RU2472031C1 - Wind-driven power plant - Google Patents

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: wind-driven power plant refers to wind power engineering, and namely to wind-driven power plants with guide vanes converting the air flow energy, and can be used for generating both mechanical, and electrical energy. Wind-driven power plant includes flow accelerator made in the form of guide elements, inside which rotor with blades is installed on vertical axis. Guide elements have the shape of one fourth of a hollow cylinder and are rigidly attached to each other by means of a rod put on axis with possibility of free rotation about it; at that, guide elements are located on ends of rod with their concave surface to the axis with possibility of free rotation about rotor. Rotation axis divides the rod into two parts in the ratio of 1 : 2; at that, larger part of the rod is bent in the middle at an angle of 135°. Guide elements have stabilisers, which are parallel installed on each vertical side of guide elements; stabilisers are directed at a tangent to surface of guide elements on one side, and are perpendicular to their surface on the other side.

EFFECT: increasing wind energy usage coefficient at simplifying the design of wind-driven power plant.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветроэнергетическим установкам с направляющими устройствами, преобразующими энергию воздушного потока, и может быть использовано для получения как механической, так и электрической энергии.The invention relates to the field of wind energy, in particular to wind power plants with guiding devices that convert the energy of the air flow, and can be used to produce both mechanical and electrical energy.

Известна ветроустановка, содержащая неподвижный несущий корпус, являющийся основным направляющим аппаратом, выполненным в виде пространственной лопастной решетки с центральным выходным каналом, в котором соосно с центральной осью на вертикальном валу размещено рабочее колесо. На верхнем элементе корпуса установлен с возможностью свободного вращения относительно центральной оси единый блок из воздухозаборника, сопла и стабилизатора, при этом пространственная лопастная решетка сформирована из двух поверхностей вращения, построенных в виде кругового массива пространственных лопастей между ними, которые формируют рабочие каналы; воздухозаборник полностью охватывает рабочие каналы тыльной зоны направляющего аппарата и соединен воедино с выходным соплом с возможностью свободного вращения относительно центральной оси (Патент RU 2276743, опуб. 20.05.2006).A wind turbine is known, comprising a fixed bearing body, which is the main guiding device made in the form of a spatial blade grid with a central output channel, in which an impeller is placed coaxially with the central axis on the vertical shaft. A single unit of an air intake, a nozzle and a stabilizer is mounted on the upper housing element with the possibility of free rotation with respect to the central axis, while the spatial blade grid is formed of two surfaces of rotation built in the form of a circular array of spatial blades between them that form the working channels; the air intake completely covers the working channels of the rear zone of the guide apparatus and is connected together with the output nozzle with the possibility of free rotation relative to the central axis (Patent RU 2276743, publ. 05.20.2006).

Данная ветроустановка не обеспечивает максимально возможного коэффициента использования энергии ветра и сложна в изготовлении.This wind turbine does not provide the maximum possible utilization of wind energy and is difficult to manufacture.

Известен ветродвигатель, содержащий вращающуюся ветротурбину с вертикальной осью вращения, лопасти которой выполнены в виде аэродинамических профилей, где входная закругленная кромка лопасти расположена на большем расстоянии от оси вращения турбины, чем задняя заостренная кромка, при этом наружная грань лопасти образует оптимальный угол атаки с измененным направлением движения воздушного потока, и поворотные щиты, экранирующие лопасти. Профиль лопасти ветротурбины выполнен симметричным и образован двумя плавными кривыми различной степени кривизны одного знака, при этом ось симметрии проходит по середине длины профиля лопасти ветротурбины. Каждая лопасть состоит из двух или нескольких частей, соединенных между собой вертикальными шарнирами с возможностью принудительного поворота любой части лопасти (Патент RU 2267647, опуб. 10.01.2006).Known wind turbine containing a rotating wind turbine with a vertical axis of rotation, the blades of which are made in the form of aerodynamic profiles, where the input rounded edge of the blade is located at a greater distance from the axis of rotation of the turbine than the rear pointed edge, while the outer edge of the blade forms an optimal angle of attack with a changed direction airflow movements, and rotary shields, shielding blades. The profile of the wind turbine blade is symmetrical and is formed by two smooth curves of different degrees of curvature of the same sign, while the axis of symmetry runs along the middle of the length of the profile of the blade of the wind turbine. Each blade consists of two or more parts interconnected by vertical hinges with the possibility of forced rotation of any part of the blade (Patent RU 2267647, publ. 10.01.2006).

