроэлектрическое устройство, установленное на опоре с возможностью поворота и включающее корпус, ветроколесо, и электрогенератор, снабженный кожухом, установленные внутри корпуса, содержит ветроколесо, имеющее по меньшей мере одну лопатку, при этом лопатка имеет аэродинамический профиль, корпус выполнен в виде аэродинамически профилированного диффузора, самоориентирующегося по направлению воздушного потока и имеющего профиль, как показано на фиг.3, а в его передней части, направленной к входному воздушному потоку, размещено ветроколесо, при этом диффузор и лопатки выполнены из композиционных материалов на основе органопластиков и/или стеклопластиков и/или углепластиков.This problem is solved in that the wind power installation containing a wind power device mounted on a support with the possibility of rotation and including a housing, a wind wheel, and an electric generator equipped with a housing installed inside the housing, contains a wind wheel having at least one blade, while the blade has aerodynamic profile, the body is made in the form of an aerodynamically shaped diffuser, self-orientating in the direction of the air flow and having a profile, as shown in figure 3, and in a wind wheel is placed in its front part, directed to the inlet air flow, while the diffuser and the blades are made of composite materials based on organoplastics and / or fiberglass and / or carbon fiber reinforced plastics.

Целесообразно, чтобы лопатка ветроколеса имела аэродинамический профиль с изменяющимися углами закрутки лопатки по ее длине, причем угол закрутки плавно менялся от 62° до 22°.It is advisable that the blade of the wind wheel has an aerodynamic profile with varying twist angles of the blade along its length, with the twist angle gradually varying from 62 ° to 22 °.

Целесообразно также, чтобы узел поворота был выполнен в виде стержня, жестко соединенного одним концом с ветроколесом, а другим - с подшипником скольжения, расположенным на оси центра тяжести установки.It is also advisable that the rotation unit was made in the form of a rod rigidly connected at one end to a wind wheel and the other to a sliding bearing located on the axis of the center of gravity of the installation.

Целесообразно также, чтобы установка содержала силовое кольцо для повышения жесткости всей установки, которое располагается преимущественно в сечении центра тяжести установки и минимального диаметра корпуса.It is also advisable that the installation contains a power ring to increase the rigidity of the entire installation, which is located mainly in the cross section of the center of gravity of the installation and the minimum diameter of the housing.

Целесообразно, чтобы кожух электрогенератора содержал кок и обтекатель, обеспечивающие течение воздушного потока, близкое к ламинарному, и выполненные из композиционного материала на основе стекло или углепластика.It is advisable that the casing of the generator contains a coke and a fairing, providing an air flow close to laminar, and made of a composite material based on glass or carbon fiber.

Отношение площадей сечений на входе и выходе диффузора может составлять от 0,3 до 0,5.The ratio of the cross-sectional areas at the inlet and outlet of the diffuser can be from 0.3 to 0.5.

Указанная задача решается также тем, что опора выполнена секционной и сборно-разборной, при этом в сборке секции соединены между собой фланцевым соединением и фиксированы в вертикальном положении посредством растяжек, а основание опоры шарнирно соединено с опорной плитой.This problem is also solved by the fact that the support is made sectional and collapsible, while in the assembly sections are interconnected by a flange connection and fixed in a vertical position by means of braces, and the base of the support is pivotally connected to the base plate.

Целесообразно, чтобы секция имела трубчатую конструкцию в виде трехслойной трубы, наружный и внутренний слои которой выполнены из композиционного материала, а полость между ними заполнена слоем наполнителя, при этом наружный и внутренний слои выполнены из стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим, а в качестве наполнителя применены пенопластовые полукольца.It is advisable that the section has a tubular structure in the form of a three-layer pipe, the outer and inner layers of which are made of composite material, and the cavity between them is filled with a filler layer, while the outer and inner layers are made of fiberglass impregnated with an epoxy binder, and foam plastic is used as a filler half rings.

