Патент на ветрогенераторы

Патент на ветрогенераторы

  1. Главная
  2. Реестр патентов

Последние новости

(21), (22) Заявка: 2009115533/06, 24.04.2009

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
24.04.2009

(46) Опубликовано: 27.05.2010

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: RU 2249722 С1, 10.04.2005. RU 2116501 С1, 27.07.1998. RU 2279567 С2, 10.07.2006. RU 2254667 С1, 20.06.2005. SU 1721285 А1, 23.03.1992. ЕР 0522994 А1, 13.01.1993.

Адрес для переписки:
109390, Москва, а/я 60, Н.В. Кошелевой

(72) Автор(ы):
Вигаев Валерий Петрович (RU)

(73) Патентообладатель(и):
Вигаев Валерий Петрович (RU),
Михов Александр Петрович (RU)

(54) ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Ветроэнергетическая установка содержит по меньшей мере один роторный ветрогенератор с вертикальной осью вращения. Он выполнен в виде модуля с возможностью вертикальной сборки модулей. Роторный ветрогенератор включает прикрепленные к несущему цилиндру и выполненные плоскими лопасти ротора ветротурбины, размещенного внутри неподвижной системы ветронаправляющих экранов в виде вертикальных отклоняющих пластин. Ветронаправляющие экраны выполнены с возможностью изменения площади вертикальных отклоняющих пластин за счет телескопического перемещения их подвижного сектора, который может быть размещен как внутри них, так и параллельно им. Лопасти ротора ветротурбины снабжены завихрителями, выполненными в виде цилиндрически изогнутых полосок. Размещение лопастей ротора ветротурбины относительно несущего цилиндра выполнено с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора. В случае назначения ветроэнергетической установки для выработки электроэнергии, на каждом из торцов ветротурбины установлен распределенный магнитоэлектрический генератор. Ветроэнергетическая установка обладает более высокой эксплуатационной эффективностью по сравнению с известными аналогичными, в том числе за счет повышения коэффициента полезного действия и возможности работы при низких скоростях ветра. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может использоваться в ветроэнергетических установках для выработки энергии, в том числе электроэнергии.

Известны ветроэнергетические установки, содержащие ротор ветротурбины с преимущественно криволинейными лопастями и ветронаправляющий аппарат, полностью или частично охватывающий ротор ветротурбины и состоящий из преимущественно изогнутых отклоняющих пластин (лопаток), при этом обеспечивается плавное натекание ветрового потока на криволинейные лопасти ротора ветротурбины (например, SU 1721285 А1, 1992; RU 2215898 C1, 2003; US 6309172 B1, 2001; DE 19739921, 1999; GB 2049066 A, 1980; FR 2811720 A1, 2002; EP 1096144 A2, 2001; WO 91/19093, 1991).

Однако все они недостаточно эффективны, не позволяя достичь наибольшего коэффициента полезного действия и не обеспечивая работу при малых значениях скорости ветра.

Из известных устройств наиболее близким к заявленному является ветроэнергетическая установка, содержащая по меньшей мере один роторный ветрогенератор с вертикальной осью вращения, выполненный в виде модуля с возможностью вертикальной сборки модулей, включающий прикрепленные к несущему цилиндру лопасти ротора ветротурбины, размещенного внутри выполненной соосно с ротором ветротурбины неподвижной системы ветронаправляющих экранов, выполненной в виде вертикальных отклоняющих пластин (RU 2249722 C1, 2005). В этой ветроэнергетической установке лопасти ротора ветротурбины выполнены в форме аэродинамических крыльев (изогнутыми). Вертикальные отклоняющие пластины также выполнены в форме аэродинамических крыльев так, что они своими вогнутыми поверхностями ориентированы в противоположном окружном направлении по отношению к вогнутым поверхностям лопастей ротора ветротурбины. В нижней части роторного ветрогенератора на валу, связанном с несущим цилиндром (валом ротора ветрогенератора), установлен блок электрогенераторов, при этом предусмотрена установка такого блока только на одном (нижнем) модуле.

