Ветроэнергетическая установка

 

Использование: в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветроэнергетическая установка содержит вал, установленное на нем ветроколесо, имеющее лопасти и вихреобразователи в виде крыла с аэродинамическим профилем, установленные на концах лопастей перпендикулярно концевой части лопасти. Установка снабжена вторым ветроколесом, установленным на валу за первым ветроколесом по направлению ветра и имеющим лопасти с наружным радиусом, составляющим 0,9 - 1,4 радиуса лопастей первого ветроколеса до вихреобразователя, расположенные по оси вала от торца вихреобразователя на расстоянии 0,3 - 1,0 хорды вихреобразователя. Второе ветроколесо установлено жестко на валу. Тангециальный размер в плоскости вращения от задней кромки лопасти первого ветроколеса до передней кромки лопасти второго ветроколеса на радиусе установки вихреобразователя выполнен в диапазоне от 0,8 до 2,5 его хорды. Лопасти второго ветроколеса выполнены телескопическими с радиусом неподвижной части лопасти, составляющим 0,9 - 1,1 радиуса лопасти первого ветроколеса, и установлены с наклоном от плоскости вращения по направлению ветра на угол 2 - 7^o. Выдвижные части лопастей второго ветроколеса снабжены концевыми шайбами, размеры которых в длину и ширину выбраны не меньшими хорды и толщины соответственно концевых сечений неподвижной части лопасти. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно ветроэнергетическим установкам с несколькими ветроколесами.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая два ветроколеса, установленные на валах и имеющие лопасти с изменяемым радиусом (авт. св. СССР N 1612107, кл. F 03 D 7/02, 9.11.87).

Эта установка имеет следующие недостатки.

При использовании ее в диапазоне малых скоростей ветра 2,5-6,2 м/с не обеспечивается получение номинальных мощностей. Это обусловлено тем, что при выработке электроэнергии первое ветроколесо не оказывает практического действия на второе ветроколесо, установленное по другую сторону башни. Площадь лопастей не меняется при изменении радиуса ветроколеса, что ограничивает эффективность съема мощности с ветропотока при увеличении радиуса.

Наиболее близкой к предлагаемой является ветроэнергетическая установка, содержащая вал и установленное на нем ветроколесо, имеющее лопасти и вихреобразователи в виде крыла с аэродинамическим профилем, установленные на концах лопастей, перпендикулярно концевой части лопасти (авт.св.СССР N 1657720, кл. F 03 D 1/06, 20.12.88).

Однако в этой установке не используется энергия воздушного потока с увеличенной скоростью, образуемого при работе вихреобразователя.

Целью изобретения является увеличение выработки электроэнергии за счет расширения диапазона рабочих скоростей ветра, повышение коэффициента использования энергии ветра, а также повышение надежности установки.

Цель достигается тем, что ветроэнергетическая установка снабжена вторым ветроколесом, установленным на валу за первым ветроколесом по направлению ветра и имеющим лопасти с наружным радиусом, составляющим 0,9-1,4 радиуса лопастей первого ветроколеса до вихреобразователя, расположенные по оси вала от торца вихреобразователя на расстоянии 0,3-1,0 хорды вихреобразователя, а в плоскости вращения в проекции на нее от задней кромки вихреобразователя до передней кромки лопасти второго ветроколеса на расстоянии 0,8-2,5 хорды вихреобразователя.

Кроме того, лопасти второго ветроколеса выполнены телескопическими с радиусами неподвижной части лопасти, составляющим 0,9-1,1 радиуса лопасти первого ветроколеса.

Дополнительным отличием является также то, что лопасти второго ветроколеса отклонены от плоскости вращения на угол 2-7^о, а выдвижные части телескопических лопастей второго ветроколеса снабжены концевыми шайбами, длина и ширина которых выполнена не меньшими хорды и толщины концевого сечения основной неподвижной части лопасти.

