Патент на изобретение №2384730

(54) ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПРОФЕССОРА МЕРКУЛОВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики, в частности, к ветроэнергетике. Ветроэнергетическая установка содержит ветрогенератор, состоящий из лопастей, воспринимающих энергию ветра и связанных с ними электромеханических преобразователей, при этом лопасти ветрогенератора закреплены так, что они имеют возможность совершать изгибные – поперек потока и крутильные вдоль собственной оси жесткости колебания (флаттер), ветрогенератор размещен в ячейках сетки с возможностью поворота вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра, для чего лопасти располагаются сзади от оси поворота. Использование изобретения обеспечивает снижение материалоемкости и увеличение КПД и, как следствие, увеличение удельной мощности установки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики, в частности, к ветроэнергетике, более конкретно, к ветроэнергетическим установкам и может найти применение в народном хозяйстве для получения электроэнергии.

Известна ветроэнергетическая установка (SU 1645603, F03D 11/00, 30.04.91), в которой предлагается устанавливать ветрогенераторы в ячейках сетки, а сетку с помощью мачт и растяжек крепить на поворотной платформе.

Известна электростатическая емкостная машина для преобразования энергии ветрового потока (РФ 2241300, H02N 1/08, 27.11.04), состоящая из воздушного канала, который улавливает, фокусирует и направляет воздушный поток на подвижные электроды емкостного электромеханического преобразователя. Воздушный поток вызывает поперечные колебания подвижных электродов, благодаря чему происходит преобразование энергии ветра в электрическую энергию.

Недостатком указанных устройств является их большая материалоемкость, низкий коэффициент полезного действия и, как следствие, малая удельная мощность.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветрогенераторы, состоящие из лопастей, воспринимающих энергию ветра, и связанных с ними преобразователей, при этом ветрогенераторы размещены в ячейках сетки, причем сетка с помощью мачт и растяжек растянута на рамах, закрепленных на одной мачте в перпендикулярных вертикальных плоскостях, по меньшей мере в один ряд (SU 1793095, F03D 3/00, 07.02.1992).

Недостатком указанного устройства является наличие подшипникового узла в каждом ветрогенераторе, что увеличивает материалоемкость устройства и снижает ее ресурс.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, увеличение ресурса, снижение материалоемкости и, как следствие, снижение стоимости единицы установленной мощности.

При этом в качестве способа работы устройства используется способность лопастей колебаться под действием ветра, для чего сами лопасти закрепляются так, чтобы они имели возможность совершать изгибно-крутильные колебания (флаттер), а инерционные, упругие и геометрические параметры лопастей выбирают из условия максимального коэффициента преобразования энергии ветра в энергию колебания лопастей и связанных с ними электромеханических преобразователей.

Замена вращения на колебание позволяет упростить конструкцию и уменьшить размеры ветрогенераторов, что приводит к снижению материалоемкости устройства и увеличению его ресурса.

Ветрогенераторы размещены в ячейках сетки, укрепленной на неподвижных мачтах с возможность поворота вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра, для чего лопасти ветрогенератора расположены сзади от оси поворота.

Сети с помощью мачт и растяжек вывешены в несколько рядов с некоторым интервалом между ними, причем одна система рядов расположена перпендикулярно другой системе рядов.

Сущность изобретения иллюстрируется Фиг.1-3.

На Фиг.1. изображена схема ветрогенератора в двух проекциях, который состоит из корпуса 1, привода 2, вала-торсиона 3, лопасти 4, оси жесткости 5 и электромеханического преобразователя 6.

На Фиг.2 представлен внешний вид ветрогенератора в двух проекциях.

На Фиг.3 изображена многомачтовая ветроэнергетическая установка.

Установка работает следующим образом.

Воздушный поток, набегающий на лопасть 4, вызывает изгибные поперек потока и крутильные вокруг оси жесткости лопасти 4 колебания (флаттер). Через привод 2 эти колебания передаются на электромеханический преобразователь 6.

Инерционные, упругие и геометрические параметры лопастей выбирают по такому критерию:

mI=(K_h/m-²)(K/I-²)-S²⁴=0,

где: – частота колебания лопасти, 1/сек,

m – масса лопасти, кг,

I – момент инерции лопасти относительно собственной оси жесткости, кг·м²,

К – крутильная жесткость лопасти относительно этой оси, Н·м,

где: Н=кг·м/сек²

S – статический дисбаланс лопасти относительно этой оси, кг·м,

K_h – жесткость крепления лопасти к валу, Н/м.

Это условие обеспечивает возникновение и поддержание изгибно-крутильных колебаний крыльев ветрогенератора, физически соответствует условию возникновения резонанса между изгибными и крутильными колебаниями, см. монографию Р.Л.Бисплингхофф, X.Эшли и Р.Л.Халфмен. Аэроупругость, ил, М. 1958, 800 с. (стр.465, формулы 9-13а, 9-13в).

В том случае, если геометрические и жесткостные параметры крыльев ветрогенератора не удовлетворяют этому условию, колебания крыльев не возбуждаются.

Кроме того, ширина лопасти В и амплитуда колебания конца лопасти Н должны удовлетворять такому соотношению:

НВ=U²/²,

где: U – скорость ветра.

Это условие обеспечивает максимальное теоретически достижимое КПД ветрогенератора, равное 0.5, и получено с использованием формул 5-345 и 5-346 цитированной выше монографии (стр.244).

При нарушении указанной зависимости между частотой, амплитудой и шириной лопасти КПД будет уменьшаться.

Ветрогенераторы размещены в ячейках сетки с возможность поворота вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра, для чего лопасти расположены сзади от оси поворота (Фиг.2).

Длинные сети с помощью мачт и растяжек вывешены в несколько рядов с некоторым интервалом между ними, причем одна система рядов расположена перпендикулярно другой системе рядов (Фиг.3).

Длинную сеть можно растягивают поперек горного ущелья, что позволяет использовать постоянно дующие ветры в горном ущелье.

Использование предлагаемого изобретения дает возможность эффективно использовать энергию поступательного движения ветрового потока.

Формула изобретения

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая ветрогенератор, состоящий из лопастей, воспринимающих энергию ветра и связанных с ними электромеханических преобразователей, отличающаяся тем, что лопасти ветрогенератора закреплены так, что они имеют возможность совершать изгибные поперек потока и крутильные вдоль собственной оси жесткости колебания (флаттер), при этом инерционные, упругие и геометрические параметры лопастей выбирают из условий
mI=(K_h/m-²)(K/I-²)-S²⁴=0,
где – частота колебания лопасти, 1/с;
m – масса лопасти, кг;
I – момент инерции лопасти относительно собственной оси жесткости, кг·м²;
К – крутильная жесткость лопасти относительно этой оси, Н·м;
S – статический дисбаланс лопасти относительно этой оси, кг·м;
K_h – жесткость крепления лопасти к валу, Н/м,
при этом ветрогенератор(ы) размещен(ы) в ячейках сетки с возможностью поворота вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра, для чего лопасти расположены сзади от оси поворота.

2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что сети с помощью мачт и растяжек вывешены в несколько рядов с некоторым интервалом между ними, причем одна система рядов расположена перпендикулярно другой системе рядов.

РИСУНКИ