ВЕТРОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области ветроэлектроэнергетики, а именно к ветроагрегатам, предназначенным для трансформации энергии ветра в механическое вращение электрогенератора. Задачей настоящей полезной модели является повышение коэффициента использования энергии падающего ветрового потока.
Рассматриваются конструкции с горизонтальной осью вращения, содержащие ротор, непосредственно воспринимающий энергию ветра, закрепленный на валу, связанном с валом генератора.
Известна роторная ветроэлектростанция по патенту RU 2425249 от 24.05.2010 г. - прототип. Ветроэлектростанция содержит ротор, выполненный в виде диска - предмет в виде плоского круга - словарь Ожегова, представляющий основание с установленными на нем лопастями, выполненными в форме аэродинамических крыльев и расположенными с зазором относительно вала ротора, механически связанного с валом электрогенератора, обтекатель, установленный на валу перед ротором по воздушному потоку и охватывающий зазор между внутренними кромками лопастей, и конфузор, размещенный перед ротором по потоку, установленный на периферийных частях лопастей с образованием зазора с обтекателем. Площадь поперечного сечения обтекателя составляет 25-35% площади основания, площадь проекции конфузора на диск 35-45%. Технический результат -повышение полноты использования энергии ветрового потока и упрощение конструкции роторной ветроэлектростанции.
Следует отметить, что при рабочих для предлагаемого ветрогенератора скоростях ветра в 5-15 м/сек, воздух можно рассматривать как несжимаемую жидкость, данные расчетов и измерений показывают, что разница давлений воздуха со стороны потока и на задней поверхности диска не превышает десятых долей процента. Поэтому в прототипе наличие центрального обтекателя будет отжимать часть потока за пределы диска. К этому же приводит наличие почти плоского конфузора на периферии диска. Воздух с него будет бесполезно стекать наружу диска, и только часть воздуха, попадающая в щель между обтекателем и внутренней частью конфузора, производит полезную работу. При указанных выше площадях центрального обтекателя и конфузора (суммарная составляет от 60% до 80% площади основания) используется всего от 20 до 40% энергии падающего на ротор потока. В расширяющихся по площади сечения каналах, составленных из расходящихся периферийных частей лопастей, основания и конфузор, скорость потока будет падать, уменьшая реактивную силу потоков, покидающих ротор на его периферии. Такая конструкция не позволяет использовать в полной мере положительное влияние центробежных и реактивных сил, а также не позволяет парировать негативное влияние кориолисовых сил, максимальное значение которых имеет тот же порядок, что и центробежные и реактивные силы. Называть лопасти аэродинамическими крыльями нельзя, так как характер их обтекания с поворотом потока почти на 90° совсем другой, чем у крыльев - правильнее называть их стенками. Утверждения насчет возможных тысяч оборотов в минуту вызывает большое сомнение в якобы проведенных экспериментах, которые, тем более, должны проводиться при нагрузке, имитирующей электрический генератор. Расчеты, проведенные с учетом закона Беца-Жуковского для ветророторов, а также испытания, показывают, что максимальный к.п.д. по использованию энергии падающего потока ветра достигается на оборотах, почти втрое меньших оборотов ротора без подключенной нагрузки.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве на основании радиуса R закреплены серповидные в плане стенки, обтекатель и конфузор отсутствуют, что позволяет на порядок увеличить к.п.д. устройства. Вся масса воздуха, падающая на основание, проходит по каналам между стенками, создавая центробежные силы, и выбрасывается в окружающее пространство на периферии основания, создавая реактивные силы под углом к радиусу основания близким к прямому на максимальном удалении от оси вращения, что соответствует достижению максимального момента на оси электрогенератора.
