Вітроенергетична установка для підвищення коефіцієнта використання енергії вітру

Вітроенергетична установка для підвищення коефіцієнта використання енергії вітру, яка складається із вентиляційної труби, всередині якої роз ташовані вітродвигуни, які кінематично з'єднані з Корисна модель відноситься до вітроенергетики і може бути використана в системах малокоштовного постачання електричної енергії в загальну електричну мережу в умовах нестабільної швидкості та напрямку вітру Відома вітроенергетична установка [1], в якій вітровий потік проходить через направляючі пристрої, кожний із яких виконаний у вигляді трубопроводу для повітря, з'єднаного з приводним обертаємим приймачем вітру, при цьому вітрові потоки поступають на турбіну і потім проходять на вихід через пристрої для відводу повітря Основний недолік такого пристрою є велика складність механічного обладнання та пов'язана з цим низька технічна надійність, і як наслідок, висока коштовність виготовлення та практичного використання Відома вітроенергетична установка [2] яка містить звужувану вентиляційну трубу у вигляді усіченого конуса, всередині якої розташовано декілька вітродвигунів з поступово зменшувальними розмірами вентиляторів, які кінематично з'єднані з чотирьохгранної усіченої піраміди, яка розташована горизонтально і в середині якої розташовані вітродвигуни у вигляді обертових двох пар прямокутних лопатей, розташованих перпендикулярно потоку вітру, який проходить через піраміду Поставлена задача удосконалити корисну модель, вирішується тим, що вітроенергетична установка для підвищення коефіцієнта використання енергії вітру, яка складається із вентиляційної труби, всередині якої розташовані вітродвигуни, які кінематичне з'єднані з ВІДПОВІДНИМИ електрогенераторами, згідно з корисною моделлю вентиляційна труба виконана у вигляді чотирьохгранної усіченої піраміди, яка розташована горизонтально, а вітродвигуни виконані у вигляді обертових двох пар прямокутних лопатей, розташованих перпендикулярно потоку вітру, який проходить через усічену піраміду, причому осі обертання лопатей розташовані на нижній горизонтальній грані піраміди, а нижні частини обертових навколо осі лопатей закриті від зовнішнього вітру На Фіг 1 зображена загальна структура вітроенергетичної установки для підвищення коефіцієнта використання енергії вітру, на Фіг 2 приведена векторна діаграма для визначення діючої складової вектора швидкості вітру, на Фіг 3 показана діаграма затінення від діючого вітру попередньої лопаті наступною, якщо лопатей більше двох пар, на Фіг 4 приведені графіки залежності коефіцієнта використання енергії вітру від числа пар лопатей ВІДПОВІДНИМИ електрогенераторами Основний недолік такого пристрою є низький коефіцієнт використання енергії вітру, визначаємий як співвідношення корисної енергії на валу обертання вітродвигунів до загальної енергії вітру, який проходить через звужувану вентиляційну трубу В основу корисної моделі поставлена задача збільшити коефіцієнт використання енергії вітру за рахунок виконання вентиляційної труби у вигляді ВІДПОВІДНИМИ електрогенераторами, яка відрізня ється тим, що вентиляційна труба виконана у вигляді чотиригранної зрізаної піраміди, яка розташована горизонтально, а вітродвигуни виконані у вигляді обертових двох пар прямокутних лопатей, розташованих перпендикулярно потоку вітру, який проходить через зрізану піраміду, причому осі обертання лопатей розташовані на нижній горизонтальній грані піраміди, а нижні частини обертових навколо осі лопатей закриті від зовнішнього вітру со о со О) 10309 (3), (4) можна визначити середнє