Способ повышения эффективности работы автономных ветроэнергетических установок

Изобретение относится к ветроэнергетике, сельскому и лесному хозяйству, в частности к использованию ветроэнергетических установок (ВЭУ) в комплексе с лесонасаждениями. Способ повышения эффективности работы автономной ВЭУ включает совмещение ее с лесонасаждением, при этом ВЭУ размещается в центре куртинного лесонасаждения, имеющего в горизонтальном плане конфигурацию, близкую к квадрату, шестиграннику или окружности, площадью не менее 900 м² и числом деревьев из расчета 3300 шт./га лесонасаждения, концы лопастей ветроколеса в нижнем их положении в любом возрастном периоде древостоя лесонасаждения должны отстоять не менее чем на 1 м от крон господствующего яруса древостоя лесонасаждения, что достигается выполнением конструкцией мачты ВЭУ раздвижной, при этом лопасти должны быть всегда ориентированными перпендикулярно к направлению обтекающего лесонасаждение ветра посредством флюгера. Изобретение обеспечит повышение эффективности работы автономных ветроэнергетических установок (ВЭУ) и увеличение их энергоотдачи за счет перераспределения в вертикальном профиле и концентрирования энергии воздушных потоков лесными насаждениями на роторе ВЭУ, что обеспечит электроснабжение в фермерских хозяйствах, удаленных от централизованного снабжения электричеством поселениях, горных поселках, на вновь осваиваемых землях, на островах, в районах, где из-за частых аварий возможны длительные перебои с электроснабжением. 3 ил.

 

Изобретение относится к ветроэнергетике, сельскому и лесному хозяйству, в частности к использованию ветроэнергетических установок ВЭУ в комплексе с лесонасаждениями для электроснабжения в фермерских хозяйствах, удаленных от централизованного снабжения электричеством поселениях, горных поселках, на вновь освояемых землях, на островах, в районах, где из-за частых аварий возможны длительные перебои с электроснабжением.

Лесные насаждения при взаимодействии с ветром существенно изменяют энергетику воздушных потоков в вертикальной плоскости. В работе [1] достоверно доказано, что за счет перераспределения воздушных потоков лесными насаждениями непосредственно над их кронами в слое, равном 1,0-1,5 средней высоты продольного профиля лесонасаждения, скорости ветра возрастают на 10-25% (см. фиг.1). Показано, что увеличение скорости ветра определяется ветропроницаемостью и ажурностью (просветностью) лесонасаждений: чем плотнее лесонасаждение, тем больше прирост скорости ветра (см. фиг.2).

Таким образом, лесонасаждения являются в зоне их влияния эффективным регулятором ветрового режима территорий.

Известен способ (SU 1676518 А1, А01G 23/00), позволяющий с помощью специальных ловушек, создаваемых из древесной растительности на концах основных и вспомогательных полезащитных лесных полос, снижать скорость ветра в местах разрыва лесных полос, предназначаемых для проезда сельскохозяйственной техники, и устранять коридорный эффект усиления дефляции.

Недостатком этого способа является то, что его целевая направленность - снижать скорость ветра, а для повышения эффективности работы ветроэнергетических установок, наоборот, необходимо ее повышать.

Известен способ Н.Г.Макаренко (патент Украины №14826 от 8 августа 1994), основанный на концентрировании ветровых потоков, подводимых к ротору силовой установки (фиг.3). Принцип его действия подобен принципу действия плотины гидроэлектростанции. Подобно тому, как плотина ГЭС сбрасывает на лопасти турбины собранную энергию водного потока, так и предложенная "ветровая плотина" направляет на лопасти ВЭУ энергию воздушных потоков. Способ основан (см. фиг.3) на использовании системы радиально расположенных сужающихся в направлении к силовой установке ветроводов (1), образованных тангенциально расположенными относительно внешнего края ротора (2) "перегородками" - модулями в виде лесонасаждений плотной конструкции (3).

Недостатками этого способа являются:

1. Большая площадь выводимых из сельскохозяйственного оборота земель. Кроме того, произвольная ориентация лесонасаждений в пространстве без учета линий стока и направлений ветровых потоков может вызвать деградацию территории в форме эрозии и дефляции.

2. В зоне контакта ветра с приемным устройством ветроэнергетической установки неизбежны значительные потери его скоростного напора из-за отжатая воздушных потоков в надкронную зону полос.

3. Лесные насаждения - это долговечные сооружения с меняющимися в течение жизни параметрами по высоте и плотности. Это может потребовать периодического изменения параметров ветроэнергетической установки, либо будет присутствовать факт неполной ее загрузки ветровым потоком.

Последний способ можно считать прототипом предлагаемого нами изобретения.