На фиг. 1 изображена ветроэнергетическая установка; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 направления тока воздуха при работе ветроустановки и эпюры скоростей по радиусу для первого (1ВК) и второго (2ВК) ветроколес; на фиг. 4 установка концевых шайб на втором ветроколесе.

Ветроэнергетическая установка содержит вал 1, установленные на нем первое 2 и второе 3 ветроколеса, поворотное основание 4 и башню 5.

Первое ветроколесо 2 содержит лопасти 6 и вихреобразователи 7 в виде крыла с аэродинамическим профилем, установленные на концах лопастей, перпендикулярно концевой части лопасти.

Второе ветроколесо 3 имеет лопасти 8 с наружным радиусом R₂, составляющим 0,9-1,4 радиуса R₁ лопастей первого ветроколеса. Лопасти 8 расположены от торца вихреобразователя по оси вала на расстоянии L, равном (0,3-1,0)b хорды вихреобразователя.

В плоскости вращения расстояние l от задней кромки вихреобразователя до передней кромки лопасти второго ветроколеса равно (0,8-2,5)b хорды вихреобразователя.

Лопасти 8 могут быть выполнены телескопическими, состоящими из неподвижной части 9 с радиусом R_н, составляющим 0,9-1,1 радиуса лопасти 6 R₁, и выдвижной лопасти 10, перемещаемой с помощью привода (не показан).

Лопасти 8 могут быть расположены под углом α, равным 2-7^о, к плоскости вращения колеса.

Размеры и расположение лопастей 8 выбраны таким образом, чтобы они находились в зоне потока воздуха с высокой скоростью, создаваемого вихреобразователями 7, за первым ветроколесом.

Лопасти второго ветроколеса 8 дополнительно снабжены концевыми шайбами 11. При выполнении лопасти 8 телескопической размеры (длина и ширина) концевых шайб 11 выбраны из условия герметизации внутреннего объема неподвижной части 9 лопасти, т.е. превышающими соответственно хорду и толщину сечения концевого сечения неподвижной части.

Кроме того, они снижают индуктивное сопротивление при работе ветроколеса.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Под действием ветра на лопасти 6 и 8 ветроколес 2 и 3 вращается вал 1, соединенный с электрогенератором, вырабатывающим электроэнергию. При вращении ветроколеса 2 вихреобразователи 7 за счет разности давлений образуют подобие вихревого тора и вовлекают в работу дополнительные массы воздуха, увеличивая расход через ветроколесо. Воздушный поток со значительно увеличенной скоростью воздействует на лопасти 6, увеличивая выработку энергии первым ветроколесом 2. Далее воздушный поток с увеличенной скоростью воздействует на лопасти 8, что увеличивает мощность, снимаемую с второго колеса, по сравнению с колесом, работающим от ветра, на 50-80% Особенно большой эффект по увеличению выработки электроэнергии обеспечивается при малых скоростях ветра 2,5-6 м/с. Ветер с такой скоростью является преобладающим в большинстве районов мира.

Таким образом, предложенная ветроэнергетическая установка обеспечивает увеличение суммарной выработки энергии.

При больших скоростях ветра (свыше 6 м/с) мощность ветроэнергетической установки может быть номинальной и при меньших радиусах лопасти 8, равных 0,9-1,1 радиуса R₁ лопасти 6 (например, при убранных выдвижных лопастях).

Выполнение лопасти 8 телескопической обеспечивает повышение мощности установки при малых скоростях ветра 2,5-6 м/с и снижение нагрузок и веса элементов ветроколеса (за счет снижения требований к прочности) при ветре свыше 6 м/с, когда лопасть убрана.

Пуск и работа установки при ветре в пределах 2,5-6 м/с осуществляется при выпущенных выдвижных лопастях 10. При ветре свыше 6 м/с по команде системы управления выдвижная лопасть убирается (или не выдвигается).

