Ветроэнергетическая установка

Полезная модель относится к области малой энергетики, в частности к ветродвигателям с вертикальной осью вращения ветротурбины, и может быть использована в качестве источника для получения электрической энергии.
Известна вертикально-осевая ветряная установка, ротор которой содержит ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и располагаемую в центре вращения ступицу, от которой радиально отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, к которым с чередованием прикреплены указанные лопасти по направлению вверх, образуя верхний ярус ротора, и по направлению вниз, образуя нижний ярус (см. патент РФ №2347104, МПК F03D 3/06, 20.02.2009).
Недостаток этого решения - повышенные вибрации и шум при сильных ветрах, исключающие возможность установки в непосредственной близости от мест нахождения человека.
Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая вертикальный вал, выполненный как вал электрогенератора, снабженный вертикально ориентированными лопастями, образующими ветроколесо с вертикальной осью вращения и направляющий аппарат, соосно охватывающий ветроколесо, выполненный, как корпус установки, содержащий вертикально ориентированные, поворотные направляющие лопатки, ориентированные тангенциально внешней кромке ветроколеса, связанные с крышкой и основанием ветроэнергетической установки (см. патент РФ №174578, МПК F03D 3/04, F03D 7/06, F03D 9/25, 2017).
Основным недостатком известного решения является недостаточно высокий КПД установки.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое устройство, является повышение КПД ветроэнергетической установки.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение КПД ветроэнергетической установки, снижение габаритов и веса ветроколеса турбины.
Поставленная задача решается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая вертикальный вал, выполненный как вал электрогенератора, снабженный вертикально ориентированными лопастями, образующими ветроколесо с вертикальной осью вращения и направляющий аппарат, соосно охватывающий ветроколесо, выполненный, как корпус установки, содержащий вертикально ориентированные, направляющие лопатки, ориентированные тангенциально внешней кромке ветроколеса, связанные с крышкой и основанием направляющего аппарата ветроэнергетической установки, отличается тем, что ветроколесо по высоте разделено на ярусы, для чего содержит равноудаленные верхний, средний и нижний опорные диски, соосно и жестко надетые на вертикальный вал, при этом по периметру диски скреплены друг с другом вертикальными лопастями, расположенными на равных расстояниях друг от друга, причем направляющие лопатки выполнены с желобчатым профилем сечения, а вертикальные лопасти в сечении выполнены с сечением в форме крыла, обращенного к направляющему аппарату округлой кромкой, кроме того, основание направляющего аппарата установлено на раме, на которой закреплен электрогенератор.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает повышение КПД, снижение габаритов и веса ветроколеса турбины.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид ветроэнергетической установки; на фиг. 2 продольный разрез (вид А на фиг. 1); фиг. 3 - поперечный разрез ветроэнергетической установки (вид В на фиг. 1).
На чертежах показаны вертикальный вал 1, вертикально ориентированные лопасти 2, направляющий аппарат 3, направляющие лопатки 4, крышка 5 и основание 6 направляющего аппарата 3, электрогенератор 7, верхний 8, средний 9 и нижний 10 опорные диски, рама 11. Кроме того на чертежах показаны подшипниковые узлы 12, система 13 ручной остановки (тормоз) ветроколеса и мачта 14.
Ветроэнергетическая установка содержит вертикальный вал 1, снабженный вертикально ориентированными лопастями 2 (с сечением в форме крыла, обращенного к направляющему аппарату округлой кромкой), образующими ветроколесо с вертикальной осью вращения и направляющий аппарат 3 соосно охватывающий ветроколесо, выполненный, как корпус установки. Направляющий аппарат 3 содержит вертикально ориентированные, направляющие лопатки 4, с желобчатым профилем сечения, ориентированные тангенциально внешней кромке ветроколеса, связанные с крышкой 5 и основанием б направляющего аппарата 3 ветроэнергетической установки. Основание б направляющего аппарата 3 установлено на раме 11, выполняющей роль основания ветроэнергетической установки, на котором закреплен электрогенератор 7.
Ветроколесо по высоте разделено на ярусы, для чего содержит равноудаленные верхний 8, средний 9 и нижний 10 опорные диски, соосно и жестко надетые на вертикальный вал 1. Вал 1 ветроколеса связан с крышкой 5 и основанием 6 направляющего аппарата 3 через подшипниковые узлы 12.
По периметру верхний 8, средний 9 и нижний 10 опорные диски скреплены друг с другом вертикальными лопастями 2 с сечением в форме крыла, обращенного к направляющему аппарату округлой кромкой. Вертикальные лопасти 2 расположены на равных расстояниях друг от друга. Вертикальные лопасти 2 верхнего яруса соединены одним концом с верхним 8, а другим концом со средним 9 опорными дисками, образуя, а концы вертикальных лопастей 2 нижнего яруса скреплены со средним 9 и нижним 10 опорными дисками. Причем вертикальные лопасти 2 верхнего яруса смещены на 30° относительно вертикальных лопастей 2 нижнего яруса.
Для остановки ветроколеса во время технического обслуживания необходим ручной тормоз 13. Мачту 14 используют, когда ветроэнергетическую установку устанавливают отдельно, а не на других сооружениях и/или конструкциях.
Ветроэнергетическая установка, основанием (рамой 11) установленная на мачте 14, находится в рабочем положении. Поток ветра, уплотненный направляющими лопатками 4, направляющими воздушный поток под определенным углом (от 65 до 90 градусов), ускоряется и попадает на вертикально ориентированные лопасти 2 обеих ярусов ветроколеса. Попав на них, воздушный поток приводит во вращение вертикальный вал 1, приводя тем самым во вращение ротор электрогенератора 7. Отработанный воздушный поток, пройдя ветроколесо (вертикально ориентированные лопасти 2), отдав свою энергию, выходит в радиальном направлении между соответствующими направляющими лопатками 4 направляющего аппарата 3. Воздух, проходящий в радиальном направлении, проходит центральную часть ветроколеса и вновь попадает на его вертикально ориентированные направляющие лопатки 4, захватывается его элементами и выбрасывается в атмосферу (это явление называется «вентиляционными потерями на неактивной дуге турбинного двигателя»). На это расходуется определенная мощность, но при этом в центре ветроколеса создается разрежение, что способствует увеличению скорости и расхода воздуха, проходящего через ветроэнергетическую установку, и росту ее мощности. В связи с тем, что мощность, расходуемая на прокачку воздуха, зависит от скорости вращения в третьей степени, то при больших скоростях ветра эта мощность становится значительной и сдерживает ветроколесо от слишком большого разгона. Это аэродинамическое торможение значительно повышает безопасность установки при больших скоростях ветра и позволяет обойтись без специальных тормозных устройств. Мощность, вырабатываемая электрогенератором 7, во многом определяется окружной скоростью ветроколеса. Характеристики ветроколеса и электрогенератора 7 подбирают таким образом, чтобы при работе на большинстве режимов (скоростей ветра) максимально использовать энергию ветра при минимальных скоростях и избежать разрушения ветроколеса при очень больших скоростях.