ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к горизонтально-осевым ветроэнергетическим установкам.
Известны ветроэнергетические установки (см., например, патенты США №№4495423, 4584486 кл. 290/44), содержащие ветроколесо, вал которого через повышающий редуктор связан с валом электрогенератора, и механизм поворота лопастей. Эти установки нашли широкое использование в ветроэнергетике (Han, Erich, "Windturbines", Berlin, 2000). Чтобы избежать резонансных колебаний лопастей, представляющих угрозу их разрушения, а также для поддержания постоянными частоты и напряжения переменного тока, вырабатываемого электрогенератором, установки должны работать с почти постоянной скоростью вращения ветроколеса, что обеспечивается механизмом поворота лопастей вдоль их продольной оси. Однако, если число оборотов ветроколеса будет фиксированным, то ветроэнергетическая установка будет работать с оптимальным коэффициентом использования ветра только при определенной скорости ветра. Как увеличение, так и снижение скорости ветра приводит к сдвигу рабочей точки от максимума, т.е. установка будет работать при более низких коэффициентах использования энергии ветра (ред. Шефтер Я.И. «Энергия ветра, - М., 1982 г.). Это связано с тем, что различные сечения лопастей с крыловыми профилями даже при наличии механизма поворота лопастей вдоль их продольных осей работают при неоптимальных углах атаки, что приводит к срыву потока от поверхности лопастей и возникновению аэродинамического шума.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение коэффициента использования энергии ветра в широком диапазоне изменения его скорости и снижение аэродинамического шума при сохранении скорости вращения ветроколеса и электрогенератора.
Поставленная цель достигается тем, что ветроколесо имеет закрепленные на его ступице полые лопасти, изготовленные в виде тел вращения с выполненными в их стенках продольными пазами, в которых размещаются сужающиеся криволинейные каналы с тангенциальными щелями на выходе, направленными по касательной к внешней поверхности лопастей, а компрессор, обеспечивающий через систему каналов подачу воздуха к тангенциальным щелям, содержит рабочее колесо с приводом от устройства с регулируемой скоростью вращения, которое закреплено на консоли вала, установленного на подшипниковых опорах внутри полого ветроколеса, и закрепленный на ветроколесе лопаточный диффузор.
На фиг.1 схематически представлен общий вид предпочтительного исполнения ветроэнергетической установки, а на фиг.2 - сечение A-A фиг.1 (в увеличенном масштабе).
Ветроэнергетическая установка содержит установленное на поворотной головке 1 башни 2 ветроколесо 3 с закрепленными на его ступице 4 полыми лопастями 5, выполненными в виде усеченного конуса. В стенках лопастей 5 выфрезерованы продольные пазы 6 с выпуклыми, выполненными по радиусу боковыми стенками, в которые установлены профильные вставки 7, имеющие в поперечном сечении форму треугольника с двумя вогнутыми сторонами, одна из которых выполнена с тем же радиусом, что и боковые стенки паза. Соответствующая поверхность вставки прилегает к боковой стенке паза с возможностью поворота вставки в процессе сборки лопасти. Другая же вогнутая поверхность вставки спрофилирована таким образом, что между ней и противоположной стенкой паза образуется сужающийся криволинейный канал 8 с тангенциальной щелью 9 на выходе, направленной по касательной к внешней поверхности лопасти 5. Канал 8 сообщается с полостью 10 внутри лопасти 5 через выполненные в стенке лопасти сверления 11. Полый вал 12 ветроколеса 3 через повышающий редуктор 13 связан с валом электрогенератора 14. На консоли вала 15, установленного на подшипниковых опорах внутри вала 12, крепится рабочее колесо 16 центробежного компрессора. На выходе из рабочего колеса 16 предусмотрены закрепленный на ветроколесе лопаточный диффузор 17 и кольцевой безлопаточный диффузор 18, расположенный между ветроколесом 3 и обтекателем 19, который крепится к ступице 4 и лопаточному диффузору 17 и служит для подвода воздуха к рабочему колесу 16 и ветроколесу 3. Безлопаточный диффузор 18 через систему каналов 20, 10, 11 и 8 в ступице и лопастях сообщается с тангенциальными щелями 9. Вал 15 рабочего колеса 16 через повышающий редуктор 13 и вариатор, содержащий ведущий 21 и ведомый 22 диски, а также расположенный между ними промежуточный элемент 23, связан с валом 12 ветроколеса, а через муфту свободного хода 24 с устройством запуска 25.