ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области электростанций - ветроэнергетических установок, снабжающих предприятия и населенные пункты электроэнергией. Ветродвигатели известны с глубокой древности.
В последнее время вновь наметился большой интерес к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) различной мощности, число которых растет из года в год. Причем особое внимание обращено на ВЭУ большой мощности. Так, существует проект создания ВЭУ на 2500 кВт. Диаметр рабочего колеса составляет около 100 м при высоте башни 60 м.
Однако при этом возникают проблемы механической прочности всей станции, а также проблема уже экологического характера - при вращении лопастей генерируется инфразвук, негативно влияющий на живые организмы, в том числе и на человека. Поэтому преобладает мнение, что в настоящее время наиболее целесообразно использовать ВЭУ мощностью от 5 до 100 кВт. Практически все задачи прочности таких установок решены удовлетворительно, за исключением ликвидации инфразвука [1, 2].
В настоящее время рассматриваются два типа ВЭУ: пропеллерного и роторного типа.
ВЭУ пропеллерного типа являются более быстроходными. У них коэффициент использования энергии ветра достигает 52-58%. Но они более сложны в изготовлении по сравнению с установкой роторного типа, имеют значительно большие габаритные размеры, идут вразнос при резком увеличении скорости ветра. Для получения одинаковой мощности диаметр ВЭУ пропеллерного типа имеет примерно в 2,5 раза больший диаметр, чем роторный.
Роторный ВЭУ имеет большой крутящий момент, он не боится перегрузок при резком повышении скорости ветра, то есть стабильность его работы заметно выше. Мощность, снимаемая ВЭУ роторного типа, можно увеличить за счет установки еще одного яруса лопастей.
В качестве прототипа использованы роторные ВЭУ.
Указанная ВЭУ имеет ряд недостатков.
1. Очень низкий коэффициент использования энергии ветра. Это объясняется тем, что ротор работает за счет аэродинамической несимметричности. Ветер, обдувая ротор, одинаково воздействует на все лопасти, попадающие в его фронт. Это означает, что одна половина использует энергию ветра полностью, а вторая, наоборот, тормозится. Набегающий поток ветра срывается с выпуклой стороны лопасти и может ударять
во внутреннюю часть другой лопасти. Причем величина потери энергии ветра непостоянно и пульсирует в зависимости от положения наружной выпуклости одной лопасти и кармана соседней, создавая тем самым возможность резонанса. При возникновении резонанса возникает возможность генерации инфразвука. Четвертая лопасть при этом остается без воздействия потока ветра.
2. Зависимость числа оборотов ротора от площади лопастей. При увеличении площади подает число оборотов. Это означает, что число оборотов ротора составляет 200-500 об./мин.
3. Расположение ротора на вертикальном валу затрудняет размещение рабочего колеса на втором ярусе.
4. Снимаемая мощность ВЭУ ограничивается 1-2 ярусами. Большее число ярусов установить уже затруднительно из-за трудностей, связанных с механической прочностью вала и устойчивостью стойки.
Задачей полезной модели является создание малогабаритных ВЭУ, мощность которых составляла бы 1,5-20,0 кВт с высоким коэффициентом использования энергии ветра и пригодных для эксплуатации в условиях отсутствия других источников энергии.
Техническим результатом полезной модели является создание малогабаритных ВЭУ с высоким коэффициентом использования энергии ветра.
Сущность полезной модели: ветроэнергетическая установка включает установленный на валу ротор с лопастями, и как минимум еще один ротор, которые устанавливают попарно на горизонтальном валу, снабженном двухручевым шкивом для передачи крутящего момента при вращении вала одновременно двум генераторам, производящим переменный и постоянный токи соответственно.
Установка установлена на вращающейся площадке с возможностью занимать положение, соответствующее оптимальному направлению потока и давления воздуха.
Каждый ротор снабжен диффузором, повторяющим форму ротора по диаметру, с раструбом, направленным под углом не менее 20° в сторону набегающего потока ветра.
Каждый ротор снабжен диффузором, представляющим собой систему экранов, из которых один экран закрывает самотормозящуюся половину ротора, а другие направляют набегающий поток ветра на лопасти, таким образом, чтобы на них постоянно давила часть потока ветра, захваченного диффузором.
Лопасти ротора, выполненные как сегмент, имеют поверхность, воспринимающую давление потока ветра, в виде нерегулярно расположенных по периметру складок,
которые под давлением потока воздуха изменяют свою форму, нейтрализуя возникновение резонанса.
Соотношение диаметра ротора к его высоте составляет 1,618.
Диффузор каждого ротора снабжен регулирующими объем поступающего потока ветра створками или жалюзи, укрепленными на раструбе диффузора, которые регулируют поступление потока ветра на лопасти ротора причем.
Створки или жалюзи снабжены стопором, фиксирующим заданное положение створки.
Ветровая энергия трансформируется в электрическую энергию при помощи электрогенераторов. Одновременно могут быть получены постоянный и переменный токи.
Для предотвращения генерации инфразвука лопасти выполнены из гибкого материала, собранного в складки, расположенные нерегулярно.
На фиг.1 показано расположение лопастей 1, их крепление на крестовине 2 и к валу 3 с помощью болтов 4 и система экранов 7, 9, 10, 11, из которых экран 7 в виде шторы препятствует потоку воздуха, задерживающего вращение ротора, экраны 9, 10, 11 определяют направление движения воздуха. Флюгер 5, 6 разворачивает установку перпендикулярно потоку воздуха. Диффузор 8 крепят на раме 12, со створками 13, 14 и стопором 15.
