ВЕТРОВОЕ КОЛЕСО-ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области ветровой электроэнергетики и может быть использована в ветровых электроустановках для получения электрической энергии постоянного тока с использованием энергии магнитного поля Земли в условиях заполярного круга, где диаграмма розы ветров имеет форму, близкую к круговой, и требуется работа флюгера ветровой установки для повышения коэффициента использования энергии ветра.
Из уровня техники известен ветроэлектрогенератор, содержащий диаметрально расположенные подпружиненные поворотные лопасти, пары последовательно согласно соединенных между собой диодов и кольцевые токосъемники «плюс» и «минус», поворотные лопасти выполнены с возможностью поворота под действием центробежной силы на 90° при ураганном ветре, обеспечивая нулевой их угол атаки, и на 0° при слабом ветре, обеспечивая максимальный угол атаки, катоды диодов подключены к кольцевому токосъемнику «плюс», аноды диодов подсоединены к токосъемнику «минус» [Патент RU 110420, МПК F03D 1/00, 2011 г.]. Кроме того, известный ветроэлектрогенератор содержит дополнительное коаксиальное ветроколесо, вращающееся в противоположном направлении, флюгер и электрогенератор постоянного тока, ротор и статор которого вращаются в противоположных направлениях, обеспечивая высокий КПД генератора и большой срок службы подшипников ветроколеса и флюгера ветровой электроустановки за счет взаимной компенсации кинетических моментов вращения ветроколес в противоположных друг другу направлениях.
Недостаток известного устройства состоит в том, что под напором ветра свободные периферийные концы лопастей ветроколеса прогибаются, затрудняя их автоматический поворот относительно их продольных осей и радиальное перемещение под действием центробежной силы, что снижает точность автоматического регулирования числа оборотов ветроколеса при изменении скорости ветра в широком диапазоне. Кроме того, известное ветроколесо не вырабатывает электрической энергии без электрогенератора, что свидетельствует об его ограниченных функциональных возможностях ветроколеса только преобразовывать ветровую энергию в механическую энергию, не генерируя при этом одновременно электрическую энергию.
Наиболее близким к предлагаемому известным техническим решением в качестве прототипа является ветровое колесо-генератор, содержащее ступицу, диэлектрический обод с n радиальными диаметрально расположенными отверстиями, в которые вставлены периферийные концы токопроводящих направляющих подпружиненных поворотных лопастей, другие концы которых соединены со ступицей с возможностью поворота их под действием центробежной силы на 90° при ураганном ветре, обеспечивая нулевой их угол атаки, и поворота на 0° при слабом ветре, обеспечивая максимальный угол атаки, и n пар последовательно согласно соединенных между собой диодов, расположенных на ступице, катоды которых подключены к кольцевому токосъемнику «плюс», аноды диодов подсоединены к токосъемнику «минус», общие точки соединения спаренных диодов соединены с одним концом токопроводящей направляющей поворотной лопасти, другой периферийный конец которой электрически соединен с периферийным концом токопроводящей поворотной оси диаметрально расположенной лопасти, кольцевые токосъемники «плюс» и «минус» установлены на оси вращения ветроколеса, неподвижные токосъемные контакты которых гибкими проводами подключены к нагрузке ветрового колеса-генератора (Патент RU 138865, опубл. 27.03.2014, МПК F03D 7/00).
Недостаток прототипа состоит в его не совсем высокой эффективности преобразовывать энергию ветра в электрическую энергию. Раскрученное ветроколесо формирует большой кинетический момент вращения, вектор направления которого, как у гироскопа, сохраняет всегда свое неизменное направление в мировом пространстве. Суточное вращение Земли или любое изменение направления ветра вызывают разрушение подшипников оси вращения ветроколеса и флюгера ветровых энергетических установок. Поэтому все ветряные мельницы и ветровые электрические станции скандинавских стран не имеют флюгеров. Если диаграмма направленности розы ветров вытянутая и узкая, когда ветер дует только в одну сторону, то потери ветровой энергии из-за отсутствия флюгера являются приемлемы. Другой недостаток прототипа состоит в его не совсем высокой мощности вырабатываемой электрической энергии по причине не высокой скорости вращения ветроколеса до 2000 об/мин и низкой магнитной индукции магнитного поля Земли около 0,001 тл. В типовых генераторах постоянного тока легковых автомобилей скорость вращения ротора до 9000 об/мин и магнитная индукция до 1 тл.
Технической задачей полезной модели является повышение эффективности ветровой электроустановки для получения ветровой электрической энергии постоянного тока, в условиях заполярного круга, где диаграмма розы ветров близка к круговой, и магнитная индукция магнитного поля Земли на 60% больше магнитной индукции на экваторе Земли.