В прототипе высота стенок крыльев от центра основания к его контуру постоянна. Уменьшить глубину узких щелей в центре и угол поворота воздушного потока при контакте с основанием, т.е. уменьшить сопротивление его движению и турбулентность потока возможно с помощью доработки конструкции основания. Существенно повысить ламинарность потока путем уменьшения угла поворота потока в центральной части основания можно заменой плоского основания на оболочку, внешняя поверхность которой образована вращением вокруг ее оси любой монотонно убывающей кривой - кроме брахистохроны, угол между касательной к которой и плоскостью основания монотонно убывает.
2
Определение оболочки, как тела, ограниченного двумя поверхностями, расстояние между которыми мало по сравнения с другими размерами. Приведено в научно-технической литературе. Например, П.М. Огибалов, М.А. Колтунов «Оболочки и пластины» Издательство московского университета 1969, Учебное пособие для студентов механико-математических университетов, стр. 19, третий абзац сверху; «Математическая энциклопедия» в пяти томах, гл. редактор академик Виноградов И.М. Издательство» Советская энциклопедия» 1988, том 3, стр. 1127, левая колонка, 2 абзац снизу. При этом весь поток воздуха протекает вдоль каналов между стенками и истекает из них на периферии основания с минимальным торможением и турбулентностью при движении. Для этого высота Н поверхности в ее центре над контуром основания должна быть не меньше, а такой, чтобы весь воздух, падающий на основание с контуром радиуса R и площадью πR, мог выходить через кольцевую поверхность той же площади на контуре основания 2πRH, откуда высота Н=0,5 R. Однако, при любых отклонениях в протекании потоков воздуха по каналам высоту следует увеличить, достаточно если указанный коэффициент будет лежать в пределах 0,5…1,0 R. Такой же должна быть и максимальная высота стенок над контуром основания. С помощью испытаний моделей можно определить высоту стенок, их оптимальное количество и углы их выхода к касательной к основанию на его контуре. Необходимая толщина основания и стенок из условий прочности и жесткости лежит в пределах 0,1% - 0,5% диаметра основания.
Для эффективной эксплуатации устройства в холодное время года его поверхности, воспринимающие падающий поток воздуха, желательно покрывать несмачиваемой пленкой, например, тонкой пленкой фторопласта, она помогает уменьшить толщину пограничного слоя потока при обмерзании, а также улучшает ламинарность обтекания.
Положительный эффект от применения предлагаемой конструкции основания состоит в том, что позволяет уменьшить продольный габарит конструкции ветроагрегата за счет введения электрогенератора в образовавшуюся внутри основания полость. Ориентация по потоку воздуха может быть любая известная, например, с помощью флюгера, закрепленного на корпусе электрогенератора, на фигурах не показан.
На Фиг. 1 представлена конструкция ветроагрегата, вид по оси основания со стороны потока. На Фиг. 2 приведено сечение по А-А Фиг. 1 с внешней поверхностью, образованной вращением монотонно убывающей кривой - кроме брахистохроны, угол между касательной к которой и плоскостью основания монотонно убывает.
Предлагаемая конструкция ветроагрегата содержит основание 1 с установленными на нем стенками 2, узлом 3 места крепления основания 1 к оси электрогенератора 4, закрепленного на вертикальной опоре 5.
Применение ветроагрегата осуществляется следующим образом. Он устанавливается на опору нужной высоты с автоматическим или механическим ориентированием по потоку воздуха. Высота опоры должна быть максимальной, так как при удалении от земли скорость потока существенно возрастает пропорционально корню пятой степени из безразмерной высоты. Весь поток, падающий на площадь ротора, плавно входит в каналы между стенками и двигается к периферии основания.
Использование предлагаемой конструкции позволяет создать компактный ветроагрегат, что очень важно при разработке средств его подъема на оптимальную высоту. Большое значение имеет также повышенный к.п.д. агрегата. Благодаря компактности и жесткости конструкция не инициирует опасные для здоровья инфразвуковые колебания, свойственные крыльевым ветрякам, и может устанавливаться непосредственно в жилых районах.