Сравнение движения потоков воздуха в прототипе и в предлагаемой ВЭУ позволяет сделать следующие выводы. В первом случае коэффициент полезного действия составляет 15-18%. Объясняется это тем, что для полезной работы используется менее 50% от мощности подающего потока. Вторая половина потока совершает торможение работающего колеса. Во втором случае торможение набегающим потокам устраняется экраном 7. Наличие диффузора 8 позволяет увеличить площадь набегающего потока в 10-20 раз, энергия которого практически полностью переходит в механическую энергию вращения вала. Поэтому КПД приближается к 80-90%. Он может быть и больше. Это зависит, в частности, от размеров диффузора.
Для регулировки работы ВЭУ и ее остановки диффузор снабжен створками 13, 14. Во время работы створки устанавливают вдоль потока воздуха. Поворотом створок регулируют подачу ветра на ротор. Каждая створка снабжена стопором 15, фиксирующим заданное положение стопора.
Створки можно заменить на жалюзи.
На фиг.2 показаны диффузор 1 без экранов и рабочее колесо 2 на валу 3. Заштрихованная область рабочего колеса 4 не производят полезную работу.
На фиг.3 и 4 показаны ВЭУ в сборе в двух модификациях: ВЭУ-2-А и ВЭУ-4-А с двумя и четырьмя роторами (рабочими колесами) 1 соответственно, диффузорами 2, укрепленными
на стойках 3 и раме. Каждая ВЭУ снабжена двумя генераторами постоянного и переменного токов 4, 5 с системами передач 14. Рабочие колеса 1, диффузоры 2, стойки 3, генераторы 4, 5 установлены на подвижной площадке 6, которая может вращаться относительно неподвижной площадки 8, установленной на башне (на крыше строения или столбе) 9. Поворот ВЭУ осуществляется при помощи узла поворота 10 и флюгера 11 на стойке 13. Число и размеры флюгеров зависят от массы ВЭУ. К тому же сами рабочие колеса стабилизируют свое положение.
Наличие двух-трех флюгеров улучшает устойчивость удержания системы ВЭУ перпендикулярно потоку воздуха.
Количество роторов 1 на общем валу 12 может быть увеличено. При выборе размеров, рабочего колеса принято соотношение диаметра к высоте d/H=1,618 (золотое сечение).
Где: d - диаметр рабочего колеса;
Н - высота рабочего колеса.
Работа ВЭУ
Установка указанного типа начинает работать эффективно, при ветре со скоростью от 4-5 м/сек.
При любом положении ВЭУ относительно направления ветра освобождается стопор (на фиг.7, 8 не показан) и благодаря флюгерам 11 весь блок разворачивается навстречу (перпендикулярно) потоку. Ветер, отдавая свою энергию лопастям ротора, раскручивает его и вместе с ним вал 12 и шкивы 14, которые передают вращение на генераторы тока 4, 5. Полученная энергия или используется непосредственно, или запасается в аккумуляторах (на схеме не показаны).
Пример.
Для проведения испытаний была изготовлена ВЭУ с двумя рабочими колесами. Причем соотношение диаметра ротора и его высоты составляло 1,618.
Общие параметры соответствовали параметрам ВЭУ-2-А: диаметр рабочего колеса (ротора) составил 1,6 м, высота - 1,0 м. В качестве генератора использовали автомобильный генератор примерно на 2 кВт.
Скорость ветра колебалась от 5 до 8 м/сек. Было установлено, что число оборотов рабочего колеса сразу достигла 1000 об./мин и более против ожидаемых 600-650 об./мин.
Установленные шкивы должны были обеспечивать получение примерно 2000-2500 об./мин, которые требовались для работы по стандарту. Увеличение числа оборотов привело к изменению режима работы генератора. Поэтому почти сразу реле отключало генератор. Потребовалось изменить передаточное число между диаметрами шкива на валу рабочих колес ВЭУ и генератора.
На основании проведенных испытаний разработаны, спроектированы, изготовлены ВЭУ, схемы которые представлены на фиг.3 и 4, технико-экономические показатели - в нижеследующей таблице.
Технико-экономические показатели ВЭУ
№№ п/п
Наименование
Единицы измерения
Типы аппаратов
ВЭУ-2-А
ВЭУ-4-А
1
Диаметр рабочего колеса
мм
1600
1600
2
Высота рабочего колеса
мм
650-1000
650-1000
3
Количество колес
шт
2
4
4
Скорость воздуха
м/сек
от 5
от 5
5
Развиваемая мощность
кВт
2,5-5,0
5-10,0
6
Тип электротока
-
постоянный, переменный
постоянный, переменный
7
Генерация инфразвука
-
отсутствует
отсутствует
8
Высота башни
м
не менее 10
не менее 10
Примечание:
1. Мощность может быть увеличена установкой дополнительных роторов или изменением их диаметров и высоты.
2. Затраты на изготовление ВЭУ-4-А примерно на 30% больше, чем ВЭУ-2-А.
Используемая литература:
1. Проценко А.Н. Энергетика сегодня и завтра. - М.: «Молодая гвардия», 1987.
2. «Более, чем достаточно?» Сб. статей под ред. Р.Кларка. - М.: Энергоатомиздат, 1984.
3. Самойлов П. Ветер - помощник. С-Петербург: САМ, №3, 1995, с.9-11.