Технический результат полезной модели состоит в том, что повышается производительность ветрового колеса-генератора за счет максимального использования ветровой энергии и повышения скорости пересечения электрическими проводниками магнитного поля с большой магнитной индукцией.
Сущность полезной модели заключается в том, что, кроме известных и общих существенных отличительных признаков, которые характеризуются тем, что ветровое колесо-генератор содержит ступицу, диэлектрический обод с n радиальными диаметрально расположенными отверстиями, в которые вставлены периферийные концы токопроводящих направляющих подпружиненных поворотных лопастей, другие концы которых соединены со ступицей с возможностью поворота их под действием центробежной силы на 90° при ураганном ветре, обеспечивая нулевой их угол атаки, и поворота на 0° при слабом ветре, обеспечивая максимальный угол атаки, и n пар последовательно согласно соединенных между собой диодов, расположенных на ступице, катоды которых подключены к кольцевому токосъемнику «плюс», аноды диодов подсоединены к токосъемнику «минус», общие точки соединения спаренных диодов соединены с одним концом токопроводящей направляющей поворотной лопасти, другой периферийный конец которой электрически соединен с периферийным концом токопроводящей поворотной оси диаметрально расположенной лопасти, кольцевые токосъемники «плюс» и «минус» установлены на оси вращения ветроколеса, неподвижные токосъемные контакты которых гибкими проводами подключены к электрической нагрузке ветрового колеса-генератора, предлагаемое ветровое колесо-генератор содержит мачтовую опору, флюгер и дополнительное ветровое колесо, обод которого выполнен в виде цилиндра, высота стенки которого не менее ширины лопасти основного ветроколеса, которое коаксиально установлено в полости сформированного цилиндра с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения дополнительного ветроколеса, кольцевые токосъемники выполнены ртутными.
Новизна полезной модели состоит в том, что предлагаемое ветровое колесо-генератор содержит мачтовую опору, флюгер и дополнительное ветровое колесо, обод которого выполнен в виде цилиндра, высота стенки которого не менее ширины лопасти основного ветроколеса, которое коаксиально установлено в полости сформированного цилиндра с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения дополнительного ветроколеса, кольцевые токосъемники выполнены ртутными, что обеспечивает повышение производительности ветрового колеса-генератора.
Электрическая монтажная схема ветрового колеса-генератора изображена на фиг. 1; продольное сечение коаксиального ветрового колеса-генератора с флюгером на мачтовой опоре при ураганном ветре показано на фиг. 2.
На фиг. 1 и 2 обозначено: 1 - поворотная лопасть ветроколеса; 2 - токопроводящая ось для поворота и радиального перемещения лопасти; 3 - диэлектрический обод с радиальными отверстиями; 4 - радиальные отверстия; 5 и 9 - электрический провод, связывающий периферийные концы токопроводящих осей поворотных диаметрально расположенных лопастей; 6 и 7 - вращающиеся кольцевые токосъемники «плюс» и «минус»; 8 - ступица (центральная часть вращающего ветроколеса); 9 и 5 - электрический провод, связывающий периферийные концы токопроводящих осей поворотных диаметрально расположенных лопастей; 10 и 11 - неподвижные контакты «минус» и «плюс» вращающихся ртутных кольцевых токосъемников; 12 - противодействующая центробежной силе пружина; 13 - направление ветра; 14 и 15 - постоянные магниты; 16 - стенка цилиндрического обода дополнительного ветроколеса; 17 - подпружиненная ось для поворота и радиального перемещения поворотной лопасти дополнительного ветроколеса; 18 - поворотная лопасть дополнительного ветроколеса; 19 - внутренняя коаксиальная ось вращения основного ветроколеса-генератора; 20 - коаксиальная наружная ось вращения дополнительного ветроколеса; 21 - подшипник коаксиальных ветроколес; 22 - мачтовая опора; 23 - подшипник мачтовой опоры; 24 - лопасть флюгера; VD1-VD8 - вращающиеся спаренные диоды.
