WO2010110697A2 - Ветроэнергетическая установка - Google Patents

Ветроэнергетическая установка Download PDF

Info

Publication number
WO2010110697A2
WO2010110697A2 PCT/RU2010/000129 RU2010000129W WO2010110697A2 WO 2010110697 A2 WO2010110697 A2 WO 2010110697A2 RU 2010000129 W RU2010000129 W RU 2010000129W WO 2010110697 A2 WO2010110697 A2 WO 2010110697A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wind
blades
blade
axis
wind power
Prior art date
Application number
PCT/RU2010/000129
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2010110697A3 (ru
Inventor
Сергей Кузьмич ГОЛУШКО
Владимир Иванович МЕРКУЛОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Beтpoceти"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Beтpoceти" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Beтpoceти"
Publication of WO2010110697A2 publication Critical patent/WO2010110697A2/ru
Publication of WO2010110697A3 publication Critical patent/WO2010110697A3/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/02—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/30—Arrangement of components
    • F05B2250/31—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation
    • F05B2250/312—Arrangement of components according to the direction of their main axis or their axis of rotation the axes being parallel to each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/80—Size or power range of the machines
    • F05B2250/82—Micromachines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to the field of renewable energy, in particular, to wind energy, and in particular, to devices for generating electricity through the use of wind energy.
  • the invention can be used for the construction of cost-effective and reliable wind power stations that do not create noise and visual interference in landscapes and arranged in the form of cable-stayed networks, in the nodes of which miniature wind power plants are installed, operating using the principle of flutter with a limited amplitude fluctuation in a wide range of wind speeds , for example, 4 - 16 m / s, but not limited to the specified range.
  • the present invention can be used both for creating large wind generating stations with a capacity of several megawatts in coastal areas, on shelves, on hills in mountainous terrain, on plains, in gorges and canyons, and for creating wind generating stations near settlements and in settlements for collective or individual use.
  • Such wind turbines can provide electricity to individual consumers or groups of consumers. Due to the low noise level, such devices can be mounted on the roofs and through openings of buildings and structures, on freestanding masts and can supply electricity directly to consumers. In this case, excess electricity can be supplied to centralized networks.
  • the proposed wind power plants due to their parameters, can be used as architectural elements of buildings and structures and covered passages between them.
  • Such installations include, for example, large-sized rotor wind generators with a horizontal axis of rotation, for example, a rotor of a wind power installation, known from Canadian patent CA2591536 [1], with a vertical axis of rotation, for example, wind - a water rotor with a vertical axis, powered by wave energy and a wind generator, known from Japanese patent JP2003120499 [2].
  • They can also include wind turbines, consisting of microgenerators, for example, wind generators for producing large amounts of electricity at low wind speeds, known from Japanese patent JP2002233117 [3].
  • rotary wind generators The main disadvantage of rotary wind generators is the conversion of wind energy into electrical energy by using the principle of rotation. This leads to a great complexity of the device structures, a high noise level and a violation of the integrity of the landscape, which makes it impossible to create wind power stations near the settlements. Moreover, these devices are characterized by high material consumption in terms of 1 W of generated power, a high level of capital costs, high operating costs, and low reliability of wind generators.
  • the main disadvantages of this device is its use in a narrow range of operating wind speeds and low reliability of the device.
  • the problem solved by the present invention is to expand the range of operating wind speeds at which efficient the use of the proposed device, improving the reliability of the device, reducing the material consumption and the complexity of manufacturing devices, increasing operational reliability, reducing operating costs.
  • the stated technical problem is solved by achieving the following technical results: replacing the rotation of the wind generator by its oscillation around the axis of the wind generator due to the elastic connection of the blades with the hub, moving the center of mass of the blades backward in the direction of wind flow relative to the blade, selecting the ratio of the root, middle and end chords of each blades in such a way as to ensure complete flow around the entire blade with a wind stream.
  • the displacement of the center of mass along the flow allows us to provide a regime of stable vibrations (self-oscillations) of the blades and reduce the total mass of the wind generator.
  • the amplitude of the horizontal torsion bar is limited by rigidly fixing the end of the torsion bar in the housing of the electromechanical transducer.
  • housings of the electromechanical converters are fixed motionless in the cells of the network consisting of cables, and the cables are pulled onto the frame and provide for the capture of wind from a large area.
  • the lengths of the middle, end and root chords of the blades are determined from the condition of uniform flow blocking with deviation blades from a neutral position in the wind flow. Reducing the chords of the blades to sizes that are smaller than those obtained from the above conditions (1) and (2) can cause a parasitic phenomenon - "galloping", which can significantly reduce the efficiency of the device. Moreover, such a geometry of the blades eliminates the formation of a stall flutter, which otherwise could dampen the oscillations and lead to a decrease in the efficiency of electricity generation.
  • N I or N> 1.
  • one, two, three, four, five, six or more blades may be installed in a hub.
  • the angle of rotation of the blade from its conditionally neutral position is limited to an angle of not more than 180 ° / N in both directions.
  • the limiters of the angles of rotation of the blades from the neutral position provide an angle of rotation of each blade in each direction of no more than 60 °
  • the limiters of angles of rotation of the blades from the neutral position provide an angle of rotation of each blade in each direction no more than 30 °.
  • the choice of the number of blades mounted in the hub of the wind generator depends on the average design wind speed at the installation site of the wind generator. Moreover, the higher the average wind speed, the fewer blades should be installed, because the smaller the blades, the greater their permissible amplitude of oscillation.
  • Such ratios of the working wind speed, the number of blades and the limitation of the rotation angles provide the maximum sweeping area by the blades of wind generators and the maximum life of the device. This, in turn, ensures maximum efficiency of the wind power installation. Exceeding the indicated deviation angles can lead to structural destruction of the blades of wind generators, and deviation by smaller angles will lead to a decrease in the swept surface and a decrease in the efficiency of the device.