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Установленная на башне 2 поворотная головка 1 ориентирует ветроколесо 3 относительно направления ветра. При вращении ветроколеса большая часть его полезной энергии используется для привода электрогенератора 14, связанного с ветроколесом через повышающий редуктор 13. Другая же часть затрачивается на привод рабочего колеса 16 центробежного компрессора, связанного с валом 12 ветроколеса через повышающий редуктор, и вариатор. Скорость рабочего колеса 16 может меняться в зависимости от положения промежуточного элемента 23, установленного между ведущим 21 и ведомым 22 дисками вариатора. В рабочем колесе 16 засасываемый из атмосферы воздух сжимается, а затем поступает последовательно в лопаточный 17 и безлопаточный 18 диффузоры, в которых происходит дальнейшее повышение его давления. Из безлопаточного диффузора 18 сжатый воздух через систему каналов 20, 10, 11 и 8 в ступице 4 и лопастях 5 ветроколеса поступает к тангенциальным щелям 9, из которых выбрасывается в виде пристеночных высокоскоростных струй. При этом вокруг лопастей образуется кольцеобразный вихрь, взаимодействием которого с набегающих потоком воздуха на ветроколесе 3 создается крутящий момент. Циркуляция этого вихря, величина которой определяется скоростью выбрасываемых струй, зависящей от скорости вращения рабочего колеса, может в несколько раз превосходить циркуляцию вокруг лопастей ветроколеса с крыловыми профилями, что позволяет увеличить коэффициент использования энергии ветра в широком диапазоне изменения скорости набегающего потока воздуха, а следовательно, и полезную мощность ветроколеса. Пристеночные струи обеспечивают безотрывное обтекание поверхности лопастей при любой скорости ветра, что приводит к снижению аэродинамического шума при работе ветроэнергетической установки.
Запуск ветроэнергетической установки происходит следующим образом. Устройство запуска 25 приводит во вращение вал 15, на котором установлено рабочее колесо 16 центробежного компрессора. Из рабочего колеса закрученный поток воздуха начинает поступать в закрепленный на ветроколесе лопаточный диффузор 17, при прохождении через который поток воздуха раскручивается, вследствие чего на ветроколесе создается крутящий момент и оно начинает вращаться. Дальнейшее увеличение крутящего момента будет происходить по мере заполнения полостей 10 в лопастях 5 сжатым воздухом и увеличения скорости струй, выбрасываемых из тангенциальных щелей 9. При достижении ветроколесом определенной скорости вращения промежуточный элемент 23 входит в контакт в ведущим 21 и ведомым 22 дисками вариатора, после чего происходит отключение муфты свободного хода 24 и устройства запуска 25, а также подключение электрогенератора 14 в сеть.
При остановке ветроэнергетической установки сначала отключают электрогенератор 14 от сети, а затем выводят из контакта с дисками 21 и 22 вариатора промежуточный элемент 23, в результате чего компрессор прекращает подачу сжатого воздуха в полые лопасти. Т.к. крутящий момент на ветроколесе создается только при условии вращения рабочего колеса компрессора, то для предотвращения непроизвольной ротации ветроколеса при любой скорости ветра отпадает необходимость в использовании тормозных устройств.
Очевидно, что эффективность работы ветроэнергетической установки зависит от соотношения мощности, затрачиваемой на привод рабочего колеса компрессора, и дополнительной мощности, получаемой в результате повышения коэффициента использования энергии ветра. При этом необходимо учитывать, что часть мощности, затрачиваемой на привод рабочего колеса компрессора, возвращается к ветроколесу при раскрутке воздушного потока в лопаточном диффузоре 17, который играет роль приводной турбины ветроколеса.
Важным преимуществом ветроэнергетической установки является возможность ее работы при низких скоростях ветра, при которых работа установок, снабженных лопастями с крыльевыми профилями, невозможна вследствие того, что при таких режимах значительно снижается коэффициент использования энергии ветра.
Другим преимуществом установки является возможность ее работы при низких температурах без обледенения лопастей, т.к. температура сжатого воздуха, поступающего в полости лопастей, превышает температуру окружающей среды, а выбрасываемые из тангенциальных щелей струи препятствуют образованию наледи на поверхности лопастей.