Лопастная ветроэнергетическая установка

Изобретение относится к лопастным ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) с горизонтальной осью вращения. В ветроэнергетической установке, имеющей лопасти, автоматическую регулировку мощности, флюгер, систему управления положением на ветер, электрогенератор и опору, лопасти установлены с углом атаки α≥7°, выполнены с задней и передней кромками по форме двух парабол: У₁=К₁Х^1/2; У₂=К₂Х^1/2+2R_o, касающихся окружности радиусом R≥R_o, центр которой расположен на расстоянии l≥2/3L, где R_o - изначально заданный радиус окружности, L - проекция длины лопасти на координату X, причем коэффициенты К₁ и К₂ рассчитываются по формулам: К₁=У_1A/X_1A ^1/2; К₂=(У_2В-2R_o)/X_2В ^1/2, где А и В - точки касания параболами У₁ и У₂, соответственно, окружности радиусом R, профиль нижней и верхней поверхности лопасти образован пересечением на линии задней кромки двух парабол: У₃=К₃Х^1/2 и У₄=К₄X^1/2+2R_o, где К₃≥1; К₄=(0,4-0,8)К₃, при этом конец лопасти загнут на угол β≥60°. Кроме того, она может быть снабжена грозозащитой в виде рецепторов на конце лопасти. Параболообразная лопасть ВЭУ повышает ветроотдачу путем увеличения площади лопасти. Система механической регулировки мощности и ветрозащита позволяют снизить стоимость ВЭУ. Система уменьшения продольных и поперечных колебаний позволяет уменьшить их более 20%. Система грозозащиты уменьшает вероятность поражения ВЭУ молнией. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники.

Изобретение относится к усовершенствованию лопастных ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения - ВЭУ.

Целью изобретения является повышение ветроотдачи за счет проектирования лопасти по форме двух парабол; уменьшение шумов, создание элементов ветрозащиты и грозозащиты.

Известна лопасть воздушного винта [1], где передняя и задняя кромки образуются по форме двух парабол: У₁=К₁X^1/2; У₂=2R_о+К₂Х^1/2; профиль нижней и верхней поверхности лопасти образуется пересечением двух парабол: У₃=К₃Х^1/2; У₄=2R_o+К₄X^1/2; при этом плоскости пересекаются под острым углом на передней кромке.

Недостатком данной лопасти является малая несущая площадь.

Известны крыльчатые ветроэлектростанции - ВЭС с горизонтальной осью вращения [2].

Мощность ВЭС зависит от скорости ветра и размаха лопасти ветроколеса, который достигает от 2 до 50 м. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ВЭС порядка 40%.

Недостатком крыльчатых ВЭС является большой шум, громоздкость вращающейся лопасти, малый коэффициент использования ветра.

Раскрытие изобретения.

Для повышения ветроотдачи и уменьшения длины лопасти неоходимо увеличить рабочую площадь лопасти. Для этого в лопастной ветроэнергетической установке с горизонтальной осью вращения, имеющей лопасти, автоматическую регулировку мощности, флюгер, систему управления положением на ветер, электрогенератор и опору, лопасти установлены с углом атаки α≥7°, выполнены с задней и передней кромками по форме двух парабол: У₁К₁X^1/2; У₂=К₂Х^1/2+2R_o, касающихся окружности радиусом R≥R_o, центр которой расположен на расстоянии l≥2/3L, где R_o - изначально заданный радиус окружности, L - проекция длины лопасти на координату X, причем коэффициенты К₁ и К₂ рассчитываются по формулам: К₁=У_1А/Х_1А ^1/2; К₂=(У_2B-2R_o)/X_2B ^1/2, где А и В - точки касания параболами У₁ и У₂, соответственно, окружности радиусом R, профиль нижней и верхней поверхности лопасти образован пересечением на линии задней кромки двух парабол: У₃=К₃Х^1/2 и У₄=К₄X^1/2+2R_o, где К₃≥1; К₄=(0,4-0,8)К₃, при этом конец лопасти загнут на угол β≥60° навстречу потоку для использования центробежного потока для повышения ветроотдачи. Изначально задают и выбирают следующие величины: угол атаки α≥7°; параметры L и l>2/3L, или l=(L-R), радиусы R и R_o; R_o≤L/(10÷30), R≥(2÷4)R_o. Плоскости пересекаются под острым углом на задней кромке, которая закругляется окружностью радиусом R≥R_o для увеличения прочности. Кроме того, лопастная ветроэнергетическая установка может быть снабжена грозозащитой в виде рецепторов на конце лопасти. Точка А находится на пересечении линии атаки α≥7° с перпендикуляром, восстанавленным из точки l>2/3L; точка В - конец диаметра, отложенного на восстановленном перпендикуляре от точки А. Координаты У_1А, Х_1А, У_2В, Х_2В являются необходимыми для построения парабол У₁, У₂.

