УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована в ветровых электроустановках для многоэтажных зданий и сооружений при возможном изменении скорости ветра в широком пределе от нуля (штиль) до урагана.
Известен ветроэлектрический агрегат, содержащий опорную трубу, на вершине которой установлены соосно два усеченных конических флюгера, на вершине каждого из которых установлены ветроколеса с генераторами электрической энергии [1]. При отсутствии ветра (штиль) коническая форма флюгера создает условия для ускорения движения воздуха в сторону расширяющейся части флюгера, что обеспечивает аэродинамические условия для вращения ветроколес и выработки генераторами электрической энергии.
Недостаток известного ветроэлектрического агрегата состоит в том, что для создания мощного потока воздуха внутри конических флюгеров необходимы большая их длина и большие габаритные размеры основания конуса, что увеличивает парусность флюгера и вероятность его разрушения ураганным ветром.
Наиболее близким известным техническим решением в качестве прототипа является ветроэлектрическая станция для многоэтажных зданий и сооружений, содержащая полый флюгер, ветроколесо с лопатками, воздухо-вытяжной канал, электрогенератор, закрепленный внутри воздуховытяжного канала обтекаемыми распорками, вал электрогенератора внутри воздуховытяжного канала соединен с валом турбины непосредственно и с валом ветроколеса через электромагнитную муфту [2]. Ось вращения ветроколеса расположена вертикально и перпендикулярно ветру. Половина лопаток ветроколеса, обращенные к ветру, закрыты полым флюгером, что обеспечивает вращение ветроколеса и передачу его крутящего момента через электромагнитную муфту на вал электрогенератора. При нулевой скорости ветра (штиль) ветроколесо не вращается, его крутящий момент равен нулю и с помощью электромагнитной муфты вал ветроколеса отключается от вала электрогенератора, вращение которого осуществляет турбина под действием разностного воздушного давления внутри воздуховытяжного канала.
Недостаток прототипа заключается в том, что закрытые флюгером лопатки ветроколеса снижают коэффициент использования ветра, поочередное подключение к валу электрогенератора то ветроколеса, то турбины при слабом ветре не обеспечивает формирования суммарного воздушного потока, а при сильном ветре раскрученное ветроколесо создает большой кинетический момент, вектор направления которого сохраняет свое неизменное положение в мировом пространстве (как ось вращения гироскопа) и повороты флюгера, включая суточное вращение Земли, разрушают прочность боковых подшипников вращения ветроколеса и флюгера, что снижает долговечность ветроэлектрической станции, кроме того, при изменении скорости ветра обороты ветроколеса не стабилизируются, что усложняет работу электрогенератора.
Целью полезной модели (техническим результатом) является повышение коэффициента использования ветра за счет включения в работу всех лопаток ветроколеса, увеличение долговечности ветроустановки путем взаимной компенсации кинетических моментов двух соосно вращающихся в противоположные стороны ветроколес и расширения диапазона изменения возможной скорости ветра от нуля (штиль) до урагана путем использования потоков воздуха разности давления воздуховытяжного канала при малой скорости ветра и за счет автоматического уменьшения угла атаки лопастей ветроколес под действием центробежной силы при ураганном ветре.
Сущность полезной модели состоит в том, что, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: полого флюгера, ветроколеса с лопатками, воздуховытяжного канала и электрогенератора, закрепленного внутри воздуховытяжного канала обтекаемыми распорками, предлагаемое устройство для преобразования энергии воздушных потоков в электрическую энергию содержит соосно установленное дополнительное ветроколесо, вращающееся противоположно вращению основного ветроколеса, валы вращения которых через конические зубчатые колеса и коническую шестеренку соединены с валом электрогенератора, полый флюгер выполнен в виде усеченного конуса, вершина которого направлена против ветра в сторону ветроколес, выход воздуховытяжного канала подсоединен к средней части полого флюгера, лопатки ветроколес выполнены поворотными на 90° относительно спмц под действием центробежной силы и подпружинены с возможностью изменения угла атаки от 90° при слабом ветре до 0° при ураганном ветре.
Новым в полезной модели является то, что устройство для преобразования энергии воздушных потоков в электрическую энергию содержит соосно установленное дополнительное ветроколесо, вращающееся противоположно вращению основного ветроколеса, валы вращения которых через конические зубчатые колеса и коническую шестеренку соединены с валом электрогенератора, полый флюгер выполнен в виде усеченного конуса, вершина которого направлена против ветра в сторону ветроколес, выход воздуховытяжного канала подсоединен к средней части полого флюгера, лопатки ветроколес выполнены поворотными на 90° относительно спиц под действием центробежной силы и подпружинены с возможностью изменения угла атаки от 90° при слабом ветре до 0° при ураганном ветре, что обеспечивает повышение коэффициента использования ветра, долговечности ветроустановки и расширения диапазона изменения возможной скорости ветра от нуля (штиль) до урагана путем использования всех лопаток ветроколес, взаимной компенсацией кинетических моментов двух соосно вращающихся в противоположные стороны ветроколес и использования потоков воздуха разности давления воздуховытяжного канала при малой скорости ветра и автоматического уменьшения угла атаки лопастей ветроколес под действием центробежной силы при ураганном ветре соответственно.