значення Vdi діюта числа послідовно розташованих вітродвигунів в чої швидкості вітру в і-му перетині піраміді, на Фіг 5 приведені графіки коефіцієнта Vdl=2V,(1-cos1)) (6) ефективності застосування послідовно розташоЯкщо замість двох пар лопатей (ФіМ), які ваних вітродвигунів в піраміді, на Фіг 6 приведені графіки залежності коефіцієнта використання енездвинуті між собою на кут —, застосувати j лопаргії вітру в круглій трубі від числа пар вентиляторів та числа послідовно розташованих вітродвигунів тей так, як показано на Фіг 3, тоді кут між сусідніми Як показано на Фіг 1, вітроенергетична установка для підвищення коефіцієнта використання лопастями буде дорівнювати — і незатіньована енергії вітру виконана у вигляді чотирьохгранної усіченої піраміди 1, всередині якої розташовані частина S,j попередньої лопаті, слідуючою лопадекілька вітродвигунів 2, 3, які кінематично з єднані тею в і-му перетині (Фіг 3) може бути визначена з ВІДПОВІДНИМИ генераторами 4, 5 електричної енергії Вітроенергетична установка для підвищення коефіцієнта використання енергії вітру ВІДПОВІДНО корисної моделі працює таким чином Чотирьохгранна усічена піраміда 1 розташована горизонтально і здатна обертатися в горизонтальній площині для того, щоб більший отвір був завжди направлений на зустріч вітру, який проходячи через піраміду обертає лопаті вітродвигунів 2, 3 навколо осей, які розташовані на нижній грані піраміди 1 з такою метою, щоб нижні лопаті, які обертаються на зустріч вітру, були розташовані за пірамідою 1 та закриті від вітру При цьому буде значно знижений гальмівний ефект при обертанні, який створюється нижніми лопастями, обертових на зустріч вітру ВІСІ обертання лопатей кінематичне з єднані з електрогенераторами 4 5 Відомо [1 3], що потужність Рв вітру в середині і-го перетину піраміди визначається за формулою - а 2 І- v3 ВІ (1) де р - густина повітря, а, - ширина піраміди в іму перетині, V, - швидкість вітру в і-му перетині Як показано на Фіг 2, діюча складова Vdi вектору V, швидкості вітру в і-му перетині піраміди направлена перпендикулярно до грані лопаті і виражається за формулою Vd,=V, sin (w,t) (2) Кутова частота повороту лопатей в і-му перетині визначається за формулою v i w,=-Jа (3) і Максимальне значення часу t m , повороту лопаті із крайнього лівого положення в крайнє праве в і-му перетині можна визначити за формулою 2а, tmi = — ~ (4) mi V ) w де 2а, - максимальна відстань, яку проходить вітер в і-му перетині зі швидкістю V, при повороті лопаті із крайнього лівого положення в крайнє праве З урахуванням умов (2)-(4) середнє значення Vdi вектора діючої швидкості вітру в і-му перетині можна визначити ВІДПОВІДНО виразу tmi ( 5 ) V d l = V, 2 Jsin(w,t)dt 0 Після ВЗЯТТЯ інтегралу (5) з урахуванням умов ВІДПОВІДНО виразу AS,,=af | 1 - c o s ^ (7) Індекси і та j в формулі (7) ВІДПОВІДНО вкажуть на номер і-го перетину та число j додаткових пар лопатей З урахуванням формул (6) та (7) вираз (1), який визначає потужність РВІ вітру в і-му перетині неважко зкоригувати для визначення діючої потужності Рдві вітру в і-му перетині Pdb. = 4 р а 2 V,3 j [1 | j l j (1-cosO))3 (8) Коефіцієнт використання пц енергії вітру в і-му перетині при j пар лопатей можна визначити за формулою п , і = ^ Г ВІ (9) З урахуванням формул (1) та (8) вираз (9) можна записати (10) Аналіз формули (10) показує, що значення коефіцієнта n,j використання енергії вітру в і-му перетині при j пар лопатей не залежить від місця розташування вітродвигунів (Фіг 1), а залежить тільки від числа j додаткових пар лопатей Для підвищення загального значення коефіцієнта п 0 використання