Данная ветроустановка не обеспечивает максимально возможного коэффициента использования энергии ветра, сложна в изготовлении, также недостатком является большая материалоемкость и сложность конструкции лопастей.This wind turbine does not provide the maximum possible coefficient of utilization of wind energy, it is difficult to manufacture, and the disadvantage is the high material consumption and the complexity of the design of the blades.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа ветроустановка, включающая концентратор, ускоритель потока, ротор с лопастями, концентратор выполнен в виде полого цилиндра с изготовленными в нем вертикальными сквозными щелями, при этом концентратор взаимодействует с размещенным внутри него ускорителем потока, выполненным в виде направляющих элементов, изготовленных в виде плавно изогнутых пластин, соединенных между собой в кольцо, причем концы пластин плавно отогнуты и образуют щели, совпадающие со щелями концентратора, кроме того, кольцо выполнено с возможностью перемещения вокруг вертикальной оси, а внутри кольца выполнен как минимум один ротор с лопастями (Патент RU 2204051, опуб. 10.05.2003).The closest in technical essence to the claimed device is a wind turbine selected as a prototype, including a hub, a flow accelerator, a rotor with blades, the hub is made in the form of a hollow cylinder with vertical through slots made in it, while the hub interacts with the flow accelerator located inside it, made in the form of guide elements made in the form of smoothly curved plates interconnected in a ring, the ends of the plates being smoothly bent and the image dissolved slit coinciding with slits concentrator, moreover, the ring is movable about a vertical axis and is formed inside the ring at least one rotor with blades (Patent RU 2204051, opub. 10.05.2003).

Недостатком данной ветроустановки является большая материалоемкость. Кроме того, энергия ветра используется не полностью, так как ветроколесо является непроницаемым для ветрового потока, поэтому концентрированный поток воздуха будет отражаться от ветроколеса и вытекать через другие (соседние) щели, следовательно, данная ветроустановка не обеспечивает максимально возможного коэффициента использования энергии ветра.The disadvantage of this wind turbine is its high material consumption. In addition, wind energy is not fully used, since the wind wheel is impervious to the wind flow, so the concentrated air flow will be reflected from the wind wheel and flow out through other (neighboring) slots, therefore, this wind turbine does not provide the maximum possible coefficient of use of wind energy.

Задачей данного изобретения является увеличение коэффициента использования энергии ветра и упрощение конструкции.The objective of the invention is to increase the utilization of wind energy and simplify the design.

Для решения поставленной задачи ветроэнергетическая установка включает ускоритель потока, выполненный в виде направляющих элементов, внутри которого на вертикальной оси установлен ротор с лопастями. Направляющие элементы имеют форму четверти полого цилиндра и жестко соединены между собой посредством штанги, насаженной на ось с возможностью свободного вращения вокруг нее, причем направляющие элементы расположены на концах штанги вогнутой поверхностью к оси с возможностью свободного вращения вокруг ротора, а ось вращения делит штангу на две части в отношении 1:2, причем большая часть штанги по середине изогнута под углом 135°. Направляющие элементы имеют стабилизаторы, которые установлены вертикально и параллельно друг другу с каждой стороны направляющего элемента, причем стабилизаторы с одной стороны направлены по касательной к поверхности направляющих элементов, а с другой стороны, перпендикулярно к их поверхности.To solve this problem, the wind power installation includes a flow accelerator made in the form of guide elements, inside of which a rotor with blades is mounted on a vertical axis. The guide elements are in the form of a quarter of a hollow cylinder and are rigidly interconnected by means of a rod mounted on the axis with the possibility of free rotation around it, and the guide elements are located at the ends of the rod with a concave surface to the axis with the possibility of free rotation around the rotor, and the axis of rotation divides the rod into two parts in a ratio of 1: 2, with most of the rod in the middle bent at an angle of 135 °. The guide elements have stabilizers that are mounted vertically and parallel to each other on each side of the guide element, and the stabilizers are on the one hand tangential to the surface of the guide elements and, on the other hand, perpendicular to their surface.

Предлагаемое изобретение поясняется фиг.1, где изображено рабочее положение ветроэнергетической установки (вид сверху) с указанием изменения воздушного потока.The present invention is illustrated in figure 1, which shows the operating position of the wind power installation (top view) indicating changes in air flow.