Предлагаемое изобретение поясняется описанием его выполнения и чертежами, на которых: фиг.1 - изображает общий вид ветровой энергетической установки согласно изобретению, фиг.2 - график значений угла закрутки лопатки ветроколеса по ее длине, согласно изобретению, фиг.3 - профиль диффузора той же ветровой энергетической установки, согласно изобретению, фиг.4 - внешний вид диффузора с ветроколесом, фиг.5 - внешний вид сегмента диффузора при изготовлении, фиг.6а - мачта для установки ветроэлектрического устройства, фиг.6б - увеличенный фрагмент А-Б мачты, фиг.7 - схема монтажа ветровой энергетической установки согласно изобретению, фиг.8 - график зависимости энергетической мощности ветровой энергетической установки согласно изобретению и известного «открытого» ветроколеса, фиг.9 - график зависимости количества выработанной электроэнергии ветровой энергетической установкой, согласно изобретению, и известного «открытого» ветроколеса от среднегодовой скорости.The invention is illustrated by a description of its implementation and drawings, in which: FIG. 1 is a general view of a wind power plant according to the invention, FIG. 2 is a graph of the spin angle of a wind wheel blade along its length, according to the invention, FIG. 3 is a diffuser profile of the same Fig. 4 is an external view of a diffuser with a wind wheel, Fig. 5 is an external view of a diffuser segment in manufacture, Fig. 6a is a mast for installing a wind electric device, Fig. 6b is an enlarged fragment AB mast, Fig.7 is a diagram of the installation of a wind power plant according to the invention, Fig.8 is a graph of the power capacity of a wind power plant according to the invention and the well-known "open" wind wheel, Fig.9 is a graph of the amount of generated electric power of a wind power plant according to the invention, and the famous "open" wind wheel from the average annual speed.

Ветровая энергетическая установка 1 содержит (фиг.1) силовое кольцо 2, которое установлено на опоре - мачте 3, с возможностью поворота, которое обеспечивается поворотным устройством 4. На силовом кольце 2 установлен диффузор 5. Внутри силового кольца 2 установлен пилон 8, на котором закреплен электрогенератор 9. Электрический генератор 9 обратной схемы. Корпус 10 электрогенератора, содержащий постоянные магниты, вращается (ротор), а вал 11 с электронной обмоткой и проводами неподвижен (статор). Внутреннее устройство (обмотки, магниты и др.) электрогенератора 9 и пазы на корпусе 10 на чертежах не показаны. На корпусе 10 выполнены пазы, в которые установлены лопатки 12. На передний торец корпуса 10 электрогенератора 9 устанавливается кок 13. К пилону 8 присоединяется обтекатель 14.The wind power installation 1 contains (Fig. 1) a power ring 2, which is mounted on a support mast 3, with the possibility of rotation, which is provided by a rotary device 4. A diffuser 5 is installed on the power ring 2. A pylon 8 is installed inside the power ring 2, on which fixed generator 9. Electric generator 9 reverse circuit. The housing 10 of the generator containing permanent magnets rotates (rotor), and the shaft 11 with the electronic winding and wires is stationary (stator). The internal device (windings, magnets, etc.) of the generator 9 and the grooves on the housing 10 are not shown in the drawings. On the housing 10, grooves are made in which the blades 12 are installed. On the front end of the housing 10 of the electric generator 9, a cooker 13 is installed. A fairing 14 is attached to the pylon 8.