  • the horizontal torsion bar is rigidly pinched at an adjustable distance from the hub. Such jamming of the horizontal torsion bar allows the self-oscillation mode (flutter mode) of the wind generator to be provided in a given speed range.
  • networks containing wind generators are arranged in rows with a pitch of at least 5H meters, where H is the average installation height of the wind network, m. Arrangement of networks with a smaller step will lead to a decrease in the power of the wind flow running towards the following in the direction of flow wind network.
  • wind power installation in the form of a network with wind generators are a decorative part of a building or structure and are mounted on the roof of the building or structure.
  • a wind power installation in the form of a network with wind generators can be a decorative part of a building or structure and is fixed in the through opening of the building or structure. Such placement of a wind power installation will partially meet the needs of buildings and structures for electricity.
  • FIG. 1 shows a side view of a wind generator.
  • the middle chord is located at a height of h / 2 from the root of the blade.
  • the blade 1 is fixed using a blade torsion 5 in the hub 6.
  • FIG. 2 shows a front view of a wind generator with three blades 1.
  • the wind generator is equipped with a housing 9, mounted on a cable 10, which is part of the network.
  • the limiters of the angles of rotation of the blades from the conventionally vertical axis provide an angle of rotation of each blade in each direction of no more than 60 °.
  • FIG. 3 shows a front view of a wind generator with four blades 1.
  • the wind generator is equipped with a housing 9 mounted on a cable 10, which is part of the network.
  • the limiters of the angles of rotation of the blades from the conventionally vertical axis provide an angle of rotation of each blade in each direction of no more than 45 °.
  • FIG. 4 shows a front view of a wind generator with twelve blades 1.
  • the wind generator is equipped with a housing 9 mounted on a vertical cable 10, which is part of the network.
  • the limiters of the angles of rotation of the blades from the conditionally vertical axis provide an angle of rotation of each blade in each direction of no more than 15 °.
  • the number of blades of the wind generator is selected depending on the average design wind speed at the installation site of the device, the strength parameters of the blade material and horizontal torsion bar. The higher the strength of the material of the blade and the horizontal torsion bar, the less blades can be used.
  • FIG. 5 shows a side view of a fragment of a network in which network cables
  • FIG. 6 shows a frontal fragment of a network in which network guys 10 are attached to the rigid frame 12.
  • the network is formed by cables that form cells in the form of hexagons 13, which are fixed in the frame 12.
  • Wind generators are located in the cells of the network and are mounted on vertical cables 10. Moreover, the network of hexagons 13 and frame 12 are not rotary. Each wind generator has the ability to rotate in its hexagonal cell around an axis formed by a vertical cable
  • FIG. 7 shows a frame 12 with a wind network, consisting of many wind generators, mounted with cable 14 on a rack - mast 15.
  • the mast 15 is fixed in the design position by adjustable braces 16 in the foundations - anchors 17.
  • the frame with the wind network 12 can rotate 180 ° around its axis for "catching" the wind flow.
  • FIG. 8 shows a ground-based wind power station, consisting of many wind networks 12, mounted with cables 14 on the masts 15, held by adjustable braces 16 in the foundations - anchors 17.
  • Such networks can provide energy generation at, for example, 200 kW per hectare with an estimated wind speed of 8 m / s and a mast height of 30 m.
  • rotary wind turbines which are a source of strong noise
  • such networks can be located near settlements, on pastures and other agricultural land.
  • they can be used as architectural elements, scenery, for example, in ski resorts, to decorate the surroundings of beaches and fishing villages.
  • FIG. 9 shows a wind power station mounted in a canyon, fjord or mountain gorge. The gorges extend from the tops of mountains with low temperature to valleys with high temperature, which creates a constant flow of air.
  • an air dam from a wind network blocking a mountain gorge 2 kilometers wide is capable of delivering several megawatts of power to the network.
  • FIG. 10 shows a wind power station mounted on a floating platform.
  • Many wind generators mounted on frames 12 are attached to the masts 15 with braces 16.
  • Such a floating structure can be anchored at such a distance from the coast that provides a constant flow of wind.
  • a cable for supplying electricity can be laid along the bottom of the shelf or mounted on buoys.
  • Wind power installation works as follows. In those places of the natural landscape where there are constant strong air currents, for example, in canyons, fjords, coastal areas and shelves, wind networks are mounted on masts with braces and used in a stationary mode on the ground or in a mobile mode on a floating platform.
  • Electric wind generators are placed on vertical cables 10 in frames 12 with the possibility of rotation of wind generators on cables 10 around a vertical axis by 180 ° under the influence of wind.
  • Networks can be posted in several rows with a certain interval between them in a mutually perpendicular direction.
  • Wind jets cause bending-torsional vibrations of the blades 1 of wind generators.
  • the ratio of the lengths of the chords 2, 3 and 4 and the removal of the center of mass from the plane of the blade 1 in the direction of the wind provide stable oscillations (flutter).
  • the vibration energy of the blades 1 of the wind generator is converted into vibration energy of the horizontal torsion 7 around its axis, the angle of rotation of the blades 1 and the amplitude of the horizontal torsion vibration 7.
  • the mechanical energy of the horizontal torsion 7 vibration convert into electrical using electromechanical transducers 8.
  • Energy from individual wind generators is summed up and supplied via cable to a transformer substation, from where it is supplied directly by consumers or to a centralized network.
  • the operability of the wind power installation has been proven on the design of wind generators with 1, 2, 3, 4, 5, 6 and l2 blades, with a spreaded diameter of about 0.085 m. It has been experimentally shown that the optimal diameter of the circle swept by the blades is in the range 0.075 - 0.1 m.
  • the end chord of each blade was -0.02 m, the root chord -0.01 m, the average chord -0.015 m, and the blade length was -0.03 m.
  • the diameter of the hub of the wind generator was -0.02 m, the total diameter along the end chords of the blades was ⁇ 0.085 m.
  • the flutter frequency varied in the interval depending on the wind speed of 10 ... 15 Hz. With a flutter frequency of 10-15 Hz, a throwing area of 0.05 m 2 , the power of one wind generator, depending on the wind speed, ranged from 0.4 to 3.2 watts.
  • a wind network is needed - a wind power installation consisting of many micro-wind generators from 2.5 thousand to 25 thousand pieces. In the case of mounting the mast on the mast vetrosetey 100 m high mount allow vetroseti total area of 1250m 2 which will produce energy power 125kW.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