Ветроэнергетическая установка включает в себя ротор 1 с лопастями 2, 3, 4, 5, имеющими аэродинамический профиль, установленный на вертикальной оси 6, ускоритель потока 7 выполнен в виде двух противоположно направляющих элементов 8, 9, имеющих форму четверти полого цилиндр. Направляющих элементов 8, 9, закрепленных посредством штанги 10. Ось вращения 6 делит штангу 10 на две части в отношении 1:2, причем большая часть штанги 10 по середине изогнутой под углом 135° для достижения жесткости конструкции и устойчивости к вибрациям. С каждой стороны направляющих элементов 8, 9 установлены вертикально и параллельно друг другу стабилизаторы 11, 12.The wind power installation includes a rotor 1 with blades 2, 3, 4, 5 having an aerodynamic profile mounted on the vertical axis 6, the flow accelerator 7 is made in the form of two oppositely guiding elements 8, 9, having the shape of a quarter of a hollow cylinder. The guiding elements 8, 9 are fixed by means of the bar 10. The axis of rotation 6 divides the bar 10 into two parts in a 1: 2 ratio, with most of the bar 10 being bent at an angle of 135 ° in the middle to achieve structural rigidity and vibration resistance. On each side of the guide elements 8, 9, stabilizers 11, 12 are mounted vertically and parallel to each other.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образомWind power installation works as follows

При появлении ветра стабилизаторы 11, 12 устанавливают направляющие элементы 8, 9 в рабочее положение. Направляющий элемент 8, выполненный в форме четверти полого цилиндра, создает концентрированный воздушный поток, который набегает на лопасть 3, создавая дополнительную полезную силу вращения F₂. Направляющий элемент 9 отворачивает поток от лопасти 4, уничтожая силу F₃, направленную против вращения, увеличивает скорость ветра, благодаря форме четверти полого цилиндра, и концентрирует его поток на лопасть 5, создавая еще одну полезную силу вращения F₄. Так как появляются дополнительные полезные силы F₂ и F₄, и устраняется сила противодействия F₃, то коэффициент использования энергии ветра возрастает (Фиг.1.). Благодаря такой конструкции ветроэнергетической установки, работают три лопасти 2, 3, 5, что позволяет увеличить коэффициент использования энергии ветра. При увеличении количества лопастей выигрыш в силе сохраняется.When the wind appears, the stabilizers 11, 12 set the guiding elements 8, 9 in the working position. The guiding element 8, made in the form of a quarter of a hollow cylinder, creates a concentrated air flow that runs on the blade 3, creating additional useful force of rotation F ₂ . The guide element 9 turns the flow away from the blade 4, destroying the force F ₃ directed against rotation, increases the wind speed due to the shape of a quarter of the hollow cylinder, and concentrates its flow on the blade 5, creating another useful rotation force F ₄ . Since additional useful forces F ₂ and F ₄ appear, and the reaction force F _{3 is} eliminated, the coefficient of utilization of wind energy increases (Figure 1.). Thanks to this design of the wind power installation, three blades 2, 3, 5 work, which allows to increase the utilization of wind energy. With an increase in the number of blades, the gain is maintained in force.

Claims (2)

1. Ветроэнергетическая установка, включающая ускоритель потока, выполненный в виде направляющих элементов, внутри которого на вертикальной оси установлен ротор с лопастями, отличающаяся тем, что направляющие элементы имеют форму четверти полого цилиндра и жестко соединены между собой посредством штанги, насаженной на ось с возможностью свободного вращения вокруг нее, причем направляющие элементы расположены на концах штанги вогнутой поверхностью к оси с возможностью свободного вращения вокруг ротора, а ось вращения делит штангу на две части в отношении 1:2, причем большая часть штанги по середине изогнута под углом 135°, направляющие элементы имеют стабилизаторы.1. Wind power installation, including a flow accelerator, made in the form of guide elements, inside of which a rotor with blades is mounted on a vertical axis, characterized in that the guide elements are in the form of a quarter of a hollow cylinder and are rigidly interconnected by means of a rod mounted on the axis with the possibility of free rotation around it, and the guiding elements are located at the ends of the rod with a concave surface to the axis with the possibility of free rotation around the rotor, and the axis of rotation divides the rod into two part 1: 2, and most of the middle rod bent at an angle of 135 °, the guide members are stabilizers. 2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что стабилизаторы установлены вертикально и параллельно друг другу с каждой стороны направляющего элемента, причем стабилизаторы с одной стороны направлены по касательной к поверхности направляющих элементов, а с другой стороны перпендикулярно к их поверхности. 2. Wind power installation according to claim 1, characterized in that the stabilizers are installed vertically and parallel to each other on each side of the guide element, and the stabilizers on the one hand are directed tangentially to the surface of the guide elements, and on the other hand, perpendicular to their surface.