МОДУЛЬНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

МОДУЛЬНАЯ ВЕТРОЗНЕРГЕТИЧЕСКАЯ НСТАНОВКА.
Полезная модель относится к ветроэнергетике, а более конкретно к ветрознергетическим установкам большой мощности (до ста киловатт).
Известны модульные ветроэнергетические установки, в которых на силовом каркасе в виде рамы, сетки или решетки установлено несколько модулей - небольших ветродвигателей традиционной схемы пропеллерного типа (СССР - АС N 1645603, 1989 г., F04D 1/04; США - патент N 5328334; Швейцария - патент N 608623; Япония публикация в газете Новые Известия от 20,04,99 г,)
Недостатками таких установок являются:
-низкий коэффициент использования энергии ветра из-за неблагоприятной интереференции соседних ветродвигателей-модулей, вследствие взаимодействия вихрей, сбегающих с концов лопастей;
-сложная конструкция, поскольку для нормальной эксплуатации такие установки должны быть оснащены специальными устройствами, ориентирующими их положение относительно направления ветра.
Известна ветроэнергетическая установка, в которой на мачте шарнирно закреплено осесимметричное центральное тело овальной формы с установленными на нем в максимальном сечении в один ряд по окружности ветродвигателями-модулями, каждый из которых снабжен наружным кольцевым обтекателем (заявка на полезную модель N 99121613 от 19.10.99),
Недостатками такой установки являются:
1, Неполное использование энергии ветра, так как рабочая площадь установки (проекция ее на направление ветра) в  раза меньше площади, ограниченной габаритами установки.
F03D 1/04
2.Конструктивная и технологическая сложность.
3.Недобор энергии при малых скоростях ветра из-за относительно высокой стартовой скорости ветра.
Задача, которую решает предложенная полезная модель, осуществляется за счет перехода от осесимметричной схемы к схеме башенного типа и позволяет повысить мощность ветроэнергетической установки при заданных ее габаритах, упростить ее конструкцию и технологичность, а также увеличить выработку знергии при малых скоростях ветра.
Технические результаты при этом достигаются следующие:
-увеличение мощности установки в 243 раза по сравнению с осесимметричной компоновкой (прототип) за счет увеличения рабочей ( фронтальной ) площади установки, поскольку мощность пропорциональна рабочей площади.
-конструкция установки башенного типа проще и технологичнее, чем конструкция осесимметричной установки (прототип), так как, во-первых, цилиндрическое тело конструктивно проще и технологичнее, чем осесимметричное, а во-вторых, модули наиболее сложные элементы ветроустановки, содержащие электрогенераторы и профилированные лопасти, занимают при башенной компоновке примерно 50Х рабочей площади, а остальную площадь занимает центральное тело - простая каркасная конструкция (то есть соотношение площадей 1:1), При осесимметричной компоновке получается менее выгодное соотношение: фронтальная площадь модулей занимает около 75% рабочей площади, а более простое центральное тело - остальные 25Х (соотношение 3:1).
9/2
- 2 Технические результаты достигаются тем, что в модульной ветроэнергетической установке содержащей центральное тело, на котором установлены ветродвигатели-модули, снабженные наружными кольцевыми обтекателями, центральное тело выполнено в виде симметричного цилиндрического тела овального поперечного сечения, шарнирно закрепленного на вертикальной оси. Носовая часть этого тела имеет эллиптическую форму и длину 0,4fO,5 от его максимального поперечного размера, а хвостовая часть этого тела имеет параболическую форму и длину l-i-2 от его максимального размера. Ветродвигатели-модули установлены в один ряд по бокам центрального тела в плоскости его максимального сечения, при этом диаметр модулей составляет 0,4-гО,б от максимального поперечного размера центрального тела.
С целью большего увеличения годовой выработки энергии за счет большего снижения стартовой скорости ветра может быть использована несимметричная схема ветроэнергетической установки Башня-крыло, в которой центральное тело выполнено в виде вертикально установленного крыла с закрылком. Ветродвигатели модули в этом случае размещаются с одной стороны в один ряд на выпуклой поверхности крыла в зоне ускорения воздушного потока.
На фиг.1 приведена схема модульной ветроэнерегтической установки Симметричная башня.
На фиг.2 представлена схема несимметричной модульной ветроэнергетической установки башня-крыло.
На фиг. 3 приведено сравнение мощности осесимметричной и башенной компоновок ветроустановки при одинаковых габаритных размерах. - 3 На фиг.4f5 для осесимметричной и башенной схем приведены расчетные значения относительной мощности в плоскости расположения модулей в зависимости от геометрических параметров.