Ветроэнергетическая установка содержит, по меньшей мере, один ветрогенератор, состоящий из лопастей, воспринимающих энергию ветра и связанного с ними, по меньшей мере, одного электромеханического преобразователя. Лопасти ветрогенератора закреплены с возмоясиостью совершать изгибные колебания - поперек потока, и крутильные колебания - вдоль собственной оси жесткости (флаттер). Ветрогенератор размещен в ячейках сети с возможность поворота вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра, для чего лопасти расположены сзади от оси поворота. Сети с помощью мачт и растяжек вывешены в несколько рядов с некоторым интервалом между ними. Каждый ветрогенератор снабжен связанной с горизонтальным торсионом ступицей, в которой с возможностью поворота вокруг своей оси установлены лопасти. Каждая лопасть снабжена торсионом, ось которого совпадает с продольной осью лопасти и который соединяет лопасть и ступицу, а центр масс каждой лопасти вынесен назад по направлению потока ветра по отношению к оси лопасти. Изобретение обеспечивает расширение диапазона рабочих скоростей потока.

Description

Ветроэнергетическая установка
Изобретение относится к области возобновляемой энергетики, в частности, к ветроэнергетике, а именно, к устройствам для генерирования электроэнергии посредством использования энергии ветра. Изобретение может быть использовано для строительства экономически эффективных и надежных ветроэнергетических станций, не создающих шума и визуальных помех в ландшафтах и устроенных в виде вантовых сетей, в узлах которых размещены миниатюрные ветроэнергетические установки, работающие с использованием принципа флаттера с ограниченным амплитудным колебанием в широком диапазоне скоростей ветра, например, 4 - 16 м/сек, но не ограниченным указанным диапазоном.
Благодаря своим техническим параметрам предлагаемое изобретение может найти применение как для создания крупных ветрогенерирующих станций мощностью в несколько мегаватт в прибрежных районах, на шельфах, на возвышенностях в гористой местности, на равнинах, в ущельях и каньонах, так и для создания ветрогенерирующих станций вблизи населенных пунктов и в населенных пунктах для коллективного или индивидуального использования. Такие ветроэнергетические установки могут обеспечивать электроэнергией отдельных потребителей или группы потребителей. Из-за низкого уровня шумов такие устройства могут монтироваться на крышах и в сквозных проемах зданий и сооружений, на отдельно стоящих мачтах и подавать электроэнергию непосредственно потребителям. При этом излишки электроэнергии могут подаваться в централизованные сети. Предлагаемые ветроэнергетические установки, благодаря своим параметрам, могут использоваться в качестве архитектурных элементов зданий и сооружений и крытых переходов между ними.
Известны ветрогенерирующие установки, преобразующие энергию ветра в кинетическую энергию вращения, а кинетическую энергию вращения - в электрическую энергию. К таким установкам относятся, например, крупноразмерные роторные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения, например, ротор ветроэнергетической установки, известный из патента Канады CA2591536 [1], с вертикальной осью вращения, например, ветряной - водяной ротор с вертикальной осью, работающий от энергии волны и ветряной генератор, известный из патента Японии JP2003120499 [2]. К ним можно также отнести ветрогенерирующие установки, состоящие из микрогенераторов, например, ветрогенераторы для производства большого количества электроэнергии при малых скоростях ветра, известный из патента Японии JP2002233117 [3]. Основным недостатком роторных ветрогенераторов является преобразование энергии ветра в электрическую энергию путем использования принципа вращения. Это приводит к большой сложности конструкций устройства, высокому уровню шума и нарушению целостности ландшафта, что не дает возможности создавать ветроэнергетические станции вблизи поселений. Более того, указанные устройства характеризуются большой материалоемкостью в пересчете на 1 Вт генерируемой мощности, высоким уровнем капитальных затрат, большими эксплуатационными затратами, низкой надежностью работы ветрогенераторов.
Известны способы генерирования электроэнергии посредством использования энергии ветра, которые исключают вращательное движение. Эти способы преобразуют колебательные движения лопастей устройств, получаемых за счет использования энергии ветра. Так, из патента США US4536674 [4], известен ветрогенератор электрической энергии, использующий пьезоэлектрический преобразователь, смонтированный на гибкой лопатке, которая в свою очередь смонтирована на независимом гибком поддерживающем элементе, при этом поток, обтекающий лопатку, приводит к возникновению напряжения изгиба в пьезоэлектрическом полимере, который производит электрическую энергию. Основным недостатком способа генерирования является образование срывного флаттера за поверхностью лопатки при ее обтекании, что приводит к диссипации энергии и низкому КПД преобразования энергии ветра в электрическую.
Из патента Японии JP2007016756 [5] известно устройство ветрогенератора, содержащее направленную к ветру лопасть в виде свернутой вдвое трапециевидной пластины и генератора, генерирующего энергию за счет преобразования вибрации лопасти. Лопасть подвергается упругой крутильной вибрации, а пьезоэлектрические пластины генерируют электроэнергию за счет деформации. Вибрация направлена преимущественно под прямым углом к направлению ветра. Недостатком такого способа генерации электроэнергии является то, что ветрогенератор имеет низкий КПД. Кроме того в таком устройстве требуется большое количество лепестков, так как энергия отнимается от воздуха только в пределах ширины лепестка. В целом, существующие микро ветроэнергетические установки (кратко «микpo-BЭУ») имеют малую удельную мощность, низкий КПД, тяжелый генератор и корпус.