Лопатки 12, установленные в пазы на корпусе 10 электрогенератора 9, образуют ветроколесо 15. Ветровая энергетическая установка 1 также содержит преобразователь электрической энергии, распределительное и защитное электронные устройства, блок электронного управления, накопители электрической энергии (аккумуляторы), линию электропередачи потребителю электроэнергии, которые на чертежах не показаны. Мачта 3 соединена шарниром с опорной плитой 16. Мачта 3 сборная и состоит из отдельных секций мачты 17. Мачта 3 поддерживается и фиксируется в вертикальном положении тросовыми растяжками 18. Растяжки фиксируются на земле костылями 19.The blades 12 installed in the grooves on the housing 10 of the electric generator 9 form a wind wheel 15. The wind power installation 1 also contains an electric energy converter, distribution and protective electronic devices, an electronic control unit, electric energy storage devices (batteries), an electric power transmission line that the drawings are not shown. The mast 3 is hinged to the base plate 16. The mast 3 is prefabricated and consists of separate sections of the mast 17. The mast 3 is supported and fixed in a vertical position by cable braces 18. The braces are fixed on the ground with crutches 19.

Ветроколесо 15 имеет по меньшей мере одну лопатку, при этом лопатка имеет аэродинамический профиль. Целесообразно, чтобы лопатка ветроколеса имела аэродинамический профиль с изменяющимися углами закрутки по длине (фиг.2). Угол закрутки лопатки 12 ветроколеса 15 плавно меняется от начала лопатки до ее конца по длине, составляющей 0.5 м, от 62° до 22°. Ветроколесо 15 может иметь различное число лопаток. На чертежах показано ветроколесо с тремя лопатками.The wind wheel 15 has at least one blade, and the blade has an aerodynamic profile. It is advisable that the blade of the wind wheel had an aerodynamic profile with varying twist angles along the length (figure 2). The twist angle of the blade 12 of the wind wheel 15 varies smoothly from the beginning of the blade to its end along the length of 0.5 m, from 62 ° to 22 °. Wind wheel 15 may have a different number of blades. The drawings show a wind wheel with three blades.

Диффузор 5 выполнен в виде аэродинамически профилированного канала (фиг.3), самоориентирующегося по направлению воздушного потока. Передняя часть 20 диффузора имеет форму, близкую к цилиндру, и внутри нее размещено ветроколесо 15, а задняя часть 21 имеет форму конусообразного сопла (диффузорного типа), сопрягающегося с основанием цилиндра своим основанием меньшего диаметра, при этом другое основание цилиндра направлено к входному воздушному потоку V, а основание конусообразного сопла большего диаметра является выходным. Отношение площадей сечений на входе и выходе диффузора может составлять от 0,3 до 0,5. Диффузор 5 согласно изобретению при изготовлении выполнен отдельными сегментами 6, с внутренней структурой типа «сэндвич» из композиционных материалов на основе стеклопластика и пенопластовых внутренних закладных элементов, для обеспечения его продольной и поперечной жесткости. Кроме того, целесообразно, чтобы конструкция диффузора содержала бы бандажные стяжки 7, например, из органоленты, для повышения жесткости диффузора, которые располагались бы по двум и более различным сечениям перпендикулярно оси диффузора.The diffuser 5 is made in the form of an aerodynamically shaped channel (figure 3), self-orientating in the direction of air flow. The front part 20 of the diffuser has a shape close to the cylinder, and a windwheel 15 is placed inside it, and the rear part 21 has the shape of a cone-shaped nozzle (diffuser type), which mates with the base of the cylinder with its base of a smaller diameter, while the other base of the cylinder is directed to the inlet air stream V, and the base of the cone-shaped nozzle of a larger diameter is the outlet. The ratio of the cross-sectional areas at the inlet and outlet of the diffuser can be from 0.3 to 0.5. The diffuser 5 according to the invention in the manufacture of individual segments 6, with an internal structure of the type of "sandwich" of composite materials based on fiberglass and foam inner embedded elements, to ensure its longitudinal and transverse stiffness. In addition, it is advisable that the design of the diffuser contains bandage ties 7, for example, of organolent, to increase the stiffness of the diffuser, which would be located in two or more different sections perpendicular to the axis of the diffuser.