На фиг.1 изображен профиль лопасти 1 с загибом конца лопасти 2 на угол β≥60°. Конец лопасти /фиг.2/ треугольником соединен через штангу 9 с концом ветроотражателя 10, расположенного на конце штекера 5, одновременно выполняет задачу уменьшения продольных и поперечных калебаний лопасти и является проводником токов грозозащиты от рецептора 3 через кабель 12 на землю. Передняя кромка лопасти /фиг.2/ штангой 7 связана с упорной шайбой 6, которая сжимает пружину 11, поворачивая лопасть 1 на оси 4 при усилении ветра, сжимая пружину максильно при урагане, изменяя угол атаки от 7° до 90°. Таким образом происходит регулировка мощности и ветрозащиты ВЭУ. Пружина 11, сжимаемая шайбой 6, на штекере 5 продвигается скачками благодаря пластинчатой пружине, которая преодалевает выступы на штекере 5 (на фиг.2 и 3 не показаны). На фиг.2, кроме того, изображены на изгибе лопасти рецептора грозозищиты 3, треугольник 8, штанга 9, соединяющая их с кромкой конуса ветроотражателя и через кабель 12 на землю. Это относится к конструкции каждой лопасти. На фиг.2 так же изображена система регулировки мощности и ветрозащиты, состоящая из лопасти 1 с осью 4, на которой вращается лопасть 1, вставленной в колесо 17, укрепленной на штекере 5, штанги 7, упорной шайбы 6, пружины 11; штекер 5, вращающийся с колесом 17 с лопастями 1 и являющийся их опорой на поворотном устройстве 14 /фиг.3/.

На фиг.3 изображен общий вид ВЭУ, состоящей из опоры 13, на которой на поворотном устройстве 14 установлены в колесе 17 лопасти 1 ВЭУ, с системой грозозащиты и уменьшения шумов 3, 8, 9 с конусным отражателем ветра 10, и системой регулировки мощности с системой ветрозащиты 7, 6, 5, 11. Передача усилия вращения на электрогенератор 15 производится с помощью вала 16. Механический флюгер на фиг.3 не показан.

На фиг.4 - профиль нижней и верхней плоскости лопасти, образованный пересечением двух парабол У₃ и У₄. Лопасть изготавливается из композиционных материалов.

Работа ВЭУ.

Энергетический поток воздуха, попадая на параболообразные лопасти, приводит их во вращательное движение, которое через вал 16 (фиг.3) передается на электрогенератор 15. Система уменьшения продольных и поперечных колебаний уменьшает их более 20% и одновременно является проводником от рецепторов грозозащиты через кабель 12 /фиг.2/ на землю. Система регулировки мощности и ветрозащиты обеспечивает регулировку с точностью не более 15%. Ветроотражатель конусообразного типа обеспечивает отражение воздуха на конец лопасти, повышая ветроотдачу до 1%.

При создании ВЭУ с общей площадью, равной 2/3 площади круга, К₁≈0,7 и, учитывая коэффициент воздействии воздуха на лопасть, равный К₂≈0,7, получим общий коэффициент К≈К₁К₂≈0,5 /лучше на 0,1 - по сравнению с [2]/. Это дает возможность уменьшить длину лопасти примерно в два раза, не уменьшая мощности.

Проведенные сравнительные испытания на изготовленном макета показали, что лопасть параболообразной формы по сравнению с крыльчатой повышает ветроотдачу более чем в 1,5 раза при увеличении рабочей площади лопасти в два раза, при уменьшении длины лопасти в два раза.

Источник информации

1. Патент №222882 от 20 мая 2004 г.

2. Наука и жизнь №3. 2004 г.

3. Патент №1363699 от 06.02.1997 г.

1. Лопастная ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью вращения, имеющая лопасти, автоматическую регулировку мощности, флюгер, систему управления положением на ветер, электрогенератор и опору, отличающаяся тем, что лопасти установлены с углом атаки α≥7°, выполнены с задней и передней кромками по форме двух парабол У₁=К₁X^1/2; У₂=К₂Х^1/2+2R_o, касающихся окружности радиусом R≥R_o, центр которой расположен на расстоянии l≥2/3L, где R_o - изначально заданный радиус окружности, L - проекция длины лопасти на координату X, причем коэффициенты К₁ и К₂ рассчитываются по формулам К₁=У_1A/X_1A ^1/2; К₂=(У_2В-2R_о)/Х_2В ^1/2, где А и В - точки касания параболами У₁ и У₂ соответственно окружности радиусом R, профиль нижней и верхней поверхности лопасти образован пересечением на линии задней кромки двух парабол У₃=К₃Х^1/2 и У₄=К₄X^1/2+2R_o, где К₃≥1; К₄=(0,4-0,8)К₃, при этом конец лопасти загнут на угол β≥60°.

2. Лопастная ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена грозозащитой в виде рецепторов на конце лопасти.