Известна ветроэнергетическая установка (Авторское свидетельство SUl 645603 [6]), в которой предлагается устанавливать ветрогенераторы в ячейках сетки, а сетку с помощью мачт и растяжек крепить на поворотной платформе. Также известна электростатическая емкостная машина для преобразования энергии ветрового потока (Патент RU2241300 [7]), состоящая из воздушного канала, который улавливает, фокусирует и направляет воздушный поток на подвижные электроды емкостного электромеханического преобразователя. Воздушный поток вызывает поперечные колебания подвижных электродов, благодаря чему происходит преобразование энергии ветра в электрическую энергию. Недостатком указанных устройств является их большая материалоемкость, низкий КПД и, как следствие, малая удельная мощность.
Из авторского свидетельства SUl 793095 [8] известна ветроэнергетическая установка, содержащая мачты, снабженные оттяжками и установленные по периметру правильного многоугольника ветродвигатели, размещенные между мачтами и связанные с ними посредством гибких сеток, при этом ветродвигатели выполнены в виде многоярусных вертикальных роторов. Недостатком указанного устройства является наличие подшипникового узла в каждом ветродвигателе, что увеличивает материалоемкость устройства и снижает ее ресурс.
Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому изобретению является ветроэнергетическая установка профессора Меркулова по заявке 2007104713/06 [9], состоящая из лопастей, воспринимающих энергию ветра и связанных с ними электромеханических преобразователей, при этом лопасти ветрогенератора закреплены так, что они имеют возможность совершать изгибные - поперек потока и крутильные - вдоль собственной оси жесткости колебания (флаттер), при этом инерционные, упругие и геометрические параметры лопастей выбирают из условия: т l (Kh/m - о? J (KJI-CO2J-S2 ω4=0, (1) где: ω - частота колебания лопасти, 1/ceк; т - масса лопасти, кг;
/ - момент инерции лопасти относительно собственной оси жесткости, кг-м2;
Ka - крутильная жесткость лопасти относительно этой оси, Н-м; S - статический дисбаланс лопасти относительно этой оси, кг-м;
Kh- жесткость крепления лопасти к валу, Н/м, кроме того, должно выполняться соотношение: HB=U2 /(π-ω2), (2) где: U - скорость ветра, м/сек;
В - ширина лопасти, м;
H- амплитуда колебания конца лопасти, м; ω - частота колебания лопасти, 1/ceк, а ветрогенераторы размещены в ячейках сетки с возможностью поворота вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра, для чего лопасти расположены сзади от оси поворота, а сети с помощью мачт и растяжек расположены в несколько рядов с некоторым интервалом между ними, причем одна система рядов расположена перпендикулярно другой системе рядов. Основными недостатками указанного устройства является его использование в узком диапазоне рабочих скоростей ветра и небольшая надежность устройства.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является расширение диапазона рабочих скоростей ветра, при которых возможно эффективное применение предлагаемого устройства, повышение надежности устройства, снижение материалоемкости и трудоемкости изготовления устройств, повышение эксплуатационной надежности, снижение эксплуатационных затрат. Поставленная техническая задача решается путем достижения следующих технических результатов: замена вращения ветрогенератора на его колебание вокруг оси ветрогенератора за счет упругой связи лопастей со ступицей, вынос центра масс лопастей назад по направлению потока ветра по отношению к лопасти, подбор соотношения корневой, средней и концевой хорд каждой лопасти таким образом, чтобы обеспечить полное обтекание всей лопасти потоком ветра.
Указанные технические результаты достигаются за счет того, что каждый ветрогенератор ветроэнергетической установки снабжен связанной с торсионом ступицей, в которой установлены N лопастей, где N=I или N>1, с возможностью поворота вокруг своей оси, при этом каждая лопасть снабжена установленным в ней торсионом, ось которого совпадает с продольной осью лопасти и который соединяет лопасть и ступицу, а центр масс каждой лопасти вынесен назад по направлению потока ветра по отношению к оси лопасти, ветрогенератор снабжен концевым обтекателем, направленным навстречу потоку ветра, при этом электромеханический преобразователь связан муфтой с горизонтальным торсионом в месте крепления ступицы. Смещение центра масс по ходу потока позволяет обеспечить режим устойчивых колебаний (автоколебаний) лопастей и уменьшить общую массу ветрогенератора. Кроме этого, амплитуду колебаний горизонтального торсиона ограничивают жестким закреплением конца торсиона в корпусе электромеханического преобразователя.
Кроме этого, корпусы электромеханических преобразователей закрепляют неподвижно в ячейках сети, состоящей из вантов, а ванты натягивают на раму и обеспечивают улавливание ветра с большой площади.
Кроме этого, длины средней, концевой и корневой хорд лопастей определяют из условия равномерного перекрытия потока при отклонении лопасти от нейтрального положения по потоку ветра. Уменьшение хорд лопастей до размеров, которые меньше тех, которые получены из указанных выше условий (1) и (2), может вызвать паразитное явление - "галопирование", которое может существенно снизить КПД устройства. При этом такая геометрия лопастей исключает образование срывного флаттера, который в противном случае мог бы гасить колебания и приводить к снижению КПД генерирования электроэнергии.
