ВЕТРЯНАЯ ТУРБИНА С ПРОТИВООБЛЕДИНИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

Настоящая полезная модель относится к ветряной турбине, снабженной противооблединительными устройствами.
Известно, что ветряные турбины часто сталкиваются с проблемой образования льда. В действительности, по причине низкой температуры влажность воздуха может создавать на лопастях слои льда различной толщины и степени. Например, большие наслоения могут образоваться после осадков, в частности, снега, но также в случае ливня и последующего понижения температуры. Даже водяного пара, который конденсируется при контакте с лопастями, часто достаточно для создания пленки или отложений льда.
В любом случае, наслоение льда на лопатках является пагубным по нескольким причинам.
Прежде всего, масса льда, который прилипает к лопастям, оказывает влияние (зачастую важное) на производительность ветряной турбины. Например, повышенная масса ротора вызывает повышенные нагрузки, вследствие увеличенной общей массы.
Кроме того, слой льда легко может видоизменить форму или профиль лопасти, существенно понижая аэродинамическую эффективность. Другими словами, поверхность лопастей деформируется слоем льда непредсказуемым образом, при этом изменяются аэродинамические свойства лопастей. Таким образом, лопасти не могут взаимодействовать с падающим ветром оптимальным образом, и энергия, накапливаемая и преобразуемая ветряной турбиной, меньше, чем в условиях отсутствия льда.
В заключение, большие наслоения льда на лопастях могут представлять серьезную угрозу общественной безопасности. Благодаря большим размерам лопастей (даже несколько десятков метров) и круговому движению с относительно высокой угловой скоростью, периферийные области лопастей во время использования двигаются с высокой линейной скоростью. В случае образования льда на лопастях, некоторые глыбы могут отваливаться и отбрасываться на значительное расстояние от ветряной турбины, создавая посредством этого очевидную опасность. Риск становится все более большим, если ветряная турбина установлена поблизости от домов, промышленных площадок или путей сообщения.
Были разработаны противооблединительные системы, которые содержат электрические нагреватели, применяемые на лопастях ветряных турбин. На практике, электропроводные элементы устанавливают на лопасти и подводят электрическую энергию, для того чтобы нагревать поверхность, подверженную образованию льда.
Однако известные системы имеют два вида недостатков. Во-первых, применение электрических проводников часто является сложным и оказывает значительное влияние на общую стоимость каждой лопасти. Кроме того, необходимо рассеивать большое количество энергии для удовлетворительного нагревания поверхности лопастей и предотвращения образования льда (или удаление уже образованного льда). Обычно, в действительности, и особенно в холодном климате, предотвращение или удаление льда является эффективным, если температура поверхности лопастей поддерживается приблизительно при 50°C. В противном случае, рассеивания тепла, вызываемого воздействием ветра, так или иначе достаточно для замораживания влаги, которая осаждается на лопастях. Таким образом, потребление энергии, необходимое для достижения и поддерживания такой высокой температуры, является значительным.
Цель настоящего нового технического решения состоит в том, чтобы предоставить ветряную турбину, которая не содержит описанных ограничений и, в частности эффективно снижает риск образования льда.
Согласно настоящему новому техническому решению, предоставлена ветряная турбина, содержащая:
вращающийся узел, включающий в себя ступицу, вращающуюся вокруг оси, и по меньшей мере одну лопасть, установленную на ступице; и
противооблединительное устройство для предотвращения образования льда на лопасти; при этом противооблединительное устройство содержит электрический нагреватель, расположенный на лопасти;
отличается тем, что по меньшей мере часть наружной поверхности лопасти покрыта слоем гидрофобного материала, термически соединенного с электрическим нагревателем.
Слой гидрофобного материала предотвращает или по меньшей уменьшает осаждение влаги на поверхности лопастей ветряной турбины. Влага, в виде конденсированного пара, капель или кристаллов не пристает к наружной поверхности лопасти и стремится к отделению. Образованию льда, вследствие этого, эффективно противодействует совместное действие слоя гидрофобного материала, который препятствует осаждению влаги, и электрического нагревателя, который преобразует электрическую энергию в тепловую энергию. Энергия, необходимая для предотвращения образования льда, вследствие этого, значительно ниже по сравнению с ситуацией, когда используется только электрический нагреватель. В общем, чтобы избежать осаждения, достаточно поддерживать наружную поверхность лопасти при температуре приблизительно 20°C.
Кроме того, слой гидрофобного материала уменьшает осаждение грязи и пыли на поверхность лопасти.
Согласно дополнительному аспекту нового технического решения, нагреватель содержит слой электропроводного материала, нанесенного на наружную поверхность лопасти.