Лопатки 12 изготавливают из двух половинок, отпрессованных отдельно, пространство между которыми заполняют пенопластом. Лопатки 12 изготавливают из композиционного материала, например стеклопластика, методом выкладки и прессованием в соответствующей пресс-форме методом горячего прессования. В пресс-форме выкладывают половинку лопатки из раскроенной углеткани (стеклоткани), углеленты и пропитанной эпоксидным связующим жидкой консистенции, прессуют, затем в сборочной пресс-форме объединяют две половинки лопаток, закладывают заранее отпрессованный хвостовик лопатки типа «ласточкин хвост», «бульбовидный», «Т-образный», а внутренний объем заполняют пенопластом. Половинки лопатки склеивают эпоксидным связующим, подпрессовывают и отверждают. После отверждения производят механическую обработку соединительного шва по кромке половинок лопатки 12 и производят доработку хвостовика под соответствующий паз на корпусе 10 генератора 9, удаляя облой.The blades 12 are made of two halves, pressed separately, the space between which is filled with foam. The blades 12 are made of a composite material, for example fiberglass, by laying out and pressing in an appropriate mold by hot pressing. In the mold, lay out the half of the blade from the cut carbon fiber (fiberglass), carbon and impregnated with an epoxy binder liquid consistency, they are pressed, then the two halves of the blades are combined in the assembly mold, the pre-pressed shank of the dovetail, “bulbous” blades are laid, "T-shaped", and the internal volume is filled with foam. The halves of the scapula are glued together with an epoxy binder, pressed and cured. After curing, the connecting seam is machined along the edge of the halves of the blades 12 and the shank is modified to fit the corresponding groove on the housing 10 of the generator 9, removing the burr.

Диффузор 5 при изготовлении формируют из отдельных сегментов 6 (фиг.5), которые объединяют бандажными лентами-стяжками 7 (фиг.4). Сегменты 6 изготавливают из композиционного материала, например стеклопластика, методом выкладки и прессованием, в заранее изготовленной пресс-форме при помощи вакуумных мешков. Сегменты диффузора 6 образованы структурой типа «сэндвич». Диффузор 5 собирают из отдельных готовых сегментов 6, которые размещают по окружности на силовом кольце 2, соединяют и укрепляют бандажными лентами-стяжками 7 на основе полимерного материала, например капрона.The diffuser 5 in the manufacture is formed from individual segments 6 (Fig. 5), which are combined with bandage bands-ties 7 (Fig. 4). Segments 6 are made of a composite material, for example fiberglass, by lay-up and pressing, in a prefabricated mold using vacuum bags. The segments of the diffuser 6 are formed by a sandwich structure. The diffuser 5 is assembled from individual finished segments 6, which are placed around the circumference on the power ring 2, are connected and strengthened with bandage bands-ties 7 based on a polymeric material, for example, nylon.

Поворотное устройство 4 ветроэлектрического устройства выполнено в виде стержня жестко соединенного одним концом с ветроколесом 15, а другим - с подшипником скольжения, и расположено в сечении центра тяжести установки. Токосъемники (на чертежах не показаны) расположены в поворотном устройстве.The rotary device 4 of the wind-driven device is made in the form of a rod rigidly connected at one end to the wind wheel 15, and the other to the sliding bearing, and is located in the section of the center of gravity of the installation. Current collectors (not shown in the drawings) are located in the rotary device.

Ветровая электрическая установка содержит силовое кольцо 2 для повышения жесткости всей установки, которое располагается преимущественно в сечении центра тяжести установки и минимального диаметра диффузора 5.The wind electric installation contains a power ring 2 to increase the rigidity of the entire installation, which is located mainly in the cross section of the center of gravity of the installation and the minimum diameter of the diffuser 5.