Такая ветроэнергетическая установка обладает недостаточно высокой эксплуатационной эффективностью, в том числе из-за недостаточно высокого достигаемого коэффициента полезного действия и неэффективной работе установки при низких скоростях набегающего потока воздуха, а также из-за невозможности в полной мере реализовать преимущества модульного построения установки при ее использовании для выработки электроэнергии. Конструкция такой ветроэнергетической установки не позволяет ей достичь высокого коэффициента полезного действия, в особенности при минимальном воздушном потоке, что связано с неэффективной работой неподвижной системы ветронаправляющих экранов и лопастей ротора ветротурбины. Кроме того, в установке, состоящей из нескольких модулей (роторных ветрогенераторов) и предназначенной для выработки электроэнергии, наличие одного электрогенераторного блока только на одном (нижнем) модуле, ограничивает ее возможности и также не позволяет достичь высокого коэффициента полезного действия.

Задача, решаемая изобретением, состоит в создании ветроэнергетической установки, лишенной недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении эксплуатационной эффективности ветроэнергетической установки, в том числе за счет повышения ее коэффициента полезного действия и возможности работы при малых скоростях ветра.

Это достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей по меньшей мере один роторный ветрогенератор с вертикальной осью вращения, выполненный в виде модуля с возможностью вертикальной сборки модулей, включающий прикрепленные к несущему цилиндру лопасти ротора ветротурбины, размещенного внутри выполненной соосно с ротором ветротурбины неподвижной системы ветронаправляющих экранов, выполненной в виде вертикальных отклоняющих пластин, ветронаправляющие экраны выполнены с возможностью изменения площади каждой из вертикальных отклоняющих пластин за счет телескопического перемещения их подвижного сектора, лопасти ротора ветротурбины, выполненные плоскими, снабжены завихрителями, выполненными в виде цилиндрически изогнутых полосок, а размещение лопастей ротора ветротурбины относительно несущего цилиндра выполнено с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора. Подвижной сектор вертикальных отклоняющих пластин может быть размещен внутри них или параллельно плоскости вертикальных отклоняющих пластин в прижатом к ним состоянии. Вертикальные отклоняющие пластины могут быть выполнены изогнутыми радиально вдоль вертикальной оси, при этом лопасти ротора ветротурбины размещены радиально от оси вращения ротора ветротурбины. Вертикальные отклоняющие пластины могут быть выполнены плоскими с возможностью поворота вокруг оси на внешней кромке неподвижной системы ветронаправляющих экранов до установленных в ней стопоров, при этом лопасти ротора ветротурбины размещены по касательной к несущему цилиндру. На каждом из торцов ветротурбины может быть установлен распределенный магнитоэлектрический генератор. Модули ветроэнергетической установки в сборке могут быть выполнены с общей осью вращения или с раздельными осями вращения.

Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.

На фиг.1 показан внешний вид варианта выполнения ветроэнергетической установки из двух модулей. На фиг.2 показана в разрезе ветроэнергетическая установка с изогнутыми вертикальными отклоняющими пластинами, а на фиг.3 — с плоскими. Фиг.4 иллюстрирует выполнение на лопастях ротора ветрогенератора завихрителей. Фиг.5 иллюстрирует выполнение вертикальных отклоняющих пластин с подвижным сектором, размещенным внутри них, а фиг.6 — выполнение вертикальных отклоняющих пластин с подвижным сектором, размещенным параллельно их плоскости. На фиг.7 показана структурная схема ветроэнергетической установки с распределенными магнитоэлектрическими генераторами.