Согласно дополнительному аспекту нового технического решения, нагреватель содержит электропроводящий провод, расположенный на поддерживающем листе, установленном на наружной поверхности лопасти.
Таким образом, противооблединительное устройство может быть легко применено для лопасти.
Согласно дополнительному аспекту нового технического решения, противооблединительное устройство содержит множество электрически соединенных модулей, каждый из которых содержит соответствующую нагревательную часть электрического нагревателя, предоставленную на соответствующей части опоры и покрытую соответствующей гидрофобной частью слоя гидрофобного материала.
Модульный принцип противооблединительного устройства делает установку даже более легкой, а также повышает гибкость применения.
Согласно дополнительному аспекту нового технического решения, электрический нагреватель содержит электропроводный лист, вмонтированный в лопасть.
Согласно дополнительному аспекту нового технического решения, нагреватель и слой гидрофобного материала располагаются по меньшей мере на части переднего края лопасти.
Таким образом, передний край, который легко подвергается образованию льда, эффективно защищен.
Далее новое техническое решение будет описано со ссылкой на приложенные чертежи, которые иллюстрируют некоторые неограничивающие варианты ее осуществления, на которых:
- фиг.1 представляет собой вид сбоку ветряной турбины согласно одному варианту осуществления представленного нового технического решения, с удаленными для ясности частями;
- фиг.2 представляет собой вид спереди ветряной турбины согласно фиг.1, с удаленными для ясности частями;
- фиг.3 представляет собой упрощенную блок схему противооблединительного устройства, встроенного в ветряную турбину согласно фиг.1;
- фиг.4 представляет собой поперечное сечение части противооблединительного устройства фиг.3, выполненное по плоскости IV-IV на фиг.3;
- фиг.5 представляет собой изображение лопасти ветряной турбины согласно фиг.1 в разрезе, выполненном по плоскости V-V на фиг.1;
- фиг.6 представляет собой увеличенную деталь противооблединительного устройства согласно фиг.3;
- фиг.7 представляет собой поперечное сечение части противооблединительного устройства, встроенного в ветряную турбину, согласно другому варианту осуществления настоящего нового технического решения;
- фиг.3 представляет собой перспективное изображение части противооблединительного устройства согласно фиг.7;
- фиг.9 представляет собой вид сверху в плане первого варианта противооблединительного устройства согласно фиг.7;
- фиг.10 представляет собой вид сверху в плане второго варианта противооблединительного устройства согласно фиг.7;
- фиг.11 представляет собой поперечное сечение части противооблединительного устройства, внедренного в ветряную турбину, согласно дополнительному варианту осуществления представленного нового технического решения; а
- фиг.12 представляет собой вид сверху в плане в разрезе, выполненном в плоскости, перпендикулярной радиальному направлению, лопасти ветряной турбины согласно дополнительному варианту представленного нового технического решения.
Фиг.1 и 2 показывают ветряную турбину, обозначенную в целом ссылочной позицией 1. Ветряная турбина 1 содержит мачту 2, гондолу 3, ступицу 4 и множество лопастей 5 (три в варианте осуществления, описанном в данной заявке). Кроме того, внутри гондолы 3 расположены подробно не показанные здесь электрическая машина 6 и устройства для управления ветряной турбиной 1.
На ступице 4, которая установлена в гондоле 3, расположены три лопасти 5.
Гондола 3, в свою очередь, установлена на мачте 2 с возможностью вращения вокруг оси А1 вращения, для расположения лопастей 5 по ветру, тогда как ступица 4 может вращаться относительно гондолы вокруг оси А2. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.1, ось A3 лопастей 5 находится по существу перпендикулярно оси А2 ступицы 4. Кроме того, лопасти 5 можно регулировать вокруг соответствующей оси A3 для установки соответствующего угла наклона каждой лопасти 5 относительно направления ветра.
Ступица 4 и лопасти 5 образуют вращающийся узел 7, который может вращаться вокруг оси А2 относительно гондолы 3, и под действием ветра сам вращается вокруг оси А2 с угловой скоростью.
Каждая лопасть оборудована соответствующим противооблединительным устройством 8, питаемым источником 9 подачи энергии, который, в свою очередь, приводится в действие электрической машиной 6.
