ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть применено для выработки электроэнергии при небольшом ветре.
В настоящее время практический интерес представляет создание горизонтально-осевых ветроэнергетических установок (ВЭУ) для регионов планеты, где среднегодовые скорости ветра соответствуют V=3-6 м/с. Горизонтально-осевые ВЭУ практически все пропеллерного типа. Вращающий момент создается за счет подъемной силы на лопастях. Относительно вектора скорости ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед башней (up wind) или после нее (down wind). В предлагаемом изобретении используется первый случай. Для стабильной работы ВЭУ малой и средней мощности чаще всего применяют систему активной самоориентации (за счет взаимодействия элементов ветроустановки с ветровым потоком). Наиболее часто в качестве таких устройств для горизонтально-осевых ВЭУ малой и средней мощности применяют хвостовик или флюгер.
Основное требование к системе активной самоориентации на направление ветра следующее:
- при всех режимах работы должна соблюдаться устойчивость положения гондолы в потоке, т.е. ориентация должна выполняться только при существенном и относительно долговременном изменении направления ветра, а не при случайных его пульсациях.
Известно техническое решение «Лопастное устройство», патент РФ №2272932, МКП 6 F03D 1/00, опубл. 27.03.2006 г., содержащее лопасти, кинематически связанные с генератором электрической энергии, при этом оно выполнено в виде флюгера с направляющим хвостовиком, исполняющим функцию самоориентации.
Недостатком данного изобретения является то, что при простоте конструкции хвостовика, а именно устройство ориентации, имеет повышенную скорость поворачивания лопастного устройства вокруг ее вертикальной оси и усложняет ее уравновешивание, что сказывается на точности, качестве и эффективности работы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и взятому за прототип является «Безредукторный ветроэлектроагрегат», патент РФ №2337251, МКП 6 F03D 7/00, опубл. 27.10.2008 г., содержащий неподвижную башню, поворотное основание, ветроколесо, электроагрегат и устройство ориентации в виде хвоста.
Недостатком данного изобретения является то, что при простоте конструкции устройства ориентации, выполненного в виде направляющего хвоста, оно имеет повышенную скорость поворачивания плоскости ветроколеса, усложняя уравновешивание, что сказывается на точности, качестве и эффективности работы, а значит снижение стабилизации положения плоскости ветроколеса на ветровом потоке при малой скорости его. Наличие перечисленных недостатков ограничивает использование устройств ориентации в виде флюгера (хвоста) при небольшом ветре.
Решаемой задачей изобретения является повышение эффективности стабилизации положения ветроколеса по ветровому потоку при небольших скоростях ветра за плоскостью ветроколеса.
Техническим результатом от использования предполагаемого изобретения является повышение эффективности ветроэнергоустановки за счет стабилизации положения ветроколеса по ветровому потоку при небольших скоростях ветра за плоскостью ветроколеса.
Технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей ветроколесо, опорную башню, гондолу с электроагрегатом, поворотное основание, устройство ориентации на ветровой поток, которое выполнено в виде хвостового оперения двухкилевой схемы вертикального оперения и стабилизатора, расположенного на поворотном основании, при этом кили установлены на концевых участках стабилизатора и их аэродинамические профили ориентированы вогнутой стороной наружу, а каждый киль состоит из пары элементов одинаковых по размерам и с одинаковыми несимметричными профилями с постоянной хордой по всей длине, причем элементы установлены относительно друг друга под углом и с зазором, образующим профилированную щель, с возможностью поворота плоскости ветроколеса относительно вертикальной оси вращения при небольшой скорости набегающего потока, в условиях максимального торможения скорости ветрового потока за плоскостью вращения ветроколеса, при этом элементы жестко соединены по торцам.
Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует одному из критериев условия патентоспособности: «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипами признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками из заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует одному из критериев условия патентоспособности: « изобретательский уровень».
Новизной данного предполагаемого изобретения является:
Разрезные профили вертикального оперения (килей) работают в условиях торможения (при малых скоростях за плоскостью ветроколеса) и создают большой восстанавливающий момент, благодаря которому, плоскость ветроколеса устанавливается по направлению ветрового потока при относительно долговременном изменении его направления, а не при случайных его пульсациях., таким образом, обеспечивается стабилизация положения плоскости ветроколеса..
Для пояснения технической сущности рассмотрим:
Фиг.1 - Вид сбоку на ВЭУ,
Фиг.2 - Вид сверху на ВЭУ, где
1 - опорная башня;
2 - ветроколесо;
3 - гондола с электроагрегатом;
4 - поворотное основание;
5 - стабилизатор;
6 - киль №1;
7 - киль №2.
Ветроустановка с горизонтальной осью вращения состоит из опорной башни 1, на которой установлены ветроколесо 2, гондола с электроагрегатом 3 и поворотное основание 4, на конце которого установлен стабилизатор 5 с двумя килями 6 и 7.
Ветроустановка работает следующим образом:
Вертикальные кили 6 и 7 спроектированы по принципу работы механизации крыла и обеспечивают поворот горизонтальной оси ВЭУ относительно ее вертикальной оси вращения поворотного основания 4 при небольших скоростях набегающего потока в условиях максимального торможения скорости ветра за плоскостью вращения ветроколеса 2.
В результате того, что кили 6 и 7 установлены таким образом, что их аэродинамические профили вогнутой стороной ориентированы наружу, при изменении направления ветра угол атаки (6) киля №1, например, увеличивается, а (7) киля №2 при этом уменьшается. Вследствие этого возникает момент относительно вертикальной оси вращения поворотного основания (4) ВЭУ, которое разворачивает плоскость ветроколеса 2 в сторону изменения направления ветра. В этом случае аэродинамическая сила на (7)киле №2 уменьшается. В случае изменения направления ветра на противоположное происходит обратное явление.
Расчетно-экспериментальными методами, проведенными в отделе аэрогидродинамики ИАТТ Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ получены результаты исследований модели ветроэнергетической установки.
Исследования проводились в соответствии с теорией подобия в эталонной аэродинамической трубе Т-1К ИАТТ КГТУ им. А.Н. Туполева. Углы установки килей на стабилизаторе и их элементов, а также размер профилированной щели определены расчетно-экспериментальным методом. Результаты исследований показали, что выбранная схема активной самоориентации обеспечивает точность ориентации не менее 5°, что позволяет избежать потери мощности, а скорость поворота ветроколеса не превышает 0,3 об/мин, что не вызывает чрезмерного гироскопического момента, при этом самоориентация выполняется только при существенном и относительно долговременном изменении направления ветрового потока, обеспечивая таким образом стабильное положение ветроколеса на ветровом потоке.
По сравнению с известными аналогами, предлагаемое изобретение ВЭУ с горизонтальной осью вращения обладает следующими достоинствами:
- простотой конструкции устройства ориентации на ветровой поток, позволяющей стабильно ориентировать плоскость ветроколеса на направление ветрового потока;
- упрощением технологии изготовления и, как следствие, низкие экономические затраты;
Все эти достоинства в целом позволяют создать заявленную ветроэнергоустановку высокоэффективной.