Силовое кольцо 2 является основным несущим элементом, воспринимающим на себя суммарные нагрузки от всех деталей. Кольцо 2 является коробчатой конструкцией, выполненной из композиционных материалов путем выкладки и намотки. В пазу намоточного приспособления выкладывают внутреннюю стенку из предварительно раскроенной стеклоткани, углеткани или углеленты и пропитанной эпоксидным связующим жидкой консистенции, затем внутренний объем заполняют пенопластом, предварительно нанеся соединительный слой эпоксидного связующего, затем наматывают с викелевкой внешнюю стенку и отверждают сборную конструкцию. После прессования производят механическую обработку соединительного шва и сверление двух отверстий по диаметру под крепеж пилона 8.The power ring 2 is the main bearing element, taking on the total load from all parts. Ring 2 is a box-shaped structure made of composite materials by laying and winding. The inner wall is laid out in the groove of the winding device from pre-cut fiberglass, carbon fabric or carbon tape and the liquid consistency impregnated with an epoxy binder, then the inner volume is filled with foam, first having applied the connecting layer of the epoxy binder, then the outer wall is wound with wickel and the assembly structure is cured. After pressing, the connecting seam is machined and two holes are drilled in diameter for the pylon mount 8.

Электрогенератор 9, снабжен кожухом, содержащим кок 13 и обтекатель 14, обеспечивающим течение воздушного потока близким к ламинарному, для снижения аэродинамических потерь. Кок 13 и обтекатель 14 изготавливают в собственных пресс-формах путем выкладки поверхности из раскроенной стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим жидкой консистенции и дальнейшем прессовании пресс-пакета вакуумным мешком и дальнейшем отверждением.The generator 9 is equipped with a casing containing a coke 13 and a fairing 14, providing an air flow close to laminar, to reduce aerodynamic losses. Kok 13 and fairing 14 are made in their own molds by laying the surface out of cut fiberglass, impregnated with an epoxy binder of liquid consistency and further pressing the press bag with a vacuum bag and further curing.

Опору-мачту 3, содержащую секции 17, соединяют шарниром 22 с опорной плитой 16, фиксируют вертикально посредством растяжек 18, костылей 19. Мачта может содержать, например, четыре секции 17. Каждая секция 17 представляет собой (фиг.6а и фиг.6б) трубчатую конструкцию с фланцевым соединением 23 этих секций. Основу составной трубчатой конструкции составляет трехслойная труба 24 из стекло- или углепластика с пенопластовым заполнителем, обеспечивающего жесткость и прочность конструкции. Внутренняя полость между внутренним и наружным слоями (стенками трубы 24) заполнена пенопластовыми полукольцами 25. Труба 24 может быть длиной 800 мм и диаметром 110 мм. Изготовляют ее следующим образом. Сначала изготавливают внутреннюю стенку трубы намоткой стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Затем на эту стенку по всей длине одевают пенопластовые полукольца 25 и поверх них, также намоткой стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим, наматывают с викелевкой внешнюю стенку трубы.The support mast 3, containing sections 17, is connected by a hinge 22 to the base plate 16, is fixed vertically by means of braces 18, crutches 19. The mast may contain, for example, four sections 17. Each section 17 is (figa and fig.6b) tubular design with flange connection 23 of these sections. The basis of the composite tubular structure is a three-layer pipe 24 made of glass or carbon fiber with a foam filler, providing rigidity and strength of the structure. The inner cavity between the inner and outer layers (walls of the pipe 24) is filled with polystyrene half rings 25. The pipe 24 can be 800 mm long and 110 mm in diameter. Make it as follows. First, the inner wall of the pipe is made by winding fiberglass impregnated with an epoxy binder. Then, foam half-rings 25 are put on this wall along the entire length, and over them, also by winding fiberglass impregnated with an epoxy binder, the outer wall of the pipe is wound with Wickel.

Относительно небольшой вес узлов и агрегатов ВЭУ позволяет проводить ее монтаж в полевых условиях без применения специальных грузоподъемных механизмов. Сборка и монтаж ВЭУ производится в следующем порядке (фиг.7).The relatively low weight of the wind turbine components and assemblies allows its installation in the field without the use of special hoisting mechanisms. Assembly and installation of wind turbines is carried out in the following order (Fig.7).