Кроме этого, в ступице в различных вариантах технического осуществления устройства может быть установлено N лопастей, где N=I или N>1. Например, в ступице может быть установлена одна, две, три, четыре, пять, шесть или более лопастей. При этом ограничивают угол поворота лопасти от ее условно нейтрального положения на угол не более 180°/N в обе стороны.
Например, при установке в ступице трех лопастей ограничители углов поворота лопастей от нейтрального положения обеспечивают угол поворота каждой лопасти в каждую сторону не более 60°, а при установке в ступице шести лопастей ограничители углов поворота лопастей от нейтрального положения обеспечивают угол поворота каждой лопасти в каждую сторону не более 30°. Выбор количества лопастей, монтируемых в ступице ветрогенератора, зависит от средней расчетной скорости ветра в месте монтажа ветрогенерирующей установки. При этом, чем выше средняя скорость ветра, тем меньше лопастей следует устанавливать, т.к. чем меньше лопастей, тем больше их допустимая амплитуда колебаний. Такие соотношения рабочей скорости ветра, количества лопастей и ограничения углов поворота обеспечивают максимальную площадь ометания лопастями ветрогенераторов и максимальный ресурс работы устройства. Это, в свою очередь, обеспечивает максимальный КПД ветроэнергетической установки. Превышение указанных углов отклонения может привести к конструктивному разрушению лопастей ветрогенераторов, а отклонение на меньшие углы приведет к снижению ометаемой поверхности и уменьшению КПД устройства. Кроме этого, горизонтальный торсион жестко защемлен на регулируемом расстоянии от ступицы. Такое защемление горизонтального торсиона позволяет обеспечить режим автоколебаний (режим флаттера) ветрогенератора в заданном диапазоне скоростей. В одном из вариантов технического осуществления ветроэнергетической установки сети, содержащие ветрогенераторы, расставляют с шагом рядов не менее 5H метров, где H - средняя высота установки ветросети, м. Расстановка сетей с меньшим шагом приведет к уменьшению мощности потока ветра, набегающего на следующие по направлению потока ветра сети.
В другом варианте технического осуществления ветроэнергетической установки сети с помощью мачт и растяжек монтируют на плавучей платформе, платформу закрепляют якорем, а ветроэнергетическую установку соединяют с системой распределения электроэнергии через кабель-трос. Такое размещение ветроэнергетической установки позволяет использовать постоянные потока ветра в прибрежных районах.
Еще в одном варианте технического осуществления ветроэнергетической установки в виде сети с ветрогенераторами являются декоративной частью здания или сооружения и закреплены на крыше здания или сооружения.
Кроме того, ветроэнергетическая установка в виде сети с ветрогенераторами может быть декоративной частью здания или сооружения и закреплена в сквозном проеме здания или сооружения. Такое размещение ветроэнергетической установки позволит частично обеспечить потребности зданий и сооружений в электроэнергии.
Существо заявляемых способа и устройства и примеры их промышленного применения поясняется Фиг.l, Фиг.2, Фиг.З, Фиг.4, Фиг.5, Фиг.6, Фиг.7., Фиг.8, Фиг.9, Фиг.10. На Фиг. 1 показан боковой вид ветрогенератора. Ветрогенератор состоит из лопастей 1, характеризующихся высотой h и длиной хорд: концевой хорды 2 длиной Li, средней хорды 3 длиной ∑2, где ∑2=B (ширина лопасти) и корневой хорды 4 длиной Zj. При этом средняя хорда находится на высоте h/2 от корня лопасти. Лопасть 1 закреплена с помощью лопастного торсиона 5 в ступице 6. Ступица 6 жестко закреплена на горизонтальном торсионе 7. На торсионе 7 неподвижно закреплена муфта электромеханического генератора 8. Ветрогенератор снабжен корпусом 9, который защищает электромеханический генератор 8 от атмосферных воздействий и служит опорой для торсиона 7. Корпус 9 закреплен на ванте 10, являющимся частью сети. Обтекатель корпуса 9 обращен к потоку ветра 11. На Фиг. 2 показан фронтальный вид ветрогенератора с тремя лопастями 1. Ветрогенератор снабжен корпусом 9, закрепленном на ванте 10, являющимся частью сети. Ограничители углов поворота лопастей от условно вертикальной оси обеспечивают угол поворота каждой лопасти в каждую сторону не более, чем на 60°. На Фиг. 3 показан фронтальный вид ветрогенератора с четырьмя лопастями 1. Ветрогенератор снабжен корпусом 9, закрепленном на ванте 10, являющимся частью сети. При этом ограничители углов поворота лопастей от условно вертикальной оси обеспечивают угол поворота каждой лопасти в каждую сторону не более 45°. На Фиг. 4 показан фронтальный вид ветрогенератора с двенадцатью лопастями 1. Ветрогенератор снабжен корпусом 9, закрепленном на вертикальном ванте 10, являющимся частью сети. Ограничители углов поворота лопастей от условно вертикальной оси обеспечивают угол поворота каждой лопасти в каждую сторону не более 15°. Количество лопастей ветрогенератора выбирается в зависимости от средней расчетной скорости ветра в месте монтажа устройства, прочностных параметров материала лопасти и горизонтального торсиона. Чем выше прочность материала лопасти и горизонтального торсиона, тем меньше лопастей можно использовать. На Фиг. 5 показан боковой вид фрагмента сети, в которой ванты сети
10 крепятся к жесткой раме 12.
На Фиг. 6 показан фронтальный фрагмент сети, в которой ванты сети 10 крепятся к жесткой раме 12. Сеть сформирована вантами, образующими ячейки в форме шестигранников 13, которые закреплены в раме 12.
Ветрогенераторы расположены в ячейках сети и закреплены на вертикальных вантах 10. При этом сеть из шестигранников 13 и рама 12 - не поворотные. Каждый ветрогенератор имеет возможность поворота в своей шестигранной ячейке вокруг оси, образованной вертикальным вантом
