ветроэнергетическая установка

Формула изобретения

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая осесимметричный диффузорный ускоритель с лопатками направляющего аппарата, имеющими отклоняемый закрылок, радиально закрепленными неподвижно внутри ускорителя в зоне входа, центральное тело, состоящее из неподвижной носовой части с обтекателем, вращающейся средней части, выполненной в виде ротора электрогенератора с лопатками ветроколеса пропеллерного типа, и хвостовой части, отличающаяся тем, что она снабжена цилиндрическими обечайками, прикрепленными радиальными стойками к центральному телу с возможностью образования с ним кольцевого зазора, при этом лопатки ветроколеса и направляющего аппарата установлены на обечайках.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что диффузорный ускоритель выполнен, по меньшей мере, из трех кольцевых крыльев, расположенных вдоль оси друг за другом и имеющих последовательно увеличивающиеся диаметры и углы отклонения хорд профилей от осевого направления, при этом переднее крыло имеет наибольшую толщину и хорду.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что углы между хордами профилей и осью симметрии ускорителя, начиная с переднего, составляют соответственно 4°, 15° и 22°.

4. Установка по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что неподвижный вал электрогенератора обращенного типа закреплен своей передней частью в носовой части центрального тела.

5. Установка по п.2 или 3, отличающаяся тем, что хвостовая часть, служащая хвостовой опорой вала электрогенератора, выполнена в виде обтекателя оживальной формы, неподвижно соединенного со вторым и/или третьим кольцевым крылом ускорителя дополнительными радиальными обтекаемыми стойками.

6. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что хвостовая часть выполнена в виде обтекателя оживальной формы, соединенного с ротором электрогенератора и вращающегося вместе с ним.

Описание изобретения к патенту

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) относится к энергетике и служит для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию. ВЭУ предназначена для применения в промышленности, сельском хозяйстве и т.п. Установка принадлежит к типу ветроустановок с ускорителями ветрового потока, в частности с диффузорными ускорителями.

Разработки ветроустановок с диффузорными ускорителями ведутся длительное время. Ранние работы этого направления описаны в книге "Ветроэнергетика" под редакцией Д. де Рензо. - М.: Энергоатомиздат, 1982, с.134-144.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая осесимметричный диффузорный ускоритель, составленный, по меньшей мере, из двух соосно расположенных кольцевых крыльев, осесимметричное центральное тело с ротором электрогенератора, ветроколесо с лопатками и цилиндрическую обечайку (WO 00/50769 А1, 31.08.2000).

Недостатком указанной известной схемы ветроустановки с диффузорным ускорителем является то, что при ее разработке не учитывалось влияние отбора мощности ветроколесом на течение в диффузоре.

Известна, выбранная в качестве прототипа, ветроэнергетическая установка, содержащая осесимметричный диффузорный ускоритель с лопатками направляющего аппарата, имеющими отклоняемый закрылок, радиально закрепленными неподвижно внутри ускорителя в зоне входа, центральное тело, состоящее из неподвижной носовой части с обтекателем, вращающейся средней части, выполненной в виде ротора электрогенератора с лопатками ветроколеса пропеллерного типа, и хвостовой части (US 4075500 A, (OMAN et al.), 21.02.1978).

Недостатком прототипа является то, что при разработке этой известной схемы ветроустановки с диффузорным ускорителем не предпринималось попыток ликвидации срыва потока с центрального тела при отборе мощности ветроколесом.

Технической задачей изобретения является минимизация отрывных явлений, как на внутренних стенках диффузора, так и с поверхности центрального тела и учет влияния отбора мощности ветроколесом на течение в диффузоре при разработке схемы ветроэнергетической установки с диффузорным ускорителем.

Технический результат, получаемый от изобретения, заключается в повышении коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки и снижении ее шумности.

Поставленная техническая задача решается и технический результат достигается за счет того, что ветроэнергетическая установка содержит осесимметричный диффузорный ускоритель с лопатками направляющего аппарата, имеющими отклоняемый закрылок, радиально закрепленными неподвижно внутри ускорителя в зоне входа, центральное тело, состоящее из неподвижной носовой части с обтекателем, вращающейся средней части, выполненной в виде ротора электрогенератора с лопатками ветроколеса пропеллерного типа, и хвостовой части, при этом новым является то, что она снабжена цилиндрическими обечайками, прикрепленными радиальными стойками к центральному телу с возможностью образования с ним кольцевого зазора, при этом лопатки ветроколеса и направляющего аппарата установлены на обечайках.

Кроме того, диффузорный ускоритель может быть выполнен, по меньшей мере, из трех кольцевых крыльев, расположенных вдоль оси друг за другом и имеющих последовательно увеличивающиеся диаметры и углы отклонения хорд профилей от осевого направления, при этом переднее крыло имеет наибольшую толщину и хорду. При этом углы между хордами профилей и осью симметрии ускорителя, начиная с переднего, могут составлять соответственно 4°, 15° и 22°.

Неподвижный вал ротора электрогенератора обращенного типа закреплен своей передней частью в носовой части центрального тела.

