Роторная ветроэлектростанция - RU2215898C1
Код документа: RU2215898C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к конструкциям ветроэлектрических установок, оси вращения роторов которых вертикальны и перпендикулярны направлению потока ветра, и может быть использовано для выработки электроэнергии на ветровых электростанциях с выдачей ее как в частную, так и общественную энергосистемы.
Известен ветродвигатель, содержащий ротор с криволинейными лопастями, направляющий аппарат, установленный с возможностью поворота относительно ротора и выполненный в виде двух групп лопаток, в каждой из которых длина лопаток увеличивается в направлении вращения ротора, и флюгер, расположенный в плоскости, проходящей между группами лопаток (см. SU 985402 A, кл. F 03 D 3/00, 30.12.1982).
В известном ветродвигателе часть потока ветра непосредственно воздействует на изогнутые поверхности лопастей ротора, а другая часть потока улавливается направляющим аппаратом и посредством его лопаток направляется на лопасти ротора, что обеспечивает более полное использование энергии ветра.
К недостаткам известного устройства следует отнести невозможность его работы без флюгера, наличие которого усложняет конструкцию устройства и повышает инерционность его.
Усложняет конструкцию и необходимость установки лопаток различной длины, а натекание потока практически под прямым углом к поверхности лопастей приводит к их ударному воздействию на лопасти и, как следствие, появлению обратных потоков.
Кроме того, лопасти ротора по всей длине выполнены плоскими, т.е. без учета аэродинамики.
Известен также ветродвигатель, турбина которого образована рядом профилированных осесимметричных лопастей и расположена внутри направляющей системы, образованной несколькими установленными неподвижно направляющими створками, при этом каждая из лопастей турбины представляет собой часть боковой поверхности цилиндра, поперечное сечение каждой из створок имеет профиль в виде синусоиды, а кромки лопастей сориентированы так, чтобы обеспечить плавное перетекание воздуха с направляющих створок на лопасти турбины (см. RU 2168059 C2, кл. F 03 D 3/04, 27.05.2001).
В отличие от приведенного ранее устройства данный ветродвигатель может работать без флюгера, что повышает его маневренность и делает его более простым в изготовлении.
Однако полнота использования энергии ветра в данном устройстве недостаточна, что является одним из главных недостатков известного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является установка для преобразования ветровой энергии в электрическую, представляющая собой роторную ветроэлектростанцию, состоящую из ротора с криволинейными лопастями, установленного на вертикальной оси, связанной с валом электрогенератора, и направляющего аппарата, частично охватывающего ротор и представляющего собой ряд изогнутых лопаток, сечения и длина которых выполнены дифференцированно в зависимости от угла охвата ротора направляющим аппаратом. В известном устройстве обеспечивается плавное натекание ветрового потока на лопасти ротора, использование его энергии и отвод отработанного потока в вертикальном направлении вдоль оси ротора (см. DE 19739921 А1, кл. F 03 D 3/04, 06.05.1999).
Обеспечиваемая известным устройством схема движения ветрового потока внутри устройства повышает эффективность использования энергии ветра, однако при этом не в полной мере.
Кроме того, в известном устройстве вследствие наличия только одного ротора нельзя обеспечить изменение снимаемой электрической мощности, т.е. нельзя обеспечить работу в гибком режиме выдачи мощности, когда ее величина строго конкретизирована потребителем.
К недостаткам известного устройства относится и то, что необходим его поворот при изменении направления движения ветрового потока, что усложняет конструкцию и вызывает инерционность работы.
Усложнено и изготовление конструкции из-за необходимости наличия комплекта лопаток с различными геометрическими параметрами.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков ближайшего аналога, а именно повысить полноту использования энергии ветрового потока, обеспечить гибкое управление режимом выдачи электроэнергии потребителю, упростить конструкцию и ее эксплуатацию.
Указанная задача решена тем, что в известной роторной ветроэлектростанции, включающей направляющий аппарат с изогнутыми лопатками и ротор с изогнутыми лопастями, вал которого механически связан с валом электрогенератора, согласно изобретению лопасти ротора выполнены в форме аэродинамических крыльев, направленных в сторону вала ротора и установленных с зазором относительно него, а лопатки направляющего аппарата также выполнены в форме аэродинамических крыльев, но направленных к периферии аппарата, при этом лопатки и лопасти своими вогнутыми поверхностями ориентированы в противоположных окружных направлениях, а сама ветроэлектростанция выполнена из по меньшей мере одного модуля, каждый из которых состоит из ротора и направляющего аппарата, причем его лопатки установлены с углом входа потока ветра 40-60o и под углом 30-80o на выходе.