Возможны различные варианты использования второго ветроколеса: оно может быть жестко установлено на одном валу с первым ветроколесом с вращением в одну сторону или вращаться в противоположную первому ветроколесу сторону при использовании второго полого вала, установленного коаксиально с первым и связанного с соответствующим генератором (независимые решения).

Существенным является вторичное использование дополнительного расхода воздуха, обеспечиваемое работой первого ветроколеса, оснащенного вихреобразователями. В качестве примера для основного варианта рассматривается "сдвоенное" ветроколесо с жесткой установкой второго ветроколеса на валу.

Как видно на эпюрах скоростей потоков, наблюдаемых в сечениях потоков (фиг. 3), проходящих через ометаемую ветроколесом площадь плоскости вращения первого и второго ветроколес, эпюра скоростей потока, достигающего второго ветроколеса, "размыта" по радиусу относительно эпюры скоростей в первом ветроколесе, причем "размыв" смещен за счет радиальной составляющей скорости потока в сторону увеличения радиуса.

Выполнение лопастей второго ветроколеса радиусом, равным 0,9-1,4 радиуса первого ветроколеса при установке второго ветроколеса от первого на расстоянии L=(0,3-1,0)b_вк хорды вихреобразователя, позволяет практически полностью захватить вторым ветроколесом дополнительный поток, создаваемый при работе вихреобразователей.

Верхнее значение величины радиуса лопастей второго ветроколеса в диапазоне R₁=(0,9-1,4)R₂ назначено, исходя их размеров вихрей, формируемых вихреобразователем, с тем, чтобы лопасть второго ветроколеса находилась в зоне местного увеличения скорости потока.

При этом для R₂=1,4R₁ и L=1,0b_вк в концевых частях второго ветроколеса прирост скорости ΔV_2к по осевой составляющей над скоростью невозмущенного потока V≈ больше или равен 10% максимального прироста ΔV_2max. При величине ΔV_2к<10% от ΔV_2max с учетом радиальной составляющей скорости потока прирост мощности, развиваемой вторым ветроколесом, становится незначительным. Поэтому значение R₂= 1,4R₁ выбрано в качестве верхнего предела соотношения для радиуса второго ветроколеса.

Нижний предел R₂=0,9R₁ выбран из величины достигаемого сверхсуммарного эффекта: дополнительный прирост мощности, обусловленный наличием вихреобразователя на первом ветроколесе при установке второго ветроколеса с L=0,3b_вк и R₂= 0,9R₁, составляет 10% от суммарной мощности обоих независимо работающих ветроколес. Выбор минимальных границ диапазонов R₂ и L связан с особенностями вихреобразования, размерами вихрей и профилем эпюр потока на втором ветроколесе при различных величинах R₂ и L.

При центральных значениях L и максимальном R₂ сверхсуммарный эффект может обеспечивать увеличение мощности, как показали исследования, до 1,8-2,0 раза по сравнению с суммарной мощностью двух отдельно работающих ветроколес.

Для такой сложной системы ветроколес, которая имеет место в предлагаемой установке, нельзя говорить о классическом понимании коэффициента использования энергии ветра.

С одной стороны, в сечение круга, ометаемого ветроколесом, втягивается дополнительный поток воздуха, что, увеличивая расход, фактически "увеличивает" диаметр ветроколеса. С другой стороны, поток воздуха, прошедший через первое ветроколесо, используется дополнительно на втором ветроколесе.

Поэтому можно говорить только о приведенном значении коэффициента С_р мощности, который учитывает инженерное решение системы ветроколес.

Исследования показали, что заявляемое решение может обеспечивать значения С_р≈1,5-2,5 и даже более.