Хвостовая часть центрального тела, служащая хвостовой опорой вала электрогенератора, может быть выполнена в виде обтекателя оживальной формы, неподвижно соединенного со вторым и/или третьим кольцевым крылом ускорителя радиальными обтекаемыми стойками.

А также хвостовая часть центрального тела может быть выполнена в виде обтекателя оживальной формы, соединенного с ротором электрогенератора и вращающегося вместе с ним.

При разработке предлагаемой схемы ветроэнергетической установки с диффузорным ускорителем, выполненной при помощи математического моделирования турбулентного течения реального газа, учитывается влияние отбора мощности ветроколесом на течение в диффузоре. На основе перебора множества вариантов найдена форма и оптимальные геометрические соотношения элементов установки при наибольшей энергетической нагруженности ветроколеса. При этом реализация ускорения ветрового потока в плоскости вращения нагруженного ветроколеса удается за счет минимизации отрывных явлений, как на внутренних стенках диффузора, так и с поверхности центрального тела.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид ветроэнергетической установки.

На фиг.2 показан продольный разрез установки.

На фиг.3 показано центральное тело установки.

Ветроэнергетическая установка содержит осесимметричный диффузорный ускоритель, составленный из трех кольцевых крыльев 1, 2, 3, расположенных вдоль оси друг за другом и имеющих последовательно увеличивающиеся диаметры и углы отклонения хорд профилей от осевого направления, при этом переднее крыло 1 имеет наибольшую толщину и хорду и является основной несущей конструкцией. В своей нижней части оно шарнирно крепится к башне 4 установки, причем вертикальная ось шарнира проходит впереди центра давления ветра на установку в целом. Два следующих кольцевых крыла 2, 3 относительно небольших хорд и последовательно увеличивающихся диаметров играют роль двухзвенного закрылка, придающего потоку в ускорителе необходимую диффузорность.

Переднее крыло 1 снабжено лопатками 5 направляющего аппарата, выполняющими также роль стоек, радиально закрепленных неподвижно внутри крыла 1 в зоне входа. При этом лопатки 5 имеют отклоняемый закрылок 6.

Центральное тело состоит из неподвижной носовой части 7 с обтекателем, вращающейся средней части, выполненной в виде ротора электрогенератора 8 с лопатками 9 ветроколеса пропеллерного типа, и хвостовой части 10.

Ветроэнергетическая установка снабжена цилиндрическими обечайками 11, 12, прикрепленными радиальными стойками 13 к центральному телу с возможностью образования с ним кольцевого зазора, при этом лопатки 9 и 5 соответственно ветроколеса и направляющего аппарата установлены на обечайках 12, 11.

При выполнении дифференциального ускорителя из трех кольцевых крыльев 1, 2 и 3 углы между хордами профилей и осью симметрии ускорителя, начиная с переднего, составляют соответственно 4°, 15° и 22°.

Неподвижный вал 14 электрогенератора 8 обращенного типа закреплен в носовой части 7 центрального тела.

Хвостовая часть 10, служащая хвостовой опорой вала электрогенератора 8, выполнена в виде обтекателя оживальной формы и неподвижно соединена со вторым и/или третьим кольцевым крылом ускорителя дополнительными радиальными обтекаемыми стойками (на чертеже не показаны).

Хвостовая часть 10, выполненная в виде обтекателя оживальной формы, может быть соединена с ротором электрогенератора 8 и вращаться вместе с ним.

Работает заявленная ветроэнергетическая установка точно так же, как и подобные ей установки с диффузорными ускорителями.

Для реализации щелевого эффекта разрезного крыла в диффузорном ускорителе носики каждого последующего профиля в осевом направлении смещены вперед относительно хвостика предыдущего профиля на расстояния порядка 5% хорды этого профиля, а радиальные зазоры между поверхностями профилей в местах указанного перекрытия составляют также 5-7% хорды.

Между центральным телом и обечайками 11, 12 организован кольцевой проток воздуха в привтулочном пространстве ветроколеса и направляющего аппарата, минимально загроможденный стойками 13 крепления обечайки к центральному телу, обеспечивающий минимизацию отрывных явлений с поверхности центрального тела.

Лопаточные системы ветроколеса и направляющего аппарата, таким образом, располагаются в кольцевой области между внутренней поверхностью переднего крыла 1 ускорителя и обечайками 11, 12 и профилируются в соответствии с радиальным распределением скоростей, образующемся в этом кольцевом канале.

Разработка таких установок связана с возможностями получения некоторых преимуществ по сравнению с широко распространенными ВЭУ традиционной формы с ветроколесами пропеллерного типа, вращающимися относительно горизонтальной оси в свободном потоке. К этим преимуществам относятся, прежде всего, повышение энергетической эффективности работы ветроколеса в ускорителе по отношению к ветроколесу того же диаметра в свободном потоке, как за счет повышения мощности, так и за счет расширения диапазона рабочих скоростей ветра, а также снижение экологических нагрузок на окружающую среду, в частности уровня звукового давления, за счет капотирования вращающихся элементов и применения звукопоглощающих материалов в конструкции ускорителя.