Кроме того, роторная ветроэлектростанция может характеризоваться тем, что профиль каждой лопасти ротора связан с ее длиной следующими соотношениями: х1= 0,519b, x2=0,489b, r1=0,663b, r2=0,553b, y1=0,463b, y2=0,215b, z1= 0,139b, z2=0,338b, R=0, 035b, где b - длина лопасти; х1, у1, х2, у2 - координаты центров окружностей радиусов r1, r2, образующих соответственно нижнюю и верхнюю границу профиля лопасти; z1 - ширина профиля лопасти в наивысшей его точке, расстояние до которой от горизонтальной оси составляет величину z2; R - радиус скругления одной из сторон профиля. Количество лопастей целесообразно иметь не менее 12 штук.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено: на фиг.1 - общий вид устройства, на фиг.2 - его поперечное сечение, на фиг.3 показан профиль лопасти ротора с указанием его геометрических характеристик.
Роторная ветроэлектростанция выполнена из по меньшей мере одного модуля, каждый из которых состоит из ротора 1 с вертикальной осью вращения и соединенного с ним кольцевого направляющего аппарата 2. Модули связаны между собой посредством разъемных соединений и установлены на общем валу 3.
На верхнем конце вала 3 установлен тахогенератор 4, наверху электростанции закреплен молниеотвод 5.
В генераторном отделении 6 на валу 7, связанном с валом 3, установлены группы электрогенераторов 8 (одно-, двух- или многоярусные электрогенераторы). Выход нагрузки генераторов 8 производится через преобразователь (условно не показан) и регулятор 9, электрически связанные с распределительным щитом 10. Кроме того, генераторы 8 связаны с аккумуляторной батареей 11 и токоведущими шинами 12.
Лопасти 13 ротора 1 выполнены в форме аэродинамических крыльев, обращенных в сторону оси вала 3 ротора 1 и установленных с зазором относительно вала 3, а лопатки 14 направляющего аппарата 2 выполнены в форме аэродинамических крыльев, обращенных от вала 3 ротора 1, т.е. наружу направляющего аппарата 2.
Лопатки 14 направляющего аппарата 2 установлены с углом входа потока ветра 40-60o и под углом 30-80o на выходе, а относительно лопастей 13 ротора 1 лопатки 14 ориентированы в противоположных окружных направлениях, т.е. таким образом, что, например, вогнутые поверхности лопастей 13 ориентированы по часовой стрелке, а лопаток 14 - против часовой стрелки.
Целесообразно наружный диаметр направляющего аппарата 2 выполнить с диаметром не менее 1,3 величины наружного диаметра ротора 1.
Работа электростанции осуществляется следующим образом.
Поток ветра поступает на лопатки 14 направляющего аппарата 2, ускоряется на них и поступает на лопасти 13 ротора 1, где преобразуется в вихревой поток, который, отдав свою энергию лопастям 13, покидает объем ротора в вертикальном направлении.
Как известно, при обтекании геометрических тел потоком ветра всегда возникают вихри, а при образовании вихревого воздушного потока его скорость увеличивается в несколько раз по сравнению со скоростью ветра на входе в установку, причем наибольшая скорость его наблюдается на лопастях ротора, тогда как вдоль оси ротора (в центральной его части) скорость воздушного потока практически равна нулю, что и использовано для удаления отработанного потока воздуха в вертикальном направлении - вдоль оси установки.
Использование вихревого потока в изобретении позволит максимально повысить КПД преобразования энергии ветра в механическую энергию, а генераторная группа обеспечивает высокий КПД на всех скоростях ветра.
Реферат
Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к конструкциям ветроэлектрических установок с вертикальной осью вращения ротора. Технический результат, заключающийся в повышении полноты использования энергии ветрового потока, обеспечении гибкого управления режимом выдачи электроэнергии потребителю, упрощении конструкции и ее эксплуатации, обеспечивается за счет того, что в роторной ветроэлектростанции, включающей направляющий аппарат с изогнутыми лопатками и ротор с изогнутыми лопастями, вал которого механически связан с валом электрогенератора, согласно изобретению лопасти ротора выполнены в форме аэродинамических крыльев, установленных с зазором относительно вала ротора, а лопатки направляющего аппарата также выполнены в форме аэродинамических крыльев, при этом лопатки и лопасти своими вогнутыми поверхностями ориентированы в противоположных окружных направлениях, а станция выполнена из по меньшей мере одного модуля, каждый из которых состоит из ротора и направляющего аппарата, причем его лопатки установлены с углом входа потока ветра 40-60o и под углом 30-80o. 3 ил.