10.
На Фиг. 7 показана рама 12 с ветросетью, состоящей из множества ветрогенераторов, закрепленная с помощью вант 14 на стойке - мачте 15. Мачта 15 закреплена в проектном положении регулируемым расчалками 16 в фундаментах - анкерах 17. Рама с ветросетью 12 может вращаться на 180° вокруг своей оси для «yлaвливaния» потока ветра.
На Фиг. 8 показана наземная ветроэнергетическая станция, состоящая из множества ветросетей 12, смонтированных с помощью вантов 14 на мачтах 15, удерживаемых регулируемыми расчалками 16 в фундаментах - анкерах 17.
Отсутствие больших лопастей позволяет использовать стойки - мачты 15 на расчалках 16. В отличие от консольных мачт, которые подвергаются большим изгибным усилиям, эти мачты не нуждаются в глубоком фундаменте, имеют малую массу и потому оказываются дешевыми в изготовлении и в монтаже. Перпендикулярно расположенные ветросети ловят ветер при любом его направлении. При этом шаг ветросетей составляет 5H, где H - средняя высота установки ветросети, м.
Такие сети могут обеспечить выработку энергии на уровне, например, 200 кВт с каждого гектара при расчетной скорости ветра 8 м/сек и высоте мачт 30 м. В отличие от роторных ВЭУ, которые являются источником сильного шума, такие сети могут располагаться вблизи населенных пунктов, на пастбищах и других сельскохозяйственных угодьях. Более того, они могут использоваться как архитектурные элементы, декорации, например, на горнолыжных курортах, украшать окрестности пляжей и рыбацких поселков. На Фиг. 9 показана ветроэнергетическая станция, смонтированная в каньоне, фьорде или горном ущелье. Ущелья простираются от вершин гор с низкой температурой до долин с высокой температурой, что создает постоянный поток воздуха. И если в других, даже ветренных местах, например, на побережьях, ветер сменяется периодом безветрия, то в ущельях дует постоянный ветер. Например, воздушная плотина из ветросети, перегораживающая горное ущелье шириной 2 километра, способна выдавать в сеть энергию мощности несколько мегаватт.
На Фиг. 10 показана ветроэнергетическая станция, смонтированная на плавучей платформе. Множество ветрогенераторов, смонтированных на рамах 12, крепят к мачтам 15 расчалками 16. Такая плавучая конструкция может быть закреплена якорями на таком удалении от берега, которое обеспечивает постоянный поток ветра. Кабель для подачи электроэнергии может быть проложен по дну шельфа или закреплен на бакенах. Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. В тех местах природного ландшафта, где имеются постоянные сильные воздушные потоки, например, в каньонах, фьордах, прибрежных районах и шельфах монтируют ветросети на мачтах с расчалками и используют в стационарном режиме на земле или в подвижном режиме на плавучей платформе. Электрические ветрогенераторы размещают на вертикальных вантах 10 в рамах 12 с возможностью поворота ветрогенераторов на вантах 10 вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра. Сети могут быть вывешены в несколько рядов с некоторым интервалом между ними во взаимно перпендикулярном направлении. Струи ветра вызывают изгибно- крутильные колебания лопастей 1 ветрогенераторов. За счет обеспечения трех степеней свободы лопастей 1 ветрогенератора, соотношения длин хорд 2, 3 и 4 и выноса центра масс из плоскости лопасти 1 по направлению ветра обеспечивают устойчивые колебания (флаттер). Энергию колебания лопастей 1 ветрогенератора преобразуют в энергию колебания горизонтального торсиона 7 вокруг его оси, ограничивают угол вращения лопастей 1 и амплитуду колебания горизонтального торсиона 7. Механическую энергию колебания горизонтального торсиона 7 преобразуют в электрическую с помощью электромеханических преобразователей 8.
Энергия от отдельных ветрогенераторов суммируется и подается по кабелю на трансформаторную подстанцию, откуда поступает непосредственно потребителями или в централизованную сеть.
Работоспособность ветроэнергетической установки доказана на конструкции ветрогенераторов с 1, 2, 3, 4, 5, 6 и l2 лопастями, с ометаемым диаметром около 0.085 м. Опытным путем показано, что оптимальный диаметр окружности, ометаемый лопастями, находится в диапазоне 0.075 - 0.1м. Масса лопасти со смещением центра масс, провоцирующим флаттер на минимальных скоростях 8 — 16 м/с, составляла величину менее 10 г. Концевая хорда каждой лопасти составила -0,02 м, корневая -0,01 м, средняя хорда -0,015 м, а длина лопасти -0,03 м. Диаметр ступицы ветрогенератора был равен -0,02 м, общий диаметр по концевым хордам лопастей составил ~0,085 м. Частота флаттера изменялась в интервале в зависимости от скорости ветра 10 ... 15 Гц. При частоте флаттера 10-15 Гц, площади ометания 0.05 м2, мощность одного ветрогенератора в зависимости от скорости ветра составила от 0,4 до 3.2 Вт. Для получения мощности IKBT необходима ветросеть - ветроэнергетическая установка, состоящая множества микроветрогенераторов количеством от 2.5 тысяч до 25 тысяч штук. В случае монтажа ветросетей на мачте мачты высотой 100 м позволяют смонтировать ветросети общей площадью 1250м2, которые будут вырабатывать энергии мощностью 125кВт.
Литература:
1. Патент Канады CA2591536, дата публикации 2006-06-01.
2. Патент Японии JP2003120499, дата публикации 2003-04-23.
3. Патент Японии JP2002233117, дата публикации 2002-08- 16.
4. Патент США US4536674, дата публикации 1985-08-20. 5. Патент Японии JP2007016756, дата публикации 2007-01-25.
6. Авторское свидетельство SU Na 1645603, дата публикации 30.04.91. 7. Патент RU 2241300, дата публикации 27.11.04.
8. Авторского свидетельство SUl 793095, дата публикации 07.02.1992.
9. Заявка на выдачу патента 2007104713/06, дата публикации 2008.09.27