Продольное сечение предлагаемого устройства для получения электрической энергии воздушными потоками изображено на чертеже, где обозначено: 1 - направление ветра; 2 и 3 - лопасти и спицы основного ветроколеса; 4 и 5 - спицы и лопасти дополнительного ветроколеса; 6 и 7 валы вращения дополнительного и основного ветроколес; 8 - обтекаемые распорки полого флюгера; 9 - зубчатое коническое колесо вала вращения дополнительного ветроколеса; 10 - конический полый флюгер; 11 - зубчатое коническое колесо вала вращения основного ветроколеса; 12 - направление вытяжного потока воздуха; 13 - направление воздушных потоков в расширяющейся части конусообразного флюгера; 14 - торцовая поверхность воздуховытяжного канала; 15 - коническая зубчатая шестеренка (дифференциал); 16 - вал; 17 - электрогенератор; 18 - воздуховытяжной канал; 19 - обтекаемые распорки;
20 - соединительный обод; 21 - воздуховытяжной канал многоэтажного здания; 22 - направление вытяжного потока воздуха.
В исходном положении (статика) направление ветра 1 совпадает с направлениями продольных осей вращения основного и дополнительного ветроколес. Лопасти 2 основного ветроколеса установлены на спицах 3 с возможностью их подпружиненного поворота на 90° относительно продольной оси спицы 3 под действием центробежной силы и напора ветра в сторону уменьшения угла атаки. Относительно продольных осей спиц 4 лопасти 5 дополнительного ветроколеса установлены с возможностью подпружиненного поворота на 90° под действием центробежной силы и напора ветра в сторону уменьшения угла атаки. Вал 6 дополнительного ветроколеса и вал 7 основного ветроколеса вращаются в противоположных направлениях. Внутри полого флюгера установлены обтекаемые распорки 8. Зубчатое коническое колесо 9 расположено на конце вала 6. Корпус 10 флюгера выполнен в виде усеченного конуса, вершина которого направлена в сторону ветроколес. Зубчатое коническое колесо 11 расположено на валу 7. Воздушный поток 12 проходит через внутреннюю полость флюгера в направлении 13 его расширяющейся части. На торцовой поверхности 14 воздуховытяжного канала подвижно установлены обода зубчатых конических колес 9 и 11, которые сопряжены конической зубчатой шестеренкой 15 с валом 16 электрогенератора 17. Внутри воздуховытяжного канала 18 закреплен с помощью обтекаемых распорок 19 электрогенератор 17. С помощью соединительного обода 20 выполнена стыковка воздуховытяжного канала 18 энергетической установки с воздуховытяжным каналом многоэтажного здания 21, в котором формируется вытяжной поток 22 воздуха.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При отсутствии ветра 1 (штиль) сформированный за счет разности температур и давлений поток 22 воздуха поступает по воздуховытяжному каналу 18 в направлении 12 во внутреннюю полость конусообразного флюгера 10 и выходит из него через расширяющуюся часть усеченного конуса в направлении 13, увлекая за собой воздушный поток 1. Под действием воздушного потока 1 основное и дополнительное колеса и их соответствующие соосные валы 7 и 6 начинают вращаться в противоположных направлениях. Конические зубчатые колеса 11 и 9, установленные на валах 7 и 6, тоже вращаются в противоположных направлениях. Сопряженная с зубчатыми коническими колесами 11 и 9 зубчатая коническая шестеренка 15 передает сформированный крутящий момент на вал 16 электрогенератора 17 и выполняет функцию дифференциала и повышающего обороты редуктора. Коническая зубчатая шестеренка 15 гарантирует равные (одинаковые) по модулю скорости вращения валов 6 и 7 ветроколес, обеспечивая суммарный нулевой кинетический момент этих ветроколес.
Появление слабого ветра 1 увеличивает скорость вращения ветроколес и, соответственно, увеличивается рабочий крутящий момент на валу 16 электрогенератора 17. Отсутствие суммарного кинетического момента вращающихся в противоположных направлениях ветроколес облегчает работу флюгера 10, с помощью которого и при участии в работе всех лопаток 2 и 5 ветроколес достигается максимальное значение коэффициента использования ветра. Кроме того, отсутствие кинетического момента вращающихся ветроколес продлевает срок службы подшипников флюгера 10 и торцовой части 14 воздуховытяжного канала 18.
При увеличении скорости ветра 1 до ураганного увеличивается число оборотов ветроколес и растут центробежные силы, под действием которых подпружиненные лопасти 2 и 5 поворачиваются относительно продольных осей спиц 3 и 4 на угол 90° уменьшая при этом угол атаки лопастей 2 и 5 до нулевого значения, что позволяет стабилизировать частоту вращения вала 16 электрогенератора 17. С уменьшением напора ветра 1 подпружиненные лопасти 2 и 5 возвращаются в исходное положение.
Промышленная осуществимость полезной модели обосновывается тем, что в ней используются известные в аналоге и прототипе узлы и блоки по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе изготовлен действующий макет заявленного устройства в 2012 году.
Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что, во-первых, повышается в два раза коэффициент использования ветра за счет включения в работу всех лопаток 2 и 5 ветроколес, а не половину из них, как это имеет место в прототипе. Во-вторых, увеличивается не менее чем на 20…30% долговечность ветроустановки путем взаимной компенсации кинетических моментов двух соосно вращающихся в противоположные стороны ветроколес и, в-третьих, расширяется диапазон изменения возможной скорости ветра от нуля (штиль) до урагана путем использования потоков воздуха разности давления воздуховытяжного канала при малой скорости ветра и за счет автоматического уменьшения угла атаки лопастей ветроколес под действием центробежной силы при ураганном ветре.
Источники информации:
1. Патент RU №2018028 на изобретение «Ветроэлектрический агрегат», МПК F03D 1/02, приоритет: 22.01.1991, автор и патентообладатель: Будревич Ч.К. Али, (аналог).
2. Патент RU №2426004 на изобретение «Ветроэлектрическая станция для многоэтажных зданий и сооружений», МПК F03D 3/02, F03D 3/02 приоритет: 17.11.2009 г., патентообладатель: ФГО УВПО «Донской ГАУ», (прототип).