Вітроенергетична установка

Реферат: Вітроенергетична установка містить поворотну опору для можливості розгортання установки назустріч вітровому потоку та закріплений на ній циліндричний корпус з вхідним конфузором та вихідним дифузором, розташований в корпусі обертовий вал та встановлений у корпусі вітроприймач. Вітроприймач виконаний у вигляді щонайменше трьох турбін з однаковою або різною кількістю лопатей з власними електрогенераторами, перша з яких встановлена на вході у корпус, друга - всередині, а остання - на виході з корпусу. UA 101545 U (54) ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНА УСТАНОВКА UA 101545 U UA 101545 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вітрової енергетики та може бути використана у вітроенергетичних установках для перетворення енергії вітрового потоку у електричну енергію. Відома вітроенергетична установка, яка містить лопатеве колесо, встановлене на горизонтальному валу обертання. Кожна лопать вітроколеса виконана у вигляді профільованої поверхні та має форму двогранного кута, ребро якого паралельне радіусу ротора, при цьому одна з граней являє собою прямокутник, розташований в площині обертання та на кінці має дефлектор, який дозволяє використовувати радіальної складової повітряного потоку поздовж лопаті від центра до периферії для збільшення обертового моменту, а друга грань має форму прямокутної трапеції, менша основа якого розташована за зовнішнім радіусом лопаті, причому кут між двома гранями знаходиться у межах від 90 до 135° [пат. України № 15143, МПК F03D 1/06, опубл. 30.06.1997 р., бюл. № 3]. Основним недоліком відомого технічного рішення є складність конструкції лопаті, обумовлена наявністю ребер, які, з одного боку, дійсно запобігають зриванню повітряного потоку, особливо на кінцях лопатей, але, з другого, чинять вагомий аеродинамічний опір обертанню вітроколеса. Цього недоліку позбавлена вітроенергетична установка з багатолопатевим ротором з горизонтальною віссю обертання з радіально розташованими лопатями, кінці яких сполучені рухомо з міцним зовнішнім кільцем аеродинамічної форми, яке має кінематичний зв'язок з кінцями лопатей. Зовнішнє кільце має переріз у вигляді профілю аеродинамічної форми з хордою, паралельною повітряному потоку. Зовнішнє кільце з метою спрощення та здешевлення його конструкції, виготовлення, транспортування та установки складається з окремо виготовлених і жорстко скріплених при монтажі сегментів. Для уніфікації сегменти кільця можуть бути однаковими, а їх кількість може бути кратною числу лопатей [пат. України № 84360, МПК F03D 1/06, опубл. 10.10.2008 р., бюл. № 19]. Наявність зовнішнього кільця дійсно зменшує вірогідність флатера, тобто резонансних коливань лопатей, а також запобігає зриванню вітрового потоку з кінців лопатей, проте таке аеродинамічне кільце має досить складну конструкцію, низьку надійність через наявність численної кількості з'єднань сегментів між собою та кінцями лопатей, що і є основним недоліком відомого технічного рішення. Найбільш близькою за своєю суттю та ефектом, що досягається, та яка приймається за прототип, є вітроенергетична установка, яка містить поворотну опору для можливості розгортання установки назустріч вітровому потоку, та закріплений на ній циліндричний корпус з вхідним конфузором, горловиною, вихідним дифузором, розташований в корпусі обертовий вал, на якому встановлений у корпусі вітроприймач, виконаний у вигляді турбіни з електрогенератором, а також напрямний апарат, також розташований у корпусі [пат. України № 7789, МПК F03D 1/04, опубл. 26.12.1995 р., бюл. № 4]. Основним недоліком відомого технічного рішення є низький коефіцієнт використання потужності вітрового потоку, що обумовлено наявністю всього одної турбіни у вітпроприймачі. Суть цього недоліку пояснюється наступним. Спрямовуючи вітровий потік у корпус, він залишається в ньому й після проходження турбіни, причому об'єм повітря не зменшується через обмеження його корпусом, а отже, просуваючись поздовж корпусу, має певну потужність, яка просто втрачається без будь-якої користі через наявність у складі вітроенергетичної установки всього однієї турбіни. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення ефективності вітроустановки за рахунок підвищення коефіцієнта використання потужності загального вітрового потоку шляхом використання додаткових турбін, розташованих у корпусі. Рішення поставленої задачі досягається тим, що вітроенергетична установка, яка містить поворотну опору для можливості розгортання установки назустріч вітровому потоку та закріплений на ній циліндричний корпус з вхідним конфузором, вихідним дифузором, розташований в корпусі обертовий вал та встановлений у корпусі вітроприймач, виконаний у вигляді турбіни, згідно з корисною моделлю, вітроприймач виконаний у вигляді щонайменше трьох турбін, перша з яких встановлена на вході у корпус, друга - всередині, а остання - на виході з корпусу. Всі турбіни можуть бути насаджені на власні коаксіальні вали, що взаємодіють з одним електрогенератором, розташованим за межами дифузора, або кожна турбіна може мати власний електрогенератор, розташований поза певною турбіною, причому кожна турбіна може мати різну кількість лопатей. Корпус перед кожною турбіною може мати додаткові повітрозабірники для посилення потужності загального вітрового потоку. Завдяки наявності декількох турбін підвищується ефективність використання потужності загального вітрового потоку через можливість впливу ним на декілька турбін. Якщо перша по ходу турбіна матиме мінімальну кількість лопатей, вона чинитиме мінімальний аеродинамічний 1 UA 101545 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 опір повітряному потоку, який ефективно впливатиме на другу по ходу турбіну. Остання турбіна додатково розганяється за рахунок її розташування