Ветроэнергетическая установка профессора меркулова
Владельцы патента RU 2384730:
Общество с ограниченной ответственностью "Ветросети" (RU)
Меркулов Владимир Иванович (RU)
Голушко Сергей Кузьмич (RU)
Изобретение относится к области возобновляемой энергетики, в частности, к ветроэнергетике. Ветроэнергетическая установка содержит ветрогенератор, состоящий 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), ветрогенератор размещен в ячейках сетки с возможностью поворота вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра, для чего лопасти располагаются сзади от оси поворота. Использование изобретения обеспечивает снижение материалоемкости и увеличение КПД и, как следствие, увеличение удельной мощности установки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области возобновляемой энергетики, в частности, к ветроэнергетике, более конкретно, к ветроэнергетическим установкам и может найти применение в народном хозяйстве для получения электроэнергии.
Известна ветроэнергетическая установка (SU №1645603, F03D 11/00, 30.04.91), в которой предлагается устанавливать ветрогенераторы в ячейках сетки, а сетку с помощью мачт и растяжек крепить на поворотной платформе.
Известна электростатическая емкостная машина для преобразования энергии ветрового потока (РФ №2241300, H02N 1/08, 27.11.04), 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 коэффициент полезного действия и, как следствие, малая удельная мощность.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветрогенераторы, состоящие из лопастей, воспринимающих энергию ветра, и связанных с ними преобразователей, при этом ветрогенераторы размещены в ячейках сетки, причем сетка с помощью мачт и растяжек растянута на рамах, закрепленных на одной мачте в перпендикулярных вертикальных плоскостях, по меньшей мере в один ряд (SU 1793095, F03D 3/00, 07.02.1992).
Недостатком указанного устройства является наличие подшипникового узла в каждом ветрогенераторе, что увеличивает материалоемкость устройства и снижает ее ресурс.
Задачей изобретения является упрощение конструкции, увеличение ресурса, снижение материалоемкости и, как следствие, снижение стоимости единицы установленной мощности.
При этом в качестве способа работы устройства используется способность лопастей колебаться под действием ветра, для чего сами лопасти закрепляются так, чтобы они имели возможность совершать изгибно-крутильные колебания (флаттер), а инерционные, упругие и геометрические параметры лопастей выбирают из условия максимального коэффициента преобразования энергии ветра в энергию колебания лопастей и связанных с ними электромеханических преобразователей.
Замена вращения на колебание позволяет упростить конструкцию и уменьшить размеры ветрогенераторов, что приводит к снижению материалоемкости устройства и увеличению его ресурса.
Ветрогенераторы размещены в ячейках сетки, укрепленной на неподвижных мачтах с возможность поворота вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра, для чего лопасти ветрогенератора расположены сзади от оси поворота.
Сети с помощью мачт и растяжек вывешены в несколько рядов с некоторым интервалом между ними, причем одна система рядов расположена перпендикулярно другой системе рядов.
Сущность изобретения иллюстрируется Фиг.1-3.
На Фиг.1. изображена схема ветрогенератора в двух проекциях, который состоит из корпуса 1, привода 2, вала-торсиона 3, лопасти 4, оси жесткости 5 и электромеханического преобразователя 6.
На Фиг.2 представлен внешний вид ветрогенератора в двух проекциях.
На Фиг.3 изображена многомачтовая ветроэнергетическая установка.
Установка работает следующим образом.
Воздушный поток, набегающий на лопасть 4, вызывает изгибные поперек потока и крутильные вокруг оси жесткости лопасти 4 колебания (флаттер). Через привод 2 эти колебания передаются на электромеханический преобразователь 6.
Инерционные, упругие и геометрические параметры лопастей выбирают по такому критерию:
mI=(Kh/m-ω2)(Kα/I-ω2)-S2ω4=0,
где: ω - частота колебания лопасти, 1/сек,
m - масса лопасти, кг,
I - момент инерции лопасти относительно собственной оси жесткости, кг·м2,
Кα - крутильная жесткость лопасти относительно этой оси, Н·м,
где: Н=кг·м/сек2
S - статический дисбаланс лопасти относительно этой оси, кг·м,
Kh - жесткость крепления лопасти к валу, Н/м.
Это условие обеспечивает возникновение и поддержание изгибно-крутильных колебаний крыльев ветрогенератора, физически соответствует условию возникновения резонанса между изгибными и крутильными колебаниями, см. монографию Р.Л.Бисплингхофф, X.Эшли и Р.Л.Халфмен. Аэроупругость, ил, М. 1958, 800 с. (стр.465, формулы 9-13а, 9-13в).
В том случае, если геометрические и жесткостные параметры крыльев ветрогенератора не удовлетворяют этому условию, колебания крыльев не возбуждаются.
Кроме того, ширина лопасти В и амплитуда колебания конца лопасти Н должны удовлетворять такому соотношению:
НВ=U2/πω2,
где: U - скорость ветра.
Это условие обеспечивает максимальное теоретически достижимое КПД ветрогенератора, равное 0.5, и получено с использованием формул 5-345 и 5-346 цитированной выше монографии (стр.244).
При нарушении указанной зависимости между частотой, амплитудой и шириной лопасти КПД будет уменьшаться.
Ветрогенераторы размещены в ячейках сетки с возможность поворота вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра, для чего лопасти расположены сзади от оси поворота (Фиг.2).
Длинные сети с помощью мачт и растяжек вывешены в несколько рядов с некоторым интервалом между ними, причем одна система рядов расположена перпендикулярно другой системе рядов (Фиг.3).
Длинную сеть можно растягивают поперек горного ущелья, что позволяет использовать постоянно дующие ветры в горном ущелье.
Использование предлагаемого изобретения дает возможность эффективно использовать энергию поступательного движения ветрового потока.
1. Ветроэнергетическая установка, содержащая ветрогенератор, состоящий из лопастей, воспринимающих энергию ветра и связанных с ними электромеханических преобразователей, отличающаяся тем, что 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 условий
mI=(Kh/m-ω2)(Kα/I-ω2)-S2ω4=0,
где ω - частота колебания лопасти, 1/с;
m - масса лопасти, кг;
I - момент инерции лопасти относительно собственной оси жесткости, кг·м2;
Кα - 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,
при этом ветрогенератор(ы) размещен(ы) в ячейках сетки с возможностью поворота вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра, для чего лопасти расположены сзади от оси поворота.
2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что сети с помощью мачт и растяжек вывешены в несколько рядов с некоторым интервалом между ними, причем одна система рядов расположена перпендикулярно другой системе рядов.