Ветроэнергетическая установка содержит по меньшей мере один роторный ветрогенератор 1 с вертикальной осью вращения, выполненный в виде модуля с возможностью вертикальной сборки модулей (фиг.1). Модули в сборке могут быть выполнены преимущественно с общей осью вращения, а также с раздельными осями вращения. Нижний из роторных ветрогенераторов 1 установлен преимущественно на штанге 2. Установка последующих модулей один на другой выполнена, например, посредством тороидального крепежного кольца 3. Верхний роторный ветрогенератор 1 преимущественно снабжен в своей верхней части обтекателем (крышкой) 4. Роторный ветрогенератор 1 включает прикрепленные к несущему цилиндру 5 лопасти 6 ротора ветротурбины, который размещен внутри выполненной соосно с ротором ветротурбины системы ветронаправляющих экранов, выполненных в виде вертикальных отклоняющих пластин 7. Вертикальные отклоняющие пластины 7 закреплены между горизонтально расположенными крепежными тороидальными кольцами 3. Ветронаправляющие экраны выполнены с возможностью изменения площади каждой из вертикальных отклоняющих пластин 7 за счет телескопического перемещения их подвижного сектора 8 из отклоняющих пластин 7 (фиг.5) или параллельно их плоскости в прижатом к ним состоянии (фиг.6). Перемещение (выдвижение) подвижного сектора 8 может быть осуществлено, например, посредством электромагнитной червячной передачи, например, с использованием направляющих полозьев (не показаны). Лопасти 6 ротора ветротурбины выполнены плоскими и снабжены завихрителями 9, выполненными в виде цилиндрически изогнутых полосок (фиг.4). Размещение лопастей 6 ротора ветротурбины относительно несущего цилиндра 5 выполнено с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром 5 щелевого диффузора 10 (фиг.4). Роторный ветрогенератор 1 может быть выполнен в двух вариантах. В первом из них вертикальные отклоняющие пластины 7 выполнены изогнутыми радиально вдоль вертикальной оси, при этом лопасти 6 ротора ветротурбины размещены радиально от оси вращения ротора ветротурбины (фиг.2). Во втором варианте вертикальные отклоняющие пластины 7 выполнены плоскими с возможностью поворота вокруг оси на внешней кромке неподвижной системы ветронаправляющих экранов до установленных в ней стопоров (фиксаторов) 11 (фиг.3). На каждом из торцов ветротурбины роторного ветрогенератора 1 может быть установлен распределенный магнитоэлектрический генератор 12 (фиг.7). Каждый из них представляет собой ряд электромагнитных катушек 13, которые вместе с разомкнутым контуром магнитопровода закреплены на крепежных тороидальных кольцах 3, при этом на верхнем и нижнем торцах ротора ветротурбины установлены постоянные магниты-индукторы 14. Ветроэнергетическая установка может быть преимущественно снабжена блоком контроля скорости ветра, а также выполненным механическим или электромеханическим тормозным узлом на оси вращения ротора ветротурбины (не показаны).

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Ветровой поток поступает на вертикальные отклоняющие пластины 7, ускоряется на них и перетекает на лопасти 6 ротора ветротурбины, в результате чего роторный ветрогенератор совершает полезную работу за счет вращения ротора ветротурбины. Отклоняющие пластины 7 изменяют вектор скорости потока воздуха, оптимизируя угол его подачи на лопасти 6 ротора ветротурбины. Выполнение ветронаправляющих экранов с изменяемой площадью позволяет понизить разгонную скорость воздушного потока и дополнительно оптимизировать скорость вращения ротора ветротурбины. В случае пониженной скорости ветрового воздушного потока подвижной сектор 8 выдвигается, увеличивая эффективную площадь вертикальных отклоняющих пластин 7, в результате чего захватывается более значительная масса потока воздуха и возрастает скорость вращения ротора ветротурбины. Это позволяет обеспечить эффективную работу установки уже при скорости воздушного потока от 3 м/с. После изменения направления воздушного потока вертикальными отклоняющими пластинами 7 он оказывает прямое давление на лопасти 6 ротора ветротурбины, между которыми создается зона повышенного давления, на которой воздушный поток может «срываться», уменьшая эффективную площадь работы лопастей 6 ротора ветротурбины. Избежать этого позволяет создание щелевого диффузора 10 вдоль основания лопастей 6 ротора ветротурбины, который позволяет постоянно удалять уплотнение воздуха из области межлопастного пространства. Через щелевой диффузор 10 избыток давления перетекает в залопастное пространство в область пониженного давления с образованием вихревой области. Это сопровождается повышением эффективности отбора энергии набегающего потока воздуха и соответственно повышением коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки. Размер щелевого диффузора 10 для конкретных конструкций установок подбирается экспериментальным путем, например, посредством опытного стенда. Для дополнительно отбора энергии механического движения потока воздуха, в том числе той его части, которая соскальзывает с лопастей 6 ротора ветротурбины после их поворота на некоторый угол, служат завихрители 9. При этом на цилиндрически изогнутых полосках завихрителей 9 на плоских лопастях 6 ротора ветротурбины происходит закручивание набегающего на них потока воздуха, что приводит к торможению потока, и, как следствие, к отбору дополнительной энергии от воздушного потока и передаче его ротору ветротурбины, что также вносит вклад в повышении коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки. Схемы движения воздушных потоков показаны стрелками на фиг.4, 5, 6. В случае использования ветроэнергетической установки для выработки электроэнергии, она снабжается распределенными магнитоэлектрическими генераторами, которые при простоте своей конструкции наиболее приспособлены для реализации модульного принципа построения ветроэнергетической установки. При этом каждый ее модуль самостоятельно вырабатывает электрическую энергию, которая суммируясь, позволяет увеличить мощность генерации электроэнергии одной ветроэнергетической установкой.

