Ветроэнергетическая установка
WIND POWER PLANT

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается ветроэнергетических установок (ВЭУ) с горизонтальным расположением оси ротора ветроколеса, в которых лопасти ветроколеса выполнены в виде цилиндров, вращающихся вокруг своей оси. Подъемная сила, действующая на цилиндры в поперечном потоке, возникает за счет эффекта Магнуса [1], который характеризуется появлением подъемной силы (силы Магнуса) при вращении цилиндра в поперечном потоке. Эта сила используется для вращения ротора ветроколеса, аналогично подъемной силе традиционной лопасти, но имеет гораздо большую величину.
Важной проблемой ветроэнергетики является использование сравнительно низких скоростей ветра, меньших 6-8 м/с, характерных для континентальных регионов. В частности, в России такие регионы составляют до 80% всей территории. Традиционные ВЭУ лопастного типа в таких условиях оказываются малоэффективными из-за малой подъемной силы лопасти и соответственно низкого крутящего момента ветроколеса [2].
Известно использование ВЭУ с вращающимися цилиндрами (роторами) вместо лопастей [3]. Действие таких ВЭУ основано на эффекте Магнуса, который выражается в возникновении поперечной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке газа или жидкости. В соответствии с теоремой Жуковского, для цилиндра бесконечной длины, вращающегося в поперечном потоке воздуха, сила Магнуса, действующая на элемент его длины  равна:
Здесь: ρ - плотность воздуха;  - вектор скорости набегающего потока воздуха;  - вектор циркуляции, создаваемой вращением цилиндра;  - вектор угловой скорости вращения цилиндра вокруг своей оси; R - радиус цилиндра; α - коэффициент, учитывающий отрывное обтекание цилиндра (для реальных систем в большинстве случаев α≤0.5); dm - масса воздуха, вытесненного элементом цилиндра.
ш
3
В работах [2, 4] представлены результаты экспериментальных исследований отдельно вращающегося цилиндра, а также ветроколеса в сборе с вращающимися цилиндрами в аэродинамической трубе. Показано, что основными параметрами, определяющими эффективность ветроколеса являются: скорость вращения цилиндров, приведенная к скорости набегающего потока θ=ωR/V; удлинение цилиндра, равное отношению его длины к диаметру λ=L/2R; диаметр концевой шайбы, препятствующей сходу потока с конца цилиндров, отнесенный к диаметру цилиндра С=d/2R. Обнаружено, что оптимальные значения основных параметров составляют: θ≈4, λ≥12, С≤2. В таком оптимальном режиме сила Магнуса на порядок и более превосходит движущую силу лопасти. Это увеличивает крутящий момент ветроколеса и обеспечивает достаточно эффективную работу ВЭУ при низких скоростях ветра, начиная приблизительно с 2 м/с. Известно, что с уменьшением скорости ветра V мощность ВЭУ падает пропорционально V. Однако такое снижение может быть в некоторой степени скомпенсировано увеличением диаметра ветроколеса, поскольку мощность ВЭУ растет пропорционально квадрату диаметра.
2
Сопротивление вращающегося цилиндра набегающему потоку в несколько десятков раз выше сопротивления лопасти аналогичных размеров. При этом основной вклад создает именно индуктивное сопротивление, пропорциональное отношению квадрата подъемной силы вращающегося цилиндра, деленной на его удлинение F/λ [4]. При возрастании (от нуля) скорости вращения ветроколеса, в плоскости ветроколеса возникает ненулевая проекция силы сопротивления цилиндра, которая создает тормозящий ветроколесо момент сил. Таким образом, для эффективной работы ВЭУ на эффекте Магнуса необходимо принимать меры для уменьшения индуктивного сопротивления цилиндров. Значимое уменьшение индуктивного сопротивления может быть достигнуто увеличением λ, а так же оптимизацией формы цилиндров.
Известен генератор ветряной энергии по патенту США №7504740, работающий с использованием эффекта Магнуса, содержащий ветроколесо с горизонтальным вращающимся валом для передачи момента силы от ветроколеса на электрогенератор. Ветроколесо содержит радиально установленные роторы Магнуса в виде цилиндров, привод вращения которых вокруг своей оси осуществляется при помощи электродвигателей. На внешних концах цилиндров установлены шайбы, препятствующие сходу закрученного потока с концов цилиндров и уменьшающие тем самым их индуктивное сопротивление. Поверхность цилиндров имеет спиральные ребра-шнеки с навивкой в направлении вращения цилиндров, обеспечивающие движение воздуха от концов цилиндров к оси ветроколеса для увеличения подъемной силы Магнуса. К недостаткам данного технического решения можно отнести значимые затраты энергии на вращение концевых шайб цилиндров и усложнение конструкции цилиндров из-за наличия ребер-шнеков.