поряд з вихідним дифузором, де відбувається розрядження повітря, що спричиняє додаткову тягу. Додаткові повітрозабірники підсилюють повітряний потік у корпусі, а отже з'являється можливість збільшення загальної кількості турбін у вітроенергетичній установці. Таким чином, сукупність суттєвих ознак, отриманих завдяки внесенню певних конструктивних змін у вітроприймач та корпус установки, дозволяє досягти певного технічного результату, сформульованого у постановці задачі. Подальша суть запропонованого технічного рішення пояснюється спільно з кресленнями, на яких зображене наступне: фіг. 1 - запропонована вітроенергетична установка з суцільним корпусом та індивідуальними електрогенераторами, розташованими поза кожною турбіною, вигляд збоку, поздовжній розріз; фіг. 2 - те ж саме, корпус з повітрозабірниками та турбіни насаджені на коаксіальні вали, що передають обертання на один електрогенератор. Запропонована вітроенергетична установка містить поворотну опору 1 для можливості розгортання установки назустріч вітровому потоку. На поворотній опорі 1 з ексцентриситетом закріплений циліндричний корпус 2 з вхідним конфузором 3 та вихідним дифузором 4. В корпусі 2 на горизонтальних валах розташовані вітпроприймальні пристрої, виконані у вигляді декількох (щонайменше трьох) турбін 5. Перша турбіна 5 встановлена на вході у корпус 2, друга турбіна 5 - всередині корпусу 2, а остання турбіна 5 - на виході з корпусу 2. Кожна турбіна 5 має власний електрогенератор 6, розташований поза нею. Всі турбіни 5 можуть бути насаджені на власні коаксіальні вали 6, що взаємодіють з одним електрогенератором 6, розташованим за межами дифузора 4. Корпус 2 перед кожною турбіною 5 може мати додаткові повітрозабірники 7 для посилення потужності загального вітрового потоку. Кожна турбіна 5 може мати різну кількість лопатей. Лопаті турбін 5 мають аеродинамічну форму та необхідну крутку. Запропонована вітроенергетична установка працює в такий спосіб. Вітровий потік на вході у конфузор 3 розділяється на зовнішній та внутрішній потоки. Зовнішній потік, обтікаючи дифузор 4, впливає на нього аеродинамічною силою, забезпечуючи розгортання вітроустановки "на вітер" завдяки флюгерному кріпленню корпусу 2 до опори 1. Внутрішній потік повітря, пришвидшуючись у конфузові 3, потрапляє на першу турбіну 5, приводячи її в дію. Обертаючись, турбіна 5 перетворює кінетичну енергію повітряного потоку в механічне обертання вала, на який вона насаджена. Обертовий момент вала передається на електрогенератор 6, який виробляє електрострум. Далі повітряний потік, що знаходиться у корпусі 2, потрапляє на другу турбіну 5, приводячи і її в дію, яка вимушує її електрогенератор 6 також виробляти електрострум. Далі повітряний потік, просуваючись по корпусу 2, потрапляє на третю турбіну 5. Проходячи через турбіни 5 повітряний потік кожного разу послабляється та перед останньою турбіною 5 його потужність у корпусі 2 мінімальна. Але, завдяки наявності дифузора 4, в якому потік розширюється, забезпечуючи зниження тиску, забезпечується прискорення обертання останньої турбіни 5 та ефективна робота її. Перед кожною турбіною 2, що знаходиться у корпусі 2, у останньому можуть бути виконані додаткові повітрозабірники 7 для посилення потужності вітрового потоку. Заявлене технічне рішення перевірене на практиці. Запропонована вітроенергетична установка не містить у своєму складі жодних конструктивних елементів, які неможливо було б відтворити на сучасному етапі розвитку науки і техніки, зокрема у галузі вітроенергетики, а отже є придатною для промислового застосування, має технічні та інші переваги перед відомими аналогами, що підтверджує можливість досягнення технічного результату об'єктом, що заявляється. Суттєва відмінність запропонованого технічного рішення від раніше відомих полягає в тому, що у корпусі установки розташовано декілька турбін з власними або загальним для всіх електрогенератором, та в тому, що у корпусі можуть бути виконані додаткові повітрозабірники. Вказані відмінності, у сукупності, дозволяють більш повно використовувати потужність повітряного потоку, кожного разу його посилюючи за допомогою конфузора, дифузора та повітрозабірників. Жодна з відомих вітроенергетичних установок не може водночас мати всі перераховані властивості, оскільки не містять у своєму складі всієї сукупності заявлених суттєвих ознак, притаманних запропонованому технічному рішенню. До технічних переваг запропонованого технічного рішення, у порівнянні з прототипом, можна віднести наступне: - підвищення потужності установки за рахунок використання декілька турбін; - підвищення потужності установки за рахунок підтримання потужності повітряного потоку; - універсальність за рахунок використання уніфікованих вузлів; 2 UA 101545 U - можливість регулювання потужності установки у широкому діапазоні за рахунок використання різних комбінацій підключення до електрогенераторів та використання турбін з різною кількістю лопатей. 5 10 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Вітроенергетична установка, що містить поворотну опору для можливості розгортання установки назустріч вітровому потоку та закріплений на ній циліндричний корпус з вхідним конфузором, вихідним дифузором, розташований в корпусі обертовий вал та встановлений у корпусі вітроприймач, виконаний у вигляді турбіни, яка відрізняється тим, що вітроприймач виконаний у вигляді щонайменше трьох турбін з однаковою або різною кількістю лопатей з власними електрогенераторами, перша з яких встановлена на вході у корпус, друга - всередині, а остання - на виході з корпусу. 2. Вітроенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що корпус перед кожною турбіною має додаткові повітрозабірники для посилення потужності загального вітрового потоку. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3