ВЕТРОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может использоваться в работающих от энергии ветра установках для выработки электроэнергии.
Известны ветроэнергетические установки, преимущественно для выработки электроэнергии, содержащие ротор ветротурбины с преимущественно криволинейными лопастями и обойму выполненных преимущественно изогнутыми ветронаправляющих пластин, полностью или частично охватывающих ротор, при этом обеспечивается плавное натекание ветрового потока на криволинейные лопасти ротора ветротурбины (например, SU 1721285 А1, 1992; RU 2215898 С1, 2003; RU 2249722 С1, 2005; US 6309172 В1, 2001; DE 19739921, 1999; GB 2049066 А, 1980; FR 2811720 А1, 2002; ЕР 1096144 А2, 2001; WO 91/19093, 1991).
Однако все они недостаточно эффективны, не позволяя достичь наибольшего коэффициента полезного действия и не обеспечивая необходимую работу при небольшой скорости ветра.
Из известных устройств наиболее близким к заявленному является ветроэлектрогенератор, содержащий по меньшей мере один связанный с несущим цилиндром электроэнергетический узел, неподвижную систему ветронаправляющих пластин и размещенный внутри нее ротор с вертикальной осью вращения, выполненный в виде прикрепленных к несущему цилиндру плоских лопастей с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора, каждая из которых на своей фронтальной стороне снабжена вытянутыми вдоль ее длины фронтальными завихрителями (RU 86672 U1, 2009).
В этом ветроэлектрогенераторе завихрители выполнены в форме изогнутых, преимущественно цилиндрических, полосок. Завихрители обеспечивают дополнительный отбор энергии механического движения потока воздуха, в том числе в той его части, которая соскальзывает с плоских лопастей после их поворота на некоторый угол. При этом на завихрителях в форме изогнутых полосок на плоских лопастях ротора происходит закручивание набегающего на них потока воздуха, что приводит к торможению воздушного потока и, как следствие, к отбору от него дополнительной энергии и передаче ее ротору. Это несколько повышает коэффициент полезного действия ветроэлектрогенератора.
Однако в нем все же не обеспечивается достижение высокого коэффициента полезного действия, что связано с недостаточно оптимальной геометрией плоских лопастей ротора, не позволяющей в наибольшей степени использовать энергию ветрового потока.
Задача, решаемая полезной моделью, состоит в создании ветроэлектрогенератора, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении коэффициента полезного действия ветроэлектрогенератора.
Это достигается тем, что в ветроэлектрогенераторе, содержащем по меньшей мере один связанный с несущим цилиндром электроэнергетический узел, неподвижную систему ветронаправляющих пластин и размещенный внутри нее ротор с вертикальной осью вращения, выполненный в виде прикрепленных к несущему цилиндру плоских лопастей с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора, каждая из которых на своей фронтальной стороне снабжена вытянутыми вдоль ее длины фронтальными завихрителями, на тыльной стороне каждой из плоских лопастей вдоль ее вертикальной кромки, ближней к несущему цилиндру, выполнен тыльный завихритель в виде утолщения, имеющего в своем поперечном сечении форму, близкую к треугольной, боковая грань которого, обращенная к несущему цилиндру, выполнена выпуклой, при этом вертикальный край каждой из плоских лопастей, дальний от несущего цилиндра, выполнен плавно загнутым в сторону, соответствующую ее фронтальной стороне. Каждый из фронтальных завихрителей может быть преимущественно выполнен в виде продольного выступа с высотой, перпендикулярной плоской лопасти, а их количество на каждой из плоских лопастей выбрано от одного до пяти. Продольные выступы могут быть выполнены в поперечном сечении в форме равнобедренного треугольника или в форме, близкой к треугольной, и иметь вогнутые боковые грани или в форме узкого прямоугольника. Плоские лопасти могут быть выполнены сплошными, преимущественно цельнометаллическими, или полыми. Внутренний объем полых плоских лопастей может быть заполнен полимерным вспенивающимся наполнителем, преимущественно пенополистиролом. Электроэнергетический узел может быть выполнен в виде распределенного магнитоэлектрического генератора.
Указанный выше технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.