енергії вітру доцільно послідовно розташувати вздовж піраміди (Фіг 1) декілька агрегатів лопатевих перетворювачів, які повинні бути розташовані на відстані І |+ і, яка перевищує, як мінімум, в 1,5 рази значення а,+ан-і, тобто Іі+і, визначається ВІДПОВІДНО формулі І,+і>1 5 (а,+аІ+і) (11) Коефіцієнт 1,5 знижує турбулентність потоку використовуємого вітру та стабілізує швидкість вітру на вході наступного вітродвигуна Оскільки значення коефіцієнта пц перетворення енергії (10) в і-ому перетині не залежить від місця розташування вітродвигунів, то загальне значення п, коефіцієнта перетворення для і вітродвигунів можна визначити ВІДПОВІДНО ДО наступних рекурентних формул п2=п+(1-п) п Пз=П2+(1-П2) П (12) п4=п3+(1-пз) п В формулах (12) через ги, п 3 та п 4 позначені коефіцієнти використання енергії вітру ВІДПОВІДНО при 2-х, 3-х, та 4-х вітродвигунах Через п позначений коефіцієнт використання енергії вітру від 10309 одного вітродвигуна який, як відомо, не залежить від місця розташування вітродвигуна і визначається за формулою (10) Формули (12) виведені із умови додавання до використаної енергії, визначаємої коефіцієнтом п, залишкової невикористаної енергії визначаємої величиною 1-п, яку доцільно домножити на коефіцієнт п використання енергії вітру наступним вітродвигуном На графіках (Фіг 4) показані залежності коефіцієнтів n(j), n2(j), ПзО), n4(j) ВІДПОВІДНО для одного, двох, трьох та чотирьох вітродвигунів, розташованих послідовно і оснащених j додатковими парами лопатей На графіках (Фіг 5) приведені залежності коефіцієнтів k2j, k3j, k4j ефективності застосування ВІДПОВІДНО двох, трьох та чотирьох вітродвигунів, розташованих послідовно, які мають j пар додаткових лопатей ВІДПОВІДНІ коефіцієнти ефективності визначені за формулами, J n 3j Аналіз графіків (Фіг 4 та Фіг 5) вказує на те, що найбільш доцільно застосовувати не більше двох послідовно розташованих вітродвигунів, які повинні мати тільки 2 пари лопатей На графіках (Фіг 6) показані залежності коефі цієнтів перетворення енергії вітру ВІДПОВІДНО для одного n aj , двох n a2j , трьох n a 3 j та чотирьох na4j послідовно розташованих вітродвигунів в круглій конусоподібний трубі ВІДПОВІДНІ вітродвигуни мають конструкцію чашечок діаметром в,, розташованих на відстані а, відносно ВІСІ обертання, яка розташована в центрі труби Значення коефіцієнта n aj використання енергії в круглій трубі визначається за Формулою naj=j k2, sin (14) де через j позначено число додаткових пар чашечок, через - кут наклона чашечки відносно вектора швидкості вітру °, коефіцієнт к, = — а і Коефіцієнти к, в формулі (14) визначений незалежно від номера і-го перетину к,=0,1 Аналіз порівняння графіків, зображених на Фіг 4 та Фіг 6 вказує на те, що найбільш доцільною конструкцією вітроенергетичної установки являється чотирьохгранна пграмща з одним або двома послідовно розташованими вітродвигунами, кожен із яких має тільки дві пари лопатей При цьому коефіцієнт перетворення енергії вітру в енергію на валу обертання вітродвигуна може досягати значення 0,8 і більше Джерела інформації 1 Авторське свідоцтво СРСР №1783144 А1, F03D3/04, бюл №47, 23 12 1992 2 Патент України №59964 A, F03D9/02, бюл №9, 15 09 2003 3 Кухлинг X Справочник по физике, М , "Мир", 1982 10309 I ,2 ts «3 , V—* - , •* . — — _ _ \Q-CI \1 К ^ г •> • 1 і Фіг. 4 Фіг З 1 г » 3 r А lir —і 04 b) 16 % і ' - " і * і і I; 1 і 1 л J Фіг. 5 Комп'ютерна верстка В Мацело 4 ФІГ. 6 Підписне Тираж 26 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності вул Урицького, 45 м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова 1,м Київ-42, 01601