ВЕТРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
WIND TURBINE PLANT

Изобретение относится к области малой энергетики, а именно к ветряным двигателям, и может быть использовано в качестве автономного источника энергии на зданиях, имеющих достаточную высоту.
В последние десятилетия запасы органического топлива истощаются, и его использование во все возрастающих объемах ведет к загрязнению окружающей среды. Ветротурбинные установки позволяют эффективно и с высокой степенью надежности использовать ветер в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии.
5
Известен ветряной двигатель, содержащий статор с внешними ветровыми проточными каналами и колоннами, образующими направляющий аппарат, который ориентирован по ветру флюгером (см. патент Японии №5-11218, МПК F03D 1/0, 1993 г.).
Недостатками известного решения являются большое количество подвижных элементов, что значительно усложняет конструкцию и делает ее громоздкой, сложной в эксплуатации и ремонте, и отсутствие устройств, защищающих ротор от разрушения при превышении предельно допустимой частоты вращения.
В качестве ближайшего аналога выбрана ветротурбинная установка (ВТУ), содержащая ротор, выполненный в виде вала, размещенный вертикально, с возможностью вращения внутри корпуса и установленными по окружности лопатками, при этом корпус ВТУ выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки, установленные тангенциально внешней кромке лопаток ротора и имеющие поворотные входные кромки, соединенные с флюгером (см. патент Российской Федерации №2240442, МПК F03D 3/00, 2004 г.).
К недостаткам ближайшего аналога можно отнести большую материалоемкость, сложность и малую эффективность.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является уменьшение материалоемкости, упрощение устройства и повышение удельной мощности и безопасности ВТУ.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в непосредственном воздействии ветра на входные кромки направляющих лопаток корпуса, а также расширении области применения и повышении КПД ветротурбинной установки за счет возможности использования поверхности направляющих лопаток для приема энергии солнца.
Поставленная задача решается тем, что ветротурбинная установка, включающая ротор, содержащий вал с вертикальной осью вращения, снабженный вертикально ориентированными лопатками, установленными по окружности на одинаковых расстояниях друг от друга, размещенный с возможностью вращения внутри корпуса, выполненного в виде направляющего аппарата, содержащего направляющие лопатки, расположенные вертикально по периметру корпуса на одинаковых расстояниях друг от друга и установленные тангенциально входным кромкам лопаток ротора, отличающаяся тем, что направляющим лопаткам корпуса придано желобчатое сечение с параболоцилиндрическим очертанием, причем их вогнутая поверхность покрыта светоотражающим материалом, при этом в фокусе направляющих лопаток корпуса размещены светоприемные элементы, предпочтительно линейные, длиной, соответствующей высоте направляющих лопаток корпуса, кроме того, входные кромки направляющих лопаток корпуса выполнены с возможностью их отгиба в вертикальной плоскости относительно образующих поверхности лопаток под действием силы ветра.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «…направляющим лопаткам корпуса придано желобчатое сечение с параболоцилиндрическим очертанием, причем их вогнутая поверхность покрыта светоотражающим материалом…» позволяет направляющему аппарату принимать и концентрировать энергию солнца, тем самым повышая КПД и мощность установки, а также расширить область применения.
Признак «…в фокусе направляющих лопаток корпуса размещены светоприемные элементы, предпочтительно линейные, длиной, соответствующей высоте направляющих лопаток корпуса…» позволяет собирать энергию солнца, сконцентрированную параболоцилиндрическими поверхностями направляющих лопаток корпуса и направлять в аккумулятор.
Признак «…входные кромки направляющих лопаток корпуса выполнены с возможностью их отгиба в вертикальной плоскости…» обеспечивает возможность работы ветротурбинной установки при расчетных скоростях ветра, когда входные кромки занимают среднее положение и форма направляющей лопатки корпуса оптимальна, а КПД ветротурбинной установки максимален.