Выполнение ветроэнергетической установки в соответствии с изобретением позволяет повысить ее эксплуатационную эффективность. По сравнению с известными аналогичными установками обеспечивается повышение коэффициента полезного действия на 10-15% и возможность работы при скорости воздушных потоков от 3 м/с. Функционирование ветроэнергетической установки не зависит от направления ветра, она устойчива к резким его порывам и требует минимальной площади для установки. Реализованный в ней модульный принцип построения упрощает конструкцию и позволяет легко наращивать ее суммарную мощность.

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая по меньшей мере один роторный ветрогенератор с вертикальной осью вращения, выполненный в виде модуля с возможностью вертикальной сборки модулей, включающий прикрепленные к несущему цилиндру лопасти ротора ветротурбины, размещенного внутри выполненной соосно с ротором ветротурбины неподвижной системы ветронаправляющих экранов, выполненной в виде вертикальных отклоняющих пластин, отличающаяся тем, что ветронаправляющие экраны выполнены с возможностью изменения площади каждой из вертикальных отклоняющих пластин за счет телескопического перемещения их подвижного сектора, лопасти ротора ветротурбины, выполненные плоскими, снабжены завихрителями, выполненными в виде цилиндрически изогнутых полосок, а размещение лопастей ротора ветротурбины относительно несущего цилиндра выполнено с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора.

2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что подвижной сектор вертикальных отклоняющих пластин размещен внутри них.

3. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что подвижной сектор вертикальных отклоняющих пластин размещен параллельно плоскости вертикальных отклоняющих пластин в прижатом к ним состоянии.

4. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что вертикальные отклоняющие пластины выполнены изогнутыми радиально вдоль вертикальной оси, при этом лопасти ротора ветротурбины размещены радиально от оси вращения ротора ветротурбины.

5. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что вертикальные отклоняющие пластины выполнены плоскими с возможностью поворота вокруг оси на внешней кромке неподвижной системы ветронаправляющих экранов до установленных в ней стопоров, при этом лопасти ротора ветротурбины размещены по касательной к несущему цилиндру.

6. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что на каждом из торцов ветротурбины установлен распределенный магнитоэлектрический генератор.

7. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что модули в сборке выполнены с общей осью вращения.

8. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что модули в сборке выполнены с раздельными осями вращения.

Патент на ветрогенераторы

(21), (22) Заявка: 2009110880/06, 26.03.2009

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
26.03.2009

(46) Опубликовано: 20.08.2010

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: RU 2007104713 А, 27.09.2008. RU 2070662 C1, 20.12.1996. SU 1645303 A1, 30.04.1991. SU 1793095 A1, 07.02.1993. US 4217501 A, 12.08.1980.