На фиг.1 показана структурная схема ветроэлектрогенератора. На фиг.2 показан вариант конструкции ветроэлектрогенератора в поперечном разрезе. Фиг.3 иллюстрирует выполнение на тыльной стороне плоской лопасти ротора тыльного завихрителя в виде утолщения с прямой боковой гранью, перпендикулярной плоской лопасти, а на ее фронтальной стороне - фронтальных завихрителей в виде продольных выступов, имеющих близкую к треугольной форму, с вогнутыми боковыми гранями. Фиг.4 иллюстрирует действие на воздушный поток фронтальных завихрителей в виде продольных выступов, имеющих форму, близкую к треугольной. Фиг.5 иллюстрирует действие на воздушный поток фронтальных завихрителей в виде продольных выступов, имеющих форму узкого прямоугольника. Фиг.6 иллюстрирует действие на воздушный поток тыльного завихрителя. Изображения на фиг.3 - фиг.6 соответствуют области, выделенной на фиг.2 окружностью А. Стрелками на чертежах показаны направления воздушных потоков. Изображения элементов и распределения воздушных потоков на чертежах соответствуют условию вращения ротора против часовой стрелки.
Ветроэлектрогенератор содержит размещенный внутри неподвижной системы ветронаправляющих пластин 1 ротор с вертикальной осью вращения. Ротор может иметь диаметр, например, 70 см, а система ветронаправляющих пластин 1 - диаметр 1,2 м, их высота (длина) может составлять, например, 2,2 м. Ветронаправляющие пластины 1 могут быть выполнены, например, изогнутыми радиально и размещены, например, между неподвижными тороидальными кольцами 2. Ротор образован прикрепленными к несущему цилиндру 3 плоскими лопастями 4 с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром 3 щелевого диффузора 5. Несущий цилиндр 3 установлен, например, в подшипниках 6 и механически связан с электроэнергетическим узлом (на чертежах не показан), выполненным, например, в виде распределенного магнитоэлектрического генератора, содержащего электромагнитные катушки, закрепленные вместе с магнитопроводом на неподвижном тороидальном кольце 2, и постоянные магниты-индукторы, закрепленные на торцах ротора Диаметр несущего цилиндра 3 может быть, например, 14 см. Каждая из плоских лопастей 4 снабжена на своей фронтальной стороне вытянутыми вдоль ее длины фронтальными завихрителями. Каждый из них выполнен преимущественно в виде продольного выступа 7 с высотой, перпендикулярной плоской лопасти 4, а их количество на каждой плоской лопасти 4 составляет преимущественно от одного до пяти. Высота каждого из них составляет преимущественно от 1:5 до 1:10 по отношению к ширине плоской лопасти 4. Продольные выступы 7 могут быть выполнены в поперечном сечении, например, в форме равнобедренного треугольника, при этом они имеют прямые боковые грани, или в форме, близкой к треугольной, при этом они имеют вогнутые боковые грани (фиг.3, фиг.4). Их наибольшая ширина (размер основания вдоль ширины плоской лопасти 4) по отношению к их высоте составляет преимущественно от 1:1 до 1:2. Они могут быть выполнены также в поперечном сечении в форме узкого прямоугольника (фиг.5), при этом их ширина (размер основания вдоль плоской лопасти 4) по отношению к их высоте составляет преимущественно от 1:6 до 1:12. На тыльной стороне каждой из плоских лопастей 4 вдоль ее вертикальной кромки, ближней к несущему цилиндру 3, выполнен тыльный завихритель в виде утолщения 8, имеющего в своем поперечном сечении форму, близкую к треугольной, при этом его боковая грань, обращенная к несущему цилиндру 3, выполнена выпуклой, а другая грань может быть выполнена, например, прямой, в том числе перпендикулярной плоской лопасти 4 (фиг.3, фиг.6), выпуклой или вогнутой. Наибольшая ширина (основание) каждого из утолщений 8 по отношению к их высоте составляет преимущественно от 1:1 до 1:2. Продольные выступы 7 и утолщения 8 могут быть выполнены как за одно целое с плоскими лопастями 4, так и конструктивно представлять собой самостоятельные элементы, жестко соединенные с ними. Вертикальный край 9 каждой из плоских лопастей 4 выполнен плавно загнутым в сторону, соответствующую ее фронтальной стороне. Плоские лопасти 4 могут быть выполнены как сплошными, преимущественно цельнометаллическими, так и полыми. Они могут изготавливаться, например, в виде объемно-полых конструкций из тонкого металла методом прессования. Внутренний объем полых плоских лопастей 4 может быть заполнен полимерным вспенивающимся наполнителем, преимущественно пенополистиролом.