Следует отметить, что ветроустановка с системой двух ветроколес, обладающая заявляемыми характеристиками, устойчива к провалам скорости ветра и позволяет работать на отдачу мощности при кратковременном снижении скорости V≈ и до таких величин, при которых классические ветроустановки работать не могут, т. е. система, вследствие увеличенного расхода воздуха через ометаемую ветроколесом площадь, обладает запасом устойчивости по режимам работы. Дополнительно положительную роль при этом играет второе ветроколесо, обладая повышенными тяговыми характеристиками при низких скоростях потоков вследствие большего радиуса.

Например, при скорости V=2,8 м/с, при которой ветроколесо может начинать работать в режиме отдачи мощности (N_max≥5% N_ном), установка при снижении скорости ветра с V=4,0 м/с на 60% до скорости V=2,4 м/с, работавшая на установившемся режиме, при V=4,0 м/с продолжает отдавать мощность N_max≥10%N_ном; (N_ном при V=5,0 м/с), т.е. кривые спада мощности лежат выше кривых нарастания мощности, что делает устройство эффективным при низких скоростях ветра и ветровых паузах.

Как видно из схемы расположения вихрей на фиг. 3, периферийная часть второго ветроколеса обтекается потоком, имеющим не только осевое направление, но и выраженную радиальную составляющую. В результате в концевых зонах лопастей второго ветроколеса возрастают потери, связанные с перетеканием потока в радиальном направлении, что снижает эффективность второго колеса.

В связи с этим второе ветроколесо дополнительно снабжено концевыми шайбами (фиг. 4), препятствующими перетеканию потока, что снижает потери.

Размеры концевых шайб (фиг. 4) выбраны с учетом того, чтобы телескопическая лопасть в положении с убранной выдвижной частью была загерметизирована, т. е. длина и ширина концевых шайб выполнена не меньшей соответственно хорды и толщины концевых сечений неподвижной части лопасти. Верхние значения длины и ширины выбирают из конструктивных соображений. За счет герметизации внутреннего объема повышается надежность и ресурс привода выдвижения, а соответственно, и характеристика надежности всей ветроэнергетической установки.

Таким образом, предлагаемая ветроэнергетическая установка обеспечивает увеличение выработки электроэнергии и повышение коэффициента использования энергии ветра, особенно при малых скоростях ветра, расширение диапазона рабочих скоростей ветра в сторону низких скоростей, уменьшение массы установки на единицу мощности и удешевление вырабатываемой электроэнергии. При этом выработка увеличивается в 1,8-2,0 раза.

Установка предназначена для использования в низкоскоростных потоках воздуха преимущественно в центрально-материковых районах континентов, где среднегодовые скорости ветра лежат в диапазоне 2,5-6,2 м/с.

Формула изобретения

1. ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая вал, установленное на нем первое ветроколесо, имеющее лопасти и вихреобразователи в виде крыла с аэродинамическим профилем, установленные на концах лопастей перпендикулярно концевой части лопасти, отличающаяся тем, что она снабжена вторым ветроколесом, установленным на валу за первым ветроколесом по направлению ветра и имеющим лопасти с наружным радиусом, составляющим 0,9 1,4 радиуса лопастей первого ветроколеса до вихреобразователя и расположенным по оси вала от торца вихреобразователя на расстоянии 0,3 1,0 хорды вихреобразователя.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что второе ветроколесо установлено жестко на валу, причем тангенциальный размер в плоскости вращения от задней кромки лопасти первого ветроколеса до передней кромки лопасти второго ветроколеса на радиусе установки вихреобразователя выполнен в диапазоне 0,8 2,5 его хорды.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что лопасти второго ветроколеса выполнены телескопическими с радиусом неподвижной части лопасти, составляющим 0,9 1,1 радиуса лопасти первого ветроколеса.

4. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что лопасти второго ветроколеса установлены с наклоном от плоскости вращения по направлению ветра на угол 2 7^o.

5. Установка по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что выдвижные части лопастей второго ветроколеса снабжены концевыми шайбами, размеры которых в длину и ширину выбраны не меньшими хорды и толщины соответственно концевых сечений неподвижной части лопасти.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4