Подготовительные операции.Preparatory operations.

На ровном участке площадью около 30 м и радиусом окружности 3 м устанавливают опорную плиту 16 горизонтально по уровню и крепят ее путем вбивания в грунт четырех стальных костылей 17. Затем на расстоянии 4-5 м от плиты производят сборку ветровой энергетической установки согласно изобретению.On a flat area of about 30 m and a circle radius of 3 m, a support plate 16 is installed horizontally in level and fastened by driving four steel crutches 17 into the ground. Then, a wind power installation according to the invention is assembled at a distance of 4-5 m from the plate.

Сначала собирают ветроэнергетическое устройство 1 (по инструкции). Затем к опорной плите 16 с помощью вставляемого в проушины ответных фланцев пальца 26 крепится в горизонтальном положении первая секция 17 мачты 3, к которой с предварительным пропусканием внутри секций 17 мачты 3 электрокабеля и тросика тормоза (на чертежах не показан) крепят последующие секции 17 посредством фланцевого соединения 23 до полной высоты мачты. В верхней последней секции 17 монтируется поворотное устройство 4 для поворота диффузора 5, в проушины которого устанавливаются верхние концы растяжек 18 с открученными до упора винтовыми парами 27.First, the wind power device 1 is assembled (according to the instructions). Then, the first section 17 of the mast 3 is attached to the base plate 16 using the finger 26 inserted into the eyes of the flanges in a horizontal position, to which the subsequent sections 17 are fastened with the preliminary section inside the mast 17 of the mast 3 of the electric cable and brake cable (not shown) by means of a flange connections 23 to the full mast height. In the upper last section 17, a rotary device 4 is mounted to rotate the diffuser 5, into the eyes of which are installed the upper ends of the extensions 18 with screw pairs 27 unscrewed to the stop.

Далее, для обеспечения соосности стойки 28 опорной плиты 16, мачты 3 под диффузор 5 подкладываются необходимой толщины деревянные кружки 28, после чего к нижней части поворотного устройства 4 крепится мачта 3 ветроэнергетического устройства 1 фланцевым соединением 23.Further, to ensure the alignment of the rack 28 of the base plate 16, the mast 3 under the diffuser 5, wooden circles 28 are added of the required thickness, after which the mast 3 of the wind energy device 1 is attached to the bottom of the rotary device 4 by a flange connection 23.

Подъем рекомендуется производить в относительно тихую погоду против ветра. Перед подъемом удлиняют растяжки 18 веревками и устанавливают под них шест 29 и треногу 30. В процессе подъема (т.е. ее перехода из начального положения I в промежуточное II) нижний торец мачты 3 вращается вокруг вставленного в проушины ответного фланца опорной плиты пальца 26. Когда угол наклона к земле достигает 60 градусов (положение II), придерживая оставшуюся свободной третью растяжку 18 и страхуя ею дальнейший подъем до вертикального положения (положение III), совмещают фланец 23. Далее, растяжки 18 разводятся в стороны от предварительно вбитых в грунт костылей 19, к которым они закреплены нижними концами, и натягиваются при помощи винтовых пар 27. Завершается монтаж подсоединением концов электрокабеля к розетке штепсельного разъема преобразователя. Демонтаж и разборку проводят в обратной сборке последовательности.It is recommended to lift in relatively calm weather against the wind. Before lifting, extend the stretch marks 18 with ropes and install a pole 29 and a tripod 30 under them. During the lifting (ie, its transition from the initial position I to intermediate II), the lower end of the mast 3 rotates around the counter flange of the base plate of the finger 26 inserted into the eyes. When the angle of inclination to the ground reaches 60 degrees (position II), holding the third stretch 18 remaining free and insuring it with a further rise to a vertical position (position III), the flange 23 is combined, Next, the stretch marks 18 are pulled apart from those previously driven into g CNT crutches 19 to which they are attached the lower ends and tightened with screw pairs 27. The final installation of all electric cable connecting to a power outlet converter plug socket. Dismantling and disassembling is carried out in the reverse assembly sequence.