Ветроэлектрогенератор функционирует как ветротурбинная установка. Он работает следующим образом. Ветровой поток поступает на ветронаправляющие пластины 1, ускоряется на них и перетекает на плоские лопасти 4 ротора, в результате чего устройство совершает полезную работу за счет вращения ротора и электроэнергетический узел вырабатывает электроэнергию. При этом поток воздуха оказывает прямое давление на плоские лопасти 4, между которыми создается зона повышенного давления. Наличие щелевого диффузора 5 позволяет устранить возможный срыв воздушного потока в этой зоне (что уменьшило бы эффективную рабочую площадь плоских лопастей 4) за счет удаления уплотнения воздуха из области межлопастного пространства. Через щелевой диффузор 5 избыток давления передается в залопастное пространство в область пониженного давления с образованием вихревой области. Наличие фронтальных завихрителей в виде продольных выступов 7, тыльных завихрителей в виде утолщений 8 и загиба вертикального края 9 плоских лопастей 4 обеспечивает дополнительный отбор энергии механического движения потока воздуха, в том числе той его части, которая соскальзывает с плоских лопастей 4 после их поворота на некоторый угол. На продольных выступах 7 происходит закручивание набегающего на них потока воздуха, что приводит к его торможению и, как следствие, к отбору дополнительной энергии от воздушного потока и передаче его ротору. При этом на вихреобразование (турбулизацию) оказывает влияние форма выполнения продольных выступов 7. Продольные выступы 7 треугольной формы или в форме, близкой к треугольной, более способствуют вихреобразованию на фронтальной стороне плоских лопастей 4 при различных векторах набегающего потока воздуха (фиг.4) чем, например, фронтальные завихрители в виде изогнутых полосок, что повышает коэффициент полезного действия ротора. То же относится и к продольным выступам 7 в форме узкого прямоугольника. В этом случае в области прямых углов, образованных собственно телом фронтального завихрителя и плоской лопастью 4, возникает зона с постоянным вихрем в ней, вызванным набегающим потоком воздуха (фиг.5). Эти постоянные вихри делают обтекание такого продольного выступа 7 похожим на обтекание продольного выступа 7 треугольной формы. Значение высоты продольных выступов 7 определяется для конкретной конструкции ветроэлектрогенератора, например, экспериментально по эффективности увеличения коэффициента полезного действия. Выбор их количества зависит от мощности, на которую рассчитан ротор ветроэлектрогенератора. Наличие тыльных завихрителей в виде утолщений 8 в форме, близкой к треугольной, обеспечивает изменение направления воздушных струй, прошедших щелевой диффузор 5. Они двигаются по траектории 10 вместо траектории 11, по которой они двигались бы без этого утолщения, обтекая теневую зону 12 (фиг.6). За счет увеличения пути потока воздуха его скорость возрастает в теневой зоне 12, что увеличивает разряжение, которое создают вихри воздуха в этой зоне за плоской лопастью 4. Это приводит к возникновению дополнительного вектора силы в направлении вращения ротора, что существенно повышает отбор энергии у потока воздуха, набегающего на плоские лопасти 4 ротора, т.е. повышает коэффициент полезного действия ветропреобразования в целом. Выполнение боковой грани утолщений 8, обращенной к несущему цилиндру 3, выпуклой, создает наилучшие условия обтекания потоками воздуха этих утолщений при создании зоны 12 теневого завихрения. Выполнение вертикального края 9 плоских лопастей 4, дальнего по отношению к несущему цилиндру 3, плавно загнутым, дополнительно способствует повышению эффективности отбора энергии у потока воздуха на фронтальной стороне плоских лопастей 4.
Таким образом, технический результат изобретения, заключающийся в повышении коэффициента полезного действия ветроэлектрогенератора, обеспечивается в основном за счет увеличения объема вихревой области за тыльной стороной плоских лопастей 4 и ускорения обтекания их потоком воздуха, проходящим через щелевой диффузор 5, и за счет улучшения условий образования вихрей на фронтальной стороне плоских лопастей 4.
Кроме того, продольные выступы 7 образуют на фронтальной стороне плоских лопастей 4 более жесткую структуру, чем, например, завихрители в виде удлиненных загнутых полосок. Конструкция плоских лопастей 4 ротора становится при этом более жесткой, что дополнительно повышает устойчивость ветроэлектрогенератора к штормовым и ураганным ветрам. Общая площадь поперечного сечения плоских лопастей 4 с такими продольными выступами 7 также больше и не имеет геометрических поднутрений. Это позволяет, в частности, изготавливать плоские лопасти 4 объемно-полыми из тонкого металла методом прессования, что уменьшает их вес и делает ротор более легким. Это также способствует повышению коэффициента полезного действия ротора и повышает его прочность и технологичность и удешевляет его изготовление. Это в целом повышает эффективность ветроэлектрогенератора.
Ветроэлектрогенератор, выполненный в соответствии с полезной моделью, обладает более высоким (на 7-12%) коэффициентом полезного действия по сравнению с известными аналогичными. Он более эффективен в эксплуатации и дешевле в изготовлении. Помимо основного назначения выработки электроэнергии он может использоваться для приведения в действие механических исполнительных устройств.