Адрес для переписки:
630055, г.Новосибирск, ул. Мусы Джалиля, 23, оф.302, ООО «Ветросети»

(72) Автор(ы):
Голушко Сергей Кузьмич (RU),
Меркулов Владимир Иванович (RU)

(73) Патентообладатель(и):
ООО «Ветросети» (RU)

(54) ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано для генерирования электроэнергии посредством энергии ветра. Ветроэнергетическая установка содержит, по меньшей мере, один ветрогенератор, состоящий из лопастей, воспринимающих энергию ветра, и связанного с ним, по меньшей мере, одного электромеханического преобразователя. Лопасти ветрогенератора закреплены так, что они имеют возможность совершать изгибные колебания — поперек потока, и крутильные колебания — вдоль собственной оси жесткости (флаттер). Ветрогенераторы размещены в ячейках сети с возможностью поворота вокруг вертикальной оси на 180°, для чего лопасти расположены сзади от оси поворота. Сети, растянутые на рамах, закреплены на одной мачте в перпендикулярных вертикальных плоскостях и с помощью мачт и растяжек вывешены в несколько рядов, причем одна система рядов расположена перпендикулярно другой системе рядов и поверхности земли. Каждый ветрогенератор снабжен связанной с торсионом ступицей, в которой с возможностью поворота вокруг своей оси установлены лопасти, каждая из которых 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. Электромеханический преобразователь связан муфтой с горизонтальным торсионом в месте крепления ступицы. Изобретение обеспечивает расширение диапазона рабочих скоростей потока, при которых возможно его эффективное применение, снижение материалоемкости и трудоемкости изготовления, а также повышение эксплуатационной надежности. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

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 СА 2591536 [1], с вертикальной осью вращения, например ветряной-водяной ротор с вертикальной осью, работающий от энергии волны, и ветряной генератор, известный из патента Японии JP 2003120499 [2]. К ним можно также отнести ветрогенерирующие установки, состоящие из микрогенераторов, например, ветрогенераторы для производства большого количества электроэнергии при малых скоростях ветра, известные из патента Японии JP 2002233117 [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 US 4536674 [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 JP 2007016756 [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 микроветроэнергетические установки (кратко «микроВЭУ») имеют малую удельную мощность, низкий КПД, тяжелый генератор и корпус.

Известна ветроэнергетическая установка (авторское свидетельство SU 1645603 [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 RU 2241300 [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 SU 1793095 [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

где — частота колебания лопасти, 1/сек;

m — масса лопасти, кг;

I — момент инерции лопасти относительно собственной оси жесткости, кг·м 2 ;

К — 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

где U — скорость ветра, м/сек;

В — ширина лопасти, м;

Н — амплитуда колебания конца лопасти, м;

— частота колебания лопасти, 1/сек,

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=1 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=1 или N>1. Например, в ступице могут быть установлены 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 сметаемой 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 5Н метров, где Н — 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 ветроэнергетические 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.

Сущность заявляемых способа и устройства и примеры их промышленного применения поясняется Фиг.1 — 10.

На Фиг.1 показан боковой вид ветрогенератора. Ветрогенератор состоит из лопастей 1, характеризующихся высотой h и длиной хорд: концевой хорды 2 длиной L1, средней хорды 3 длиной L2, где L2=B (ширина лопасти) и корневой хорды 4 длиной L3. 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, закрепленным на вертикальном ванте 10, являющемся 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 «улавливания» 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 5Н, где Н — 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 ветреных, 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 12 лопастями, с ометаемым диаметром около 0.085 м. Опытным путем показано, что оптимальный диаметр окружности, ометаемый лопастями, находится в диапазоне 0.075-0.1 м. 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

0,01 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 м 2 , мощность одного ветрогенератора в зависимости от скорости ветра составила от 0,4 до 3.2 Вт. Для получения мощности 1 кВт 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 1250 м 2 , которые будут вырабатывать энергии мощностью 125 кВт.

1. Патент Канады СА 2591536, дата публикации 2006-06-01.