Признак «…входные кромки направляющих лопаток корпуса выполнены с возможностью их отгиба в вертикальной плоскости относительно образующих поверхности лопаток под действием силы ветра…» повышает безопасность ветротурбинной установки при больших скоростях ветра за счет того, что площадь проходного сечения внешних ветровых проточных каналов уменьшается за счет того, что входные кромки направляющих лопаток корпуса под действием давления ветра отгибаются в вертикальной плоскости и перекрывают внешние ветровые проточные каналы, при этом мощность ветра становится меньше, и это сдерживает ротор от слишком большого разгона. Кроме этого, форма направляющих лопаток корпуса становится не оптимальной, что еще больше способствует уменьшению эффективности лопаточного аппарата и ограничению нагрузки на ротор.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 показано вертикальное сечение ВТУ, на фиг.2 - фрагмент горизонтального сечения ВТУ и на фиг.3 - горизонтальное сечение лопатки направляющего аппарата с гибкой кромкой.
Установка содержит ротор 1, содержащий вал 2 с вертикальной осью вращения и лопатки 3, установленные по окружности на одинаковых расстояниях друг от друга. Вал 2 размещен с возможностью вращения внутри корпуса 4, выполненного в виде направляющего аппарата, содержащего направляющие лопатки 5, расположенные вертикально по периметру корпуса на одинаковых расстояниях друг от друга и установленные тангенциально входным кромкам лопаток 3 ротора 1. Причем направляющие лопатки 5 корпуса 4 образуют внешние ветровые проточные каналы 6, расположенные по касательной к внутренней окружности ветроэнергетической установки. Кроме того, в фокусе направляющих лопаток 5 корпуса 4 размещены светоприемные элементы 7.
Устройство работает следующим образом.
Поток ветра, проходя через направляющие лопатки 5 корпуса 4, направляется в тангенциальном направлении на лопатки 3 ротора 1. При движении его в зазорах между лопатками 3 ротора 1, энергия ветра благодаря аэродинамическому взаимодействию передается лопаткам 3 ротора 1, что приводит ротор 1 во вращательное движение. Движущийся к центру поток воздуха, отдав энергию, выходит в радиальном и осевом направлениях через внешние ветровые проточные каналы 6, расположенные между направляющими лопатками 5 корпуса 4. Часть воздуха, проходящая в радиальном направлении, проходит центральную часть ротора 1 и вновь попадает в лопатки 3 ротора 1, но в месте, расположенном диаметрально противоположно относительно зоны входа в ротор 1. Воздух захватывается элементами ротора 1 и выбрасывается в атмосферу (это явление называется «вентиляционными потерями на неактивной дуге турбинного двигателя»). На это расходуется определенная мощность, но при этом в центре ротора 1 создается разрежение, что способствует увеличению скорости и расхода воздуха, проходящего через ВТУ, и увеличивает ее мощность. 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 ротор 1 от слишком большого разгона. Это аэродинамическое торможение значительно повышает безопасность установки при больших скоростях ветра и позволяет обойтись без специальных тормозных устройств.
Так как направляющим лопаткам 5 корпуса 4 придано желобчатое сечение с параболоцилиндрическим очертанием, то кроме направления потока воздуха на лопатки 3 ротора 1, они благодаря нанесенному на внутреннюю поверхность светоотражающему материалу, направляют лучи солнца в фокус, в котором установлены светоприемные элементы 7. Энергия солнца направляется в аккумулятор (не показан). Это свойство значительно повышает КПД установки и повышает стабильность выработки энергии, особенно при слабых ветрах.
Благодаря тому что входные кромки направляющих лопаток 5 корпуса 4 выполнены с возможностью их отгиба в вертикальной плоскости, то они могут отгибаться в правую В или левую Б стороны от среднего положения А (фиг.3) относительно образующих поверхности лопаток 5 корпуса 4. Это происходит, если давление ветра за счет скорости, превышающей расчетную, превышает упругость материала направляющих лопаток 5 корпуса 4. При этом сечение внешнего ветрового проточного канала 6 уменьшается, форма направляющих лопаток 5 корпуса 4 теряет аэродинамическую эффективность, и мощность ветрового потока, поступающего на лопатки 3 ротора 1, уменьшается, что повышает безопасность и надежность ВТУ.
Таким образом, комплекс вышеперечисленных конструктивных особенностей обеспечивает высокую безопасность установки и позволяет использовать ее в непосредственной близости от мест скопления людей. В частности, ее можно устанавливать на жилые здания, имеющие достаточную высоту. Это исключает необходимость постройки дорогостоящей башни.