Противооблединительные устройства 8 идентичны друг другу и по этой причине, ссылка в дальнейшем будет сделана только на одно из них, если не оговорено иное. Однако должно быть понятно, что то, что будет описано и проиллюстрировано, в равной степени применимо к любому из противооблединительных устройств 8. Как схематично показано на фиг.3, каждое противооблединительное устройство 8 содержит электрический нагреватель 10, который расположен по меньшей мере на части наружной поверхности 5а соответствующей лопасти 5, и защитный слой 11 гидрофобного материала, покрывающий электрический нагреватель 10.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.4-6, электрический нагреватель 10 содержит слой электропроводного материала, нанесенный на наружную поверхность 5а лопасти 5 (фиг.4). В частности, электропроводный материал представляет собой электропроводную краску, которая нанесена непосредственно на лопасть 5.
Электрический нагреватель 10 образует электропроводную дорожку, которая проходит вдоль полигонального (такого как в проиллюстрированном примере) или криволинейного пути на наружной поверхности 5а лопасти 5 (фиг.6).
Более подробно, электрический нагреватель 10 покрывает по меньшей мере частично передний край 12 лопасти 5 и занимает, на противоположных сторонах лопасти 5, часть наружной поверхности 5а, которая соответствует приблизительно одной трети хорды С, как показано на фиг.5 (хорда С определяется, как расстояние между передним краем 12 и задним краем 13 на заданном расстоянии от оси А1 вращения). В другом варианте осуществления (не показанном), электрический нагреватель 10 занимает часть наружной поверхности 5а лопасти 5, которая соответствует приблизительно половине хорды С.
Кроме того, электрический нагреватель 10 располагается на наружной в радиальном направлении части лопасти 5, вдоль секции, которая соответствует приблизительно одной трети длины самой лопасти 5 (фиг.1 и 2).
В варианте осуществления, описанном в данной заявке, защитный слой 11 нанесен на наружную поверхность 5а таким образом, чтобы покрывать электрический нагреватель 10, и расположен на площади, которая немного больше, чем электрический нагреватель 10.
Таким образом, защитный слой 11 также расположен на переднем краю 12 лопасти 5 и на части наружной поверхности 5, которая соответствует приблизительно одной трети хорды C и одной трети (радиально наружу) длины L лопасти 5.
Кроме того, защитный слой 11 представляет собой слой гидрофобной краски, нанесенный на наружную поверхность 5а лопасти 5. В качестве альтернативы, вместо гидрофобной краски на наружной поверхности 5а лопасти 5 может быть помещен и прикреплен, например, с помощью адгезивного слоя, лист или пленка гидрофобного материала. В качестве дополнительной альтернативы, наружную поверхность обрабатывают наночастицами для покрытия гидрофобным слоем.
Предпочтительно, материалом, образующим защитный слой 11, является сверхгидрофобный материал.
Согласно варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг.7 и 8, ветряная турбина 1 содержит противооблединительные устройства 108, расположенные на лопасти 5.
Каждое противооблединительное устройство 108 содержит электрический нагреватель 110 и защитный слой 111.
Электрический нагреватель 110 образован электропроводящим проводом, например, плоским медным проводом на поддерживающем листе 112. Поддерживающий лист 112 является гибким и прикреплен к наружной поверхности 5а лопасти 5, например, с помощью адгезивного слоя.
Защитный слой выполнен из гидрофобного материала и нанесен на поддерживающий лист 112 таким образом, чтобы покрывать электрический нагреватель 110. Защитный слой 111 наносят перед установкой лопасти 5.
Электрический нагреватель 110 может быть модульным (фиг.9 и 10). В этом случае, соответствующие части 110а электрического нагревателя 110 находятся на соответствующих частях 112а поддерживающего листа 112 и покрыты соответствующими частями защитного слоя 111. Части 11а электрического нагревателя могут быть электрически соединены последовательно (фиг.9) или параллельно (фиг.10).
Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.11, ветряная турбина 1 оборудована противооблединительными устройствами 208, каждое из которых содержит электрический нагреватель 210 и защитный слой 211 гидрофобного материала. Электрический нагреватель 210 образован электропроводным листом, встроенным в конструкцию лопасти 5. Защитный слой 211 покрывает часть лопасти 5, в которую встроен электрический нагреватель 210. Вследствие этого, защитный слой 211 термически соединен с электрическим нагревателем 210, так что к нагревательному действию добавляется эффект уменьшения осаждения влаги.
В варианте осуществления согласно фиг.12, ветряная турбина 1 оборудована противооблединительными устройствами 308, каждое из которых содержит электрический нагреватель 310 и защитный слой 311 гидрофобного материала. В данном случае, электрический нагреватель 310 образован электропроводным слоем на внутренней поверхности 5b лопасти 5 (которая является полой) и термически соединен с наружной поверхностью 5а. Защитный слой 311 нанесен на часть наружной поверхности 5а, которая соответствует области, где расположен электрический нагреватель 310.