Claims

Формула изобретения
1. Ветроэнергетическая установка, содержащая, по меньшей мере, один ветрогенератор, состоящий из лопастей, воспринимающих энергию ветра и связанного с ними, по меньшей мере, одного электромеханического преобразователя, при этом лопасти ветрогенератора закреплены так, что они имеют возможность совершать изгибные колебания - поперек потока, и крутильные колебания - вдоль собственной оси жесткости (флаттер), а вeтpoгeнepaтop(ы) paзмeщeн(ы) в ячейках сети с возможность поворота вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра, для чего лопасти расположены сзади от оси поворота, при этом сети, растянутые на рамах, закреплены на одной мачте в перпендикулярных вертикальных плоскостях, кроме того, сети с помощью мачт и растяжек вывешены в несколько рядов с некоторым интервалом между ними, причем одна система рядов расположена перпендикулярно другой системе рядов и поверхности земли, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что каждый ветрогенератор снабжен связанной с торсионом ступицей, в которой установлены лопасти с возможностью поворота вокруг своей оси, при этом каждая лопасть снабжена установленным в ней торсионом, ось которого совпадает с продольной осью лопасти и который соединяет лопасть и ступицу, а центр масс каждой лопасти вынесен назад по направлению потока ветра по отношению к оси лопасти, ветрогенератор снабжен концевым обтекателем, направленным навстречу потоку ветра, при этом электромеханический преобразователь связан муфтой с горизонтальным торсионом в месте крепления ступицы.
2. Ветроэнергетическая установка по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что длины средней, концевой и корневой хорд лопастей определяют из условия равномерного перекрытия потока при отклонении лопасти от нейтрального положения по потоку ветра.
3. Ветроэнергетическая установка по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в ступице установлено N лопастей, где N=I или N>1 с ограничителями угла поворота лопасти от ее нейтрального положения в каждую сторону не более чем на 180°/N.
4. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающееся тем, что горизонтальный торсион жестко защемлен в концевом обтекателе на регулируемом расстоянии от ступицы.
5. Ветроэнергетическая установка по п.l, отличающееся тем, что концевые обтекатели ветрогенераторов закреплены в ячейках сети.
6. Ветроэнергетическая установка поп.l , отличающееся тем, что шаг сетей, вывешенных в несколько рядов с помощью мачт и растяжек, составляет не менее 5 H метров, где H - средняя высота расположения сетей.
7. Ветроэнергетическая установка по п.l и п.6, отличающееся тем, что сети с помощью мачт и растяжек смонтированы на плавучей платформе, платформа закреплена якорем, а ветроэнергетическая установка соединена с системой распределения электроэнергии через кабель-трос.
8. Ветроэнергетическая установка по п.l , отличающееся тем, что сеть является декоративной частью здания или сооружения и закреплена на крыше здания или сооружения.
9. Ветроэнергетическая установка по п.l , отличающееся тем, что сеть является декоративной частью здания или сооружения и закреплена в сквозном проеме здания или сооружения.
PCT/RU2010/000129 2009-03-26 2010-03-23 Ветроэнергетическая установка WO2010110697A2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009110880/06A RU2397361C1 (ru) 2009-03-26 2009-03-26 Ветроэнергетическая установка
RU2009110880 2009-03-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2010110697A2 true WO2010110697A2 (ru) 2010-09-30
WO2010110697A3 WO2010110697A3 (ru) 2010-11-18