Известна ветроустановка по патенту РФ №2381380, содержащая ветроколесо с горизонтальной осью вращения и радиально установленными роторами Магнуса в виде цилиндров, каждый из которых выполнен с невращающейся корневой и вращающейся концевой частями с шайбой на конце, а также привод цилиндров и электрогенератор. Вращающаяся часть роторов выполнена из цилиндрической части с усеченным конусом на конце, основание которого обращено к цилиндру и имеет диаметр больше диаметра цилиндра, при этом цилиндрические и конические поверхности имеют спиральные ребра-шнеки, с навивкой в направлении вращения цилиндров, начиная от корневого их сечения до шайбы, обеспечивающие движение воздуха от концов цилиндров к оси ветроколеса.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве прототипа.
Данное конструктивное решение обеспечивает снижение индуктивного сопротивления цилиндров и улучшение их обтекания, приближая его к безотрывному, что позволяет уменьшить скорость вращения цилиндров и снизить соответствующие затраты мощности при сохранении числа оборотов и мощности ветроколеса. Недостатками данного технического решения является недостаточное снижение индуктивного сопротивления вращающихся цилиндров ветроколеса, что приводит к снижению коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ). Кроме того, к недостаткам данного технического решения можно отнести значимые затраты энергии на вращение концевых шайб и конусов, а так же усложнение конструкции цилиндров из-за наличия ребер-шнеков и конусов.
Задача изобретения заключается в снижении индуктивного сопротивления вращающихся цилиндров ветроколеса, а также в повышении КИЭВ.
Сущность первого независимого объекта изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения вышеуказанной задачи изобретения.
Согласно первому независимому объекту изобретения ветроэнергетическая установка, включающая ветроколесо с горизонтальной осью вращения и радиально установленными роторами Магнуса в виде цилиндров, вращающихся вокруг своих продольных осей от встроенного привода, и электрогенератор, характеризуется тем, что цилиндры установлены так, что их продольные оси лежат в плоскости, нормальной к горизонтальной оси ветроколеса, но не пересекаются с этой осью.
Кроме того, первый независимый объект изобретения характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:
- цилиндры могут быть снабжены неподвижно укрепленными законцовками на их внешних торцах.
Сущность второго независимого объекта изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения вышеуказанной задачи изобретения.
Согласно второму независимому объекту изобретения ветроэнергетическая установка, включающая ветроколесо с горизонтальной осью вращения и радиально установленными роторами Магнуса в виде цилиндров, вращающихся вокруг своих продольных осей от встроенного привода, и электрогенератор, характеризуется тем, что цилиндры установлены так, что продольные оси цилиндров пересекаются с горизонтальной осью ветроколеса, при этом продольные оси цилиндров размещены под углом к плоскости, нормальной к горизонтальной оси ветроколеса.
Кроме того, второй независимый объект изобретения характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:
- цилиндры могут быть снабжены неподвижно укрепленными законцовками на их внешних торцах.
Обеспечиваемый обоими вариантами изобретения, имеющими единый изобретательский замысел, технический результат заключается в том, что вращающиеся цилиндры Магнуса сжимают ветровой поток по направлению к оси ветроколеса, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления вращающихся цилиндров, а также к повышению КИЭВ за счет сжатия ветрового потока к оси ветроколеса и увеличению эффективной площади захватываемого ветрового потока.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 представлен первый вариант заявленного технического решения, на фиг. 2 - его второй вариант.