Ветровая энергетическая установка работает следующим образом.Wind power installation operates as follows.

Установка является самоориентируемой навстречу набегающему потоку воздуха за счет формы диффузора без применения дополнительных устройств, такого как выносной плоский флюгер (wind vane). При скорости ветра около 3 м/с происходит самозапуск ветроколеса 15. Вращение ветроколеса 15 приводит в движение корпус 10 электрогенератора 9, который вырабатывает электрический ток. При взаимодействии воздушного потока с наружной поверхностью диффузора 5 через поворотное устройство 3 происходит его самоориентирование прямо против ветра. Полученная электрическая энергия от электрогенератора 9 через токосъемники 31 по электрокабелю направляется в распределительное и защитное устройства преобразователя, накапливается в аккумуляторах электроэнергии или направляется непосредственно потребителю через линию электропередачи.The installation is self-orientating towards the oncoming air flow due to the shape of the diffuser without the use of additional devices, such as an external flat vane (wind vane). At a wind speed of about 3 m / s, the self-starting of the wind wheel 15 occurs. The rotation of the wind wheel 15 drives the housing 10 of the electric generator 9, which generates an electric current. In the interaction of the air flow with the outer surface of the diffuser 5 through the rotary device 3, it is self-oriented directly against the wind. Received electrical energy from the generator 9 through the current collectors 31 through an electric cable is sent to the distribution and protective devices of the converter, accumulated in the electric power accumulators or sent directly to the consumer through the power line.

Используемый поток воздуха принудительно формируется диффузором, подобно аэродинамической трубе. При этом скорость набегающего на лопатки ветроколеса, установленного в узком сечении диффузора, потока многократно увеличивается по сравнению со скоростью потока на входе в диффузор. Применение диффузора 5 согласно изобретению увеличивает окружную скорость вращения ветроколеса 15 на 25-30% и позволяет выходить на рабочие обороты при скорости ветра 3.5-4 м/с.The used air flow is forcedly formed by the diffuser, like a wind tunnel. At the same time, the speed of a wind wheel running on the blades installed in a narrow section of the diffuser, the flow increases significantly compared to the flow rate at the inlet to the diffuser. The use of the diffuser 5 according to the invention increases the peripheral speed of rotation of the wind wheel 15 by 25-30% and allows you to go to working speed at a wind speed of 3.5-4 m / s.

Изучалась зависимость энергетической мощности ветровой энергетической установки согласно изобретению и известного «открытого» ветроколеса. Результаты экспериментов в обобщенном виде представлены на фиг.8. Как видно из фиг.8, энергетическая мощность «открытого» ветроколеса с диаметром 1 м (кривая 1) проходит много ниже кривой 2, отражающей энергетическую мощность ветровой энергетической установки согласно изобретению того же диаметра. Так, при постоянной частоте вращения n=1000 об/мин энергетическая мощность «открытого» ветроколеса составляет 0,21 кВт, а энергетической установки согласно изобретению 1 кВт, что в 4,5 раза выше и делает использование такой установки эффективным.The dependence of the power capacity of a wind power plant according to the invention and the known “open” wind wheel was studied. The experimental results are summarized in Fig. 8. As can be seen from Fig. 8, the energy power of an “open” wind wheel with a diameter of 1 m (curve 1) goes much lower than curve 2, which reflects the energy power of a wind power plant according to the invention of the same diameter. So, at a constant speed of rotation n = 1000 rpm, the energy power of the “open” wind wheel is 0.21 kW, and the power plant according to the invention is 1 kW, which is 4.5 times higher and makes the use of such a plant efficient.