Family

ID=42781704

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2010/000129 WO2010110697A2 (ru) 2009-03-26 2010-03-23 Ветроэнергетическая установка

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2397361C1 (ru)
WO (1) WO2010110697A2 (ru)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102094749A (zh) * 2011-03-09 2011-06-15 赵东南 多叶式卧式风力发动机
CN102444551A (zh) * 2011-09-28 2012-05-09 赵东南 多叶式卧式程空风力发动机
WO2012119281A1 (zh) * 2011-03-09 2012-09-13 Zhao Dongnan 多叶式卧式风力发动机
CN103423080A (zh) * 2013-08-28 2013-12-04 苏州萤火虫贸易有限公司 小型风力发电机
CN103423084A (zh) * 2013-08-27 2013-12-04 汉德联合（北京）风力技术研究院有限公司 一种风墙装置
CN112700498A (zh) * 2021-01-14 2021-04-23 中广核风电有限公司 一种基于深度学习的风力发电机叶尖定位方法及系统

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2460901C1 (ru) * 2011-03-23 2012-09-10 Общество с ограниченной ответственностью "Аэростарт" Воздушный винт ветросиловой установки с лопастями изменяемой геометрии
RU2523705C1 (ru) * 2013-04-11 2014-07-20 Степан Георгиевич Тигунцев Ветроэлектростанция с плотиной
WO2019199198A1 (ru) * 2018-04-13 2019-10-17 Владимир Борисович МИЛЕВСКИЙ Способ решения энергетической задачи создания высоко энергоёмкого ветрового энергоносителя
WO2020153869A1 (ru) * 2019-01-22 2020-07-30 Владимир Борисович МИЛЕВСКИЙ Комплекс ветровых станций

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4217501A (en) * 1977-10-11 1980-08-12 Allison William D Mounting for windmills
RU2135822C1 (ru) * 1998-04-20 1999-08-27 Государственное предприятие Проектно-производственный и деловой центр "Информстройсервис" Интегрированный ветроагрегат
RU2313002C2 (ru) * 2005-12-08 2007-12-20 Ирина Сергеевна Прусская Устройство для использования вторичной энергии здания
RU2007104713A (ru) * 2007-02-08 2008-09-27 Владимир Иванович Меркулов (RU) Ветроэнергетическая установка профессора меркулова

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4217501A (en) * 1977-10-11 1980-08-12 Allison William D Mounting for windmills
RU2135822C1 (ru) * 1998-04-20 1999-08-27 Государственное предприятие Проектно-производственный и деловой центр "Информстройсервис" Интегрированный ветроагрегат
RU2313002C2 (ru) * 2005-12-08 2007-12-20 Ирина Сергеевна Прусская Устройство для использования вторичной энергии здания
RU2007104713A (ru) * 2007-02-08 2008-09-27 Владимир Иванович Меркулов (RU) Ветроэнергетическая установка профессора меркулова

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102094749A (zh) * 2011-03-09 2011-06-15 赵东南 多叶式卧式风力发动机
WO2012119281A1 (zh) * 2011-03-09 2012-09-13 Zhao Dongnan 多叶式卧式风力发动机
CN102444551A (zh) * 2011-09-28 2012-05-09 赵东南 多叶式卧式程空风力发动机
CN103423084A (zh) * 2013-08-27 2013-12-04 汉德联合（北京）风力技术研究院有限公司 一种风墙装置
CN103423080A (zh) * 2013-08-28 2013-12-04 苏州萤火虫贸易有限公司 小型风力发电机
CN112700498A (zh) * 2021-01-14 2021-04-23 中广核风电有限公司 一种基于深度学习的风力发电机叶尖定位方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
RU2397361C1 (ru) 2010-08-20
WO2010110697A3 (ru) 2010-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2397361C1 (ru) Ветроэнергетическая установка
EP2556244B1 (en) Wind energy conversion device
US6717285B2 (en) Multiple collector wind driven power generating device
US8851839B2 (en) Wide blade multiple generator wind turbine
US20110037271A1 (en) Wind turbine system and modular wind turbine unit therefor
US8967946B2 (en) Modular wind-solar energy converting assembly
US20080159873A1 (en) Cross fluid-flow axis turbine
CN101413489B (zh) 高空风力太阳能联合发电机
JP2013516564A (ja) 風力発電機
US20120070293A1 (en) Wind turbine apparatus, wind turbine system and methods of making and using the same
CN106907299A (zh) 一种无叶片的风力发电机装置
WO2010074670A1 (en) Fluid turbine for generating electricity
US6703720B1 (en) Wind powered generator device
EP1540172B1 (en) Apparatus with an inclined carrying pillar for anchoring an axial turbine for the production of electric energy from water currents
US11614074B2 (en) Wind power installation
WO2008088921A2 (en) Vertical windmills and methods of operating the same
KR101117476B1 (ko) 수직형 풍력발전장치
RU2384730C2 (ru) Ветроэнергетическая установка профессора меркулова
KR100763752B1 (ko) 대형풍력발전시스템
CN220434931U (zh) 一种抑制桥索风致振动的发电装置
RU2484295C2 (ru) Вантовая ветроэнергетическая установка
RU2766497C1 (ru) Ветроэлектростанция
KR101389985B1 (ko) 버킷형 풍차날개로 발전효율을 증대시킨 풍력발전기
US11898537B2 (en) Wind generator
KR101250260B1 (ko) 멀티형 풍력 발전 장치

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10756406

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10756406

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2