Задачей изобретения является разработка способа повышения эффективности работы автономных ВЭУ во все возрастные периоды насаждений, обеспечивающего значительное (не менее 60-70%) увеличение их энергоотдачи.

Технический результат изобретения заключается в использовании эффекта перераспределения энергии ветрового потока при взаимодействии его с лесонасаждением. Для этого ВЭУ размещается в центре куртинного лесонасаждения, имеющего в горизонтальной проекции форму квадрата, шестигранника или круга площадью не менее 900 м² с числом деревьев не менее 3300 шт./га лесонасаждения. Концы лопастей в нижнем их положении в любом возрастном периоде древостоя лесонасаждения должны размещаться на 1 м выше крон верхнего яруса лесонасаждения и быть ориентированы перпендикулярно направлению обтекающего лесонасаждение ветра.

На фиг.1 представлена эпюра изменения скоростного режима ветра (10-125%) в зоне аэродинамического влияния лесонасаждения высотой 9 м (показано цифрами 10, 20, 30...125%), указано размещение местоположение ВЭУ (2) и его ротора (3) относительно лесонасаждения (1). Как видно из фиг.1, построенной по данным работы [1], в области над плотным лесонасаждением (1) на высотах от 10 до 18 м (1,1-2 Н л.н., где Н л.н. - высота лесонасаждения) скорость ветра возрастает на 10-25% (равна 110-125% от величины ее на тех же высотах в открытом пространстве). На высотах же до 9 м (1 Н л.н.) она, наоборот, уменьшается и составляет 10-90% от скорости ветра в открытом пространстве. Если учесть, что энергия ветра, поступающая на лопасти ветроэнергетической установки, пропорциональна скорости его в кубе, то можно отметить, что в зоне от 1,1 до 2 Н л.н. она возрастает здесь в 1,33-1,95 раз (в среднем 1,64 раза). Вместе с тем, из работы [1] следует и другое, а именно, что степень повышения скорости над лесонасаждением (V_л/V₀)·100% зависит от его ажурности (просветности) F.

Как следует из фиг.2, при ажурности F, равной 10%, максимальная величина нормированной скорости ветра над лесонасаждением составляет 127%. С увеличением ажурности F до 40% отмеченный показатель снижается до 118%. Отсюда следует, что для максимального повышения энергоотдачи от ветроэнергетической установки нужно стремится совмещать как можно с более плотным лесонасаждением.

Способ осуществляется следующим образом (фиг.1):

- создается лесонасаждение (1) куртинного типа, имеющего в горизонтальном плане конфигурацию, близкую к квадрату, шестиграннику или окружности, площадью не менее 900 м² и с числом деревьев из расчета 3300 шт./га лесонасаждения;

- в центре лесонасаждения (1) устанавливается ветроэнергетическая установка (2) с таким расчетом, чтобы лопасти ее ротора (3) вписывались в слой увеличенной скорости воздушного потока над верхней границей древесного яруса, а концы лопастей ветроустановки в нижнем их положении отстояли не менее чем на 1 м от этой границы;

- при изменении данной границы уровень установки ветроколеса корректируется с помощью телескопического устройства мачты (раздвижной мачты) ветроэнергетической установки;

- лопасти установки (см. фиг.1, номер 3) всегда ориентируются перпендикулярно к направлению ветра с помощью суппорта, прикрепляющего ветроколесо к мачте и обеспечивающего его вращение вокруг вертикальной оси и хвостового оперения, выполняющего роль флюгера.

Предварительные испытания способа показали:

1. С экономической и ветроэнергетической точек зрения нет необходимости иметь площадь куртин, совмещенных с ветроэнергетическими установками, более 1600 м².

2. В среднем энергоотдача ветроэнергетических установок, совмещенных с лесонасаждениями, увеличивается на 55-62%, но в принципе может быть и больше.

Литература

1. Смалько Я.А. Ветрозащитные особенности лесных полос разных конструкций. - Киев, Госуд. издат. сельхоз. лит. УССР, 1963. - с.95-97 и 103-105.

Способ повышения эффективности работы автономной ветроэнергетической установки, включающий совмещение ее с лесонасаждением для использования эффекта перераспределения энергии воздушного потока последним, отличающийся тем, что ветроэнергетическая установка размещается в центре куртинного лесонасаждения, имеющего в горизонтальном плане конфигурацию, близкую к квадрату, шестиграннику или окружности, площадью не менее 900 м² и числом деревьев из расчета 3300 шт./га лесонасаждения, концы лопастей ветроколеса в нижнем их положении в любом возрастном периоде древостоя лесонасаждения должны отстоять не менее чем на 1 м от крон господствующего яруса древостоя лесонасаждения, лопасти должны быть всегда ориентированными перпендикулярно к направлению обтекающего лесонасаждение ветра.