Модульная ветроэнергетическая установка фиг.1 (схема Симметричная башня) содержит вертикальную ось 1, на которой шарнирно закреплено симметричное цилиндрическое центральное тело 2 с поперечным сечением овальной формы. Носовая часть 3 центрального тела 2 имеет эллиптический контур и длину LHOC, составляющую 0.4fO,5 от максимального поперечного размера (ширины) О шах центрального тела 1. Хвостовая часть 4 центрального тела 2 имеет параболический контур и длину i хв, равную 1т-2 Вшах. По бокам центрального тела 2 на его поверхности в плоскости максимальной ширины установлены в ряд ветродвигатели-модули 5, снабженные наружными кольцевыми обтекателями 6, причем диаметр каждого обтекателя do составляет 0.4тО,6 от максимального поперечного размера центрального тела Ь шах (см. свидетельство на полезную модель N 99111324 от 31.05.99).
Если в предложенной модульной ветроэнергетической установке Симметричная башня центральное тело выполнить в виде аэродинамического крыла, шарнирно закрепленного на вертикальной оси, а модули разместить в один ряд на выпуклой поверхности крыла, то получится установка Башня-крыло, обладающая дополнительными положительными качествами (фиг.2). Установка содержит шарнирно закрепленное на вертикальной оси 1 крыло 2 с закрылком 7. На выпуклой поверхности крыла в зоне повышенных скоростей в один ряд установлены модули 5. В этой конфигурации крыло занимает около 75Х рабочей площади, а модули 5 - остальные
99/5
- 4 25Х рабочей площади и, благодаря повышенной скорости в плоскости размещения модулей стартовая скорость ветра примерно в I,5f2 раза меньше, чем в случае Симметричной башни.
Модульная ветроэнерегетическая установка башенного типа (фиг, IfS) работает следующим образом. Набегающий со скоростью ветра UH воздушный поток разгоняется при обтекании носовой части 3 центрального тела 2 (крыла) и попадает на лопасти ветродвигателей-модулей 5, где кинетическая энергия воздушного потока преобразуется в механическую энергию вращения вала ветродвигателя, который в свою очередь приводит в движение электрогенератор, насос и тому подобное. Выходящий из ветродвигателей-модулей 5 воздушный поток обтекает хвостовую часть 4 центрального тела (крыла) 2. При отклонении плоскости симметрии центрального тела от направления ветра (или при неоптимальном значении угла атаки крыла) на хвостовой части 4 центрального тела (крыла) 2 возникает аэродинамическая сила, создающая момент сил относительно оси вращения, который поворачивает установку против ветра (если ось вращения шарнира проходит через носовую часть 3), то есть осуществляется самоориентирование установки на ветер.
Обоснование технических результатов.
I. Сравнение мощностей для осесимметричной и башенной компоновок, сделанное при условии, что мощность пропорциональна
рабочей площади (в данном случае Fo  и прямоугольник )
приведено на фиг.З. Оно показывает, что при одинаковых габаритах
- 5 в соответствии со среднестатистическими данными мощность ветроэнергетической установки башенного типа может более чем в два раза превышать мощность осесимметричной установки (прототип):
/XV а ч  Л   г-  ci.
0 FO
2.Из сравнения предлагаемой компоновки с прототипом (фиг.4f 5) следует, что центральное тело в случае осевой симметрии (круг) занимает 25Х рабочей площади, в случае бащенной компоновки при прямоугольной форме рабочей площади симметричное центральное тело занимает 50/. а в случае крыла даже 75% рабочей площади. Учитывая, что центральное тело имеет более простую конструкцию и технологически проще в изготовлении, чем модули, выгоды перехода к башенной компоновке очевидны.
3.Приведенное на фиг. 4f5 сравнение относительной мощности
N --.- (N - мощность воздущного потока в плоскости перед
модулями, NH - мощность набегающей струи ветра площадью, равной рабочей площади) для осесимметричной (прототип) и башенной компоновок С Симметричная башня) показывает, что прирост мощности ДН  N-1 во втором случае существенно больше (ДМншах  20-25% и ДМншах :: 70-85% соответственно). Поэтому для башенной компоновки стартовая скорость меньше и, следовательно, годовая выработка энергии больше. Кроме того, видно, что максимальный прирост мощности ANmax  Imax-l соответствует
выбранным значениям геометрических параметров  0,4тО,5 и  Л-Л
0,4тО,о.
99/: - 6 Р d
Автор: Хаскин Л.Я.