Первый вариант заявленной ВЭУ содержит ветроколесо 1 с горизонтальной осью вращения, которая может поворачиваться на неподвижной опоре 2 в направлении ветра. На ветроколесе 1 установлено не менее двух цилиндров Магнуса 3, вращающихся вокруг своих продольных осей от встроенных приводов (условно не показаны). Цилиндры 3 снабжены неподвижно укрепленными законцовками 4 на их внешних торцах. Продольные оси цилиндров 3 лежат в плоскости, нормальной к горизонтальной оси ветроколеса 1, но не пересекаются с этой осью. При направлении вектора скорости ветра  перпендикулярно плоскости, нормальной к горизонтальной оси ветроколеса 1, вектор угловой скорости вращения каждого цилиндра 3  направлен в центральную область ветроколеса 1. Тогда, с учетом (1) сила Магнуса  будет перпендикулярна продольным осям цилиндров 3, приводя к вращению ветроколеса 1 против часовой стрелки. Но возникновение силы Магнуса неминуемо влечет появление равной ей по модулю и противоположной по направлению силы , с которой каждый вращающийся цилиндр 3 действует на ветровой поток. Вследствие выбранной ориентации цилиндров у силы  появляется ненулевая компонента , направленная к горизонтальной оси ветроколеса 1. Таким образом, в данной конструкции каждый вращающийся цилиндр 3 сжимает ветровой поток по направлению к горизонтальной оси ветроколеса 1, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления вращающихся цилиндров 3, а также к повышению КИЭВ за счет сжатия ветрового потока к оси ветроколеса 1 и увеличению эффективной площади захватываемого ветрового потока.
Второй вариант заявленной ВЭУ, содержит ветроколесо 1 с горизонтальной осью вращения, которая может поворачиваться на неподвижной опоре 2 в направлении ветра. На ветроколесе установлено не менее двух цилиндров Магнуса 3, вращающихся вокруг своих продольных осей от встроенных приводов (условно не показаны). Цилиндры 3 снабжены неподвижно укрепленными законцовками 4 на их внешних торцах. Продольные оси цилиндров 3 пересекаются с горизонтальной осью ветроколеса 1, но не лежат в плоскости, нормальной к оси ветроколеса 1, а составляют с ней угол А. При направлении ветра со скоростью , вектор угловой скорости вращения каждого цилиндра 3  направлен к центру ветроколеса 1. В системе отсчета, связанной с ветроколесом 1 на элемент длины каждого цилиндра 3 действуют две компоненты силы Магнуса. Первая из них , обусловлена векторным произведением скорости ветра  на вектор . Вторая компонента силы Магнуса  обусловлена произведением вектора  на скорость  движения элемента длины цилиндра 3 в плоскости, нормальной к горизонтальной оси ветроколеса 1. Компонента скорости  возрастает с частотой вращения ветроколеса 1, а также по мере удаления элемента цилиндра 3 от центра ветроколеса 1. Компонента силы Магнуса  перпендикулярна цилиндру 3 и составляет с вектором скорости ветра  угол А. Но появление  неминуемо влечет появление равной ей по модулю и противоположной по направлению силы , с которой каждый вращающийся цилиндр 3 действует на ветровой поток. Вследствие выбранной ориентации цилиндров 3 у силы  есть ненулевая компонента в плоскости, перпендикулярной горизонтальной оси ветроколеса 1. Таким образом, и в данной конструкции каждый вращающийся цилиндр 3 сжимает ветровой поток по направлению к оси ветроколеса 1, что должно приводить к уменьшению индуктивного сопротивления вращающихся цилиндров 3, а также к повышению КИЭФ за счет сжатия ветрового потока к оси ветроколеса 1 и увеличению эффективной площади захватываемого ветрового потока.
Дополнительное уменьшение индуктивного сопротивления вращающихся цилиндров 3 может быть достигнуто в обоих вариантах заявленной ВЭУ за счет установки законцовок 4 на внешних торцах цилиндров 3, которые неподвижны в системе отсчета, связанной с ветроколесом, и на их вращение не расходуется дополнительная энергия.
Заявленное устройство в обоих вариантах может быть реализовано с использованием известного оборудования, технических и технологических средств.
Литература:
[1] Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Дрофа, 2003.
[2] Бычков Н.М «Ветродвигатель с эффектом Магнуса. 1. Результаты модельных исследований» Теплофизика и аэромеханика. - 2004. - Т. 11, №4. - С. 583-596
[3] Кочунов М. Эффект Магнуса - в воздухе и под водой (по материалам зарубежной печати) // Изобретатель и рационализатор. - 1985. №6. - С. 22-23.
[4] Бычков Н.М «Ветродвигатель с эффектом Магнуса. 2. Характеристики вращающегося цилиндра» Теплофизика и аэромеханика. - 2005. - Т. 12, №1. - С. 159-175.