Изучалась зависимость количества выработанной электроэнергии ветровой энергетической установкой согласно изобретению и известного «открытого» ветроколеса от среднегодовой скорости ветра (фиг.8) Как видно из фиг.8, кривая 1, характеризующая вырабатываемую в год электроэнергию ветровой энергетической установки, согласно изобретению проходит много выше кривой 2, характеризующей известное «открытое» ветроколесо. Как видно из фиг.9, ветровая энергетическая установка согласно изобретению при скорости ветра 4 м/с может выработать 6,2 МВт, а известная только 0,3 МВт.The dependence of the amount of electricity generated by the wind power plant according to the invention and the known “open” wind wheel on the average annual wind speed was studied (Fig. 8). As can be seen from Fig. 8, curve 1, which characterizes the electricity generated by the wind power plant per year, according to the invention goes much higher than the curve 2, characterizing the well-known "open" wind wheel. As can be seen from Fig.9, the wind power plant according to the invention at a wind speed of 4 m / s can generate 6.2 MW, and the known only 0.3 MW.

Ветровая энергетическая установка может применяться для автономного снабжения электроэнергией бытовых приборов и зарядки аккумуляторов метеостанций, радиоузлов жилищ скотоводов, альпинистских лагерей, хуторов и т.д., т.е. там, где подключение к существующим линиям электропередач либо экономически нецелесообразно, либо технически невозможно. Может быть установлено несколько ветровых энергетических установок согласно изобретению электрогенераторы этих установок могут быть соединены последовательно между собой, что позволяет наращивать производимую мощность.The wind power installation can be used to autonomously supply electricity to household appliances and charge batteries from weather stations, radio centers of cattle breeders' dwellings, climbing camps, farms, etc., i.e. where connection to existing power lines is either not economically feasible or technically impossible. Several wind power plants according to the invention can be installed; the power generators of these plants can be connected in series with each other, which allows to increase the power produced.

Claims

1. A wind power installation comprising a wind electric device mounted on a support with the possibility of rotation and including a housing, a wind wheel, and an electric generator equipped with a casing, installed inside the housing, characterized in that the wind electric device comprises a wind wheel having at least one blade, the blade has an aerodynamic profile, the casing is made in the form of an aerodynamically shaped diffuser, self-orientating in the direction of the air flow and having a profile that 3, but in its front portion, towards the inlet airflow, taken by the wind wheel, and wherein the diffuser vanes are made of composite materials based on organic plastics and / or fiberglass and / or carbon fiber reinforced plastics.

2. The wind power installation according to claim 1, characterized in that the wind wheel blade has an aerodynamic profile with varying twist angles of the blade along its length, and the twist angle varies smoothly from 62 to 22 °.

3. The wind power installation according to claim 1, characterized in that the rotation unit is made in the form of a rod rigidly connected at one end to a wind wheel and the other to a sliding bearing located on the axis of the center of gravity of the installation.

4. The wind power installation according to claim 1, characterized in that it contains a power ring to increase the rigidity of the entire installation, which is located mainly in the cross section of the center of gravity of the installation and the minimum diameter of the housing.

5. The wind power installation according to claim 1, characterized in that the casing of the electric generator contains a cooker and a fairing, providing an air flow close to laminar, and made of a composite material based on glass or carbon fiber.

6. The wind power installation according to claim 1, characterized in that the ratio of the cross-sectional areas at the inlet and outlet of the diffuser is from 0.3 to 0.5.

7. A support for a wind power installation according to claim 1, characterized in that the support is sectional and collapsible, while in the assembly the sections are interconnected by a flange connection and fixed in an upright position by means of braces, and the base of the support is pivotally connected to the base plate .

8. The support according to claim 7, characterized in that the section has a tubular structure in the form of a three-layer pipe, the outer and inner layers of which are made of composite material, and the cavity between them is filled with a filler layer, while the outer and inner layers are made of fiberglass impregnated an epoxy binder, and foam half-rings are used as a filler.