2. Патент Японии JP 2003120499, дата публикации 2003-04-23.

3. Патент Японии JP 2002233117, дата публикации 2002-08-16.

4. Патент США US 4536674, дата публикации 1985-08-20.

5. Патент Японии JP 2007016756, дата публикации 2007-01-25.

6. Авторское свидетельство SU 1645603, дата публикации 30.04.91.

7. Патент RU 22413 00, дата публикации 27.11.04.

8. Авторское свидетельство SU 1793095, дата публикации 07.02.1992.

9. Заявка на выдачу патента 2007104713/06, дата публикации 2008.09.27.

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 ветрогенератор(ы) размещен(ы) в ячейках сети с возможностью 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, отличающаяся 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, отличающаяся 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, отличающаяся тем, что в ступице установлено N лопастей, где N=1 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, отличающаяся тем, что горизонтальный торсион жестко защемлен в концевом обтекателе на регулируемом расстоянии от ступицы.

5. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что концевые обтекатели ветрогенераторов закреплены в ячейках сети.

6. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что шаг сетей, вывешенных в несколько рядов с помощью мачт и растяжек, составляет не менее 5Н метров, где Н — средняя высота расположения сетей.

7. Ветроэнергетическая установка по п.1 или 6, отличающаяся 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.1, отличающаяся тем, что сеть является декоративной частью здания или сооружения и закреплена на крыше здания или сооружения.

9. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что сеть является декоративной частью здания или сооружения и закреплена в сквозном проеме здания или сооружения.

Еще по теме:

  • Субсидия на коммуналку для пенсионеров Как пенсионеру получить субсидию на оплату жилья и коммунальных услуг? Чтобы уменьшить расходы на оплату жилья и коммунальных услуг, многие пенсионеры, как, впрочем, и работающие россияне, вправе подать заявление в органы социальной защиты о назначении субсидий. Кто имеет право на […]
  • Ипотека без страховке Как взять кредит без страховки Выдавая кредит, банк стремится минимизировать риски на тот случай, когда пошатнувшееся финансовое состояние заемщика не позволяет ему выполнять обязательства перед банком. Частично этот вопрос решает страховка. Что такое страховка по кредиту? Страховка […]
  • Отчет по ознакомительной практике юриста образец Отчет по практике юриста Прохождение практики является необходимым элементом в образовательной программе любого учебного учреждения: колледжа; техникума; университета; института. Отчет по практике позволяет оценить глубину полученных студентом знаний по выбранной […]
  • Содействие добровольному переселению в рф Содействие добровольному переселению в рф Общие сведения о Государственной программе Важным элементом российской миграционной политики является реализация Государственной программы по оказанию содействия добровольному переселению в Российскую Федерацию соотечественников, проживающих за […]
  • Заявление о согласии на прививку лечение простудных заболеваний Респираторные заболевания Простуда ОРВИ и ОРЗ Грипп Кашель Пневмония Бронхит ЛОР заболевания Насморк Гайморит Тонзиллит Боль в горле Отит Согласие на прививку от гриппа образец Как написать заявление об отказе проведения […]
  • Оформить карту мтс банк Кредитная карта Cash-Back для зарплатных клиентов Получайте возврат денег с покупок! возможность контролировать расходы, осуществлять платежи и переводы с помощью Интернет-банка и мобильного приложения возможность оплачивать покупки одним касанием смартфона через […]
  • Ударение в слове заявление Ударение в слове ИСКОВОЕ исковОе или Исковое Как правильно ставить ударение в слове ИСКОВОЕ? Ударение в слове “исковое” падает на третий слог – исковОе. В слове «исковОе» ударение ставится под сомнение из-за начальной формы данной лексемы – «иск». Не нужно сомневаться в том, на какой […]
  • За каждый день просрочки алиментов За каждый день просрочки алиментов Автострахование Жилищные споры Земельные споры Административное право Участие в долевом строительстве Семейные споры Гражданское право, ГК РФ Защита прав потребителей Трудовые споры, пенсии Главная Формула и […]