В исходном положении (статика) поворотная лопасть 1 ветроколеса своим периферийным концом токопроводящей оси 2 установлена в диэлектрическом ободе 3 с помощью радиального отверстия 4. Электрический провод 5 связывает между собой периферийные концы токопроводящих осей 2 поворотных диаметрально расположенных лопастей 1. К вращающимся кольцевым токосъемникам «плюс» 6 и «минус» 7 подключены катоды и аноды вращающихся спаренных диодов VD1-VD8 соответственно. Ступица 8 составляет центральную часть вращающего ветроколеса. Электрический провод 9, как и провод 5, связывает периферийные концы токопроводящих осей 2 поворотных диаметрально расположенных лопастей. Неподвижные контакты «минус» 10 и «плюс» 11 вращающихся кольцевых ртутных токосъемников 7 и 6 связаны с электрической нагрузкой, которая на фиг. 1 не показана. Противодействующая центробежной силе пружина 12 одним концом соединена с корпусом ступицы 8, а другим концом связана с поворотной токопроводящей осью 2 лопасти 1 ветрового колеса-генератора. Направление ветра отмечено стрелкой 13. Постоянные магниты 14 и 15 с диаметрально расположенными магнитными полюсами N-S установлены на наружной поверхности стенки 16 цилиндрического обода дополнительного ветроколеса. Подпружиненная ось 17 для поворота и радиального перемещения поворотной лопасти 18 дополнительного ветроколеса выполнена с возможностью как и токопроводящая ось 2 перемещаться в радиальном направлении под действием центробежной силы. Внутренняя коаксиальная ось 19 вращения основного ветроколеса-генератора установлена внутри коаксиальной наружной оси 20 вращения дополнительного ветроколеса. Подшипник коаксиальных ветроколес 21 установлен на мачтовой опоре 22 с помощью подшипника 23 мачтовой опоры 22. Лопасть флюгера 24 обеспечивает поворот осей вращения ветроколес против направления 13 ветра. Общие точки соединения спаренных вращающиеся диодов VD1-VD8 подключены к центральным концам токопроводящих осей 2, периферийные концы которых электрически соединены с периферийными концами токопроводящих осей 2 диаметрально расположенных поворотных лопастей 1, образуя вращающие замкнутые через вращающиеся спаренные диоды электрические контуры (рамки).
Предлагаемое ветровое колесо-генератор работает следующим образом. При слабом ветре противодействующая пружина 12 втягивает вовнутрь ступицы 8 токопроводящую ось 2 и одновременно поворачивает ее вместе с поворотной лопастью 1 на максимальный угол атаки 90°, обеспечивая максимально возможную скорость вращения ветроколеса. При ураганном ветре центробежная сила вращения ветроколеса преодолевает сдерживающее усилие пружины 12 и перемещает в радиальном направлении токопроводящую ось 2 и, вместе с поворотной лопастью 1, поворачивает их на 90°, обеспечивая минимально возможную скорость вращения ветроколеса. Таким образом, с помощью центробежной силы и противодействующей ей пружины 12 можно стабилизировать скорость вращения ветроколеса известным в прототипе образом.
Так как периферийные концы диаметрально расположенных токопроводящих осей 2 соединены между собой проводами 5 и 9, то при их вращении в магнитном поле Земли наводится в этих проводниках знакопеременная ЭДС.С помощью вращающихся спаренных диодов VD1-VD8 осуществляется преобразование переменной ЭДС в постоянную ЭДС, как это осуществляется в известных генераторах постоянного тока с помощью щеточно-коллекторного узла. Наводимая в одном вращающемся проводнике ЭДС (Е) определяется с помощью формулы [Электротехника. Учеб. пособие для вузов. Под ред. B.C. Пантюшина. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Высш. школа», 1976]:
-5
где B - магнитная индукция магнитного поля Земли, которая на средних широтах равна 5·10 тл (в машинах постоянного тока B≈1 тл) и на 60% больше в заполярном круге;
ℓ - длина активного вращающегося проводника в магнитном поле Земли, которая равна примерно 10 м при длине поворотной лопасти 1 около 2,1 м;
u - линейная скорость движения токопроводящей оси 2 (проводника) ветроколеса-генератора при среднем ветре примерно равна 500 рад/с;
n - число пар поворотных лопастей и спаренных диодов.
Установив n=20 поворотных лопастей 1 с токопроводящими осями 2 можно получить с одного ветроколеса ЭДС, равную 5 В. При использовании токосъема с помощью известных щеточно-коллекторных узлов [Электротехника. Учеб. пособие для вузов. Под ред. B.C. Пантюшина. Изд. 2-е, перераб. и доп.М., «Высш. школа», 1976], когда для одной пары магнитных полюсов в типовом генераторе постоянного тока подключают одну пару щеток, в предлагаемом ветровом колесе-генераторе с помощью кольцевых токосъемников 6, 11 и 7, 10 ЭДС снимается со всех вращающихся проводников (2, 5 и 9) сразу (одновременно), что повышает КПД ветрового колеса-генератора. Вместо известных кольцевых токосъемников предлагается установить ртутные токосъемники (патент RU 145036, 2014 г.), которые обеспечивают минимальные потери электрической энергии при слабом ветре.
Размещая известное ветровое колесо-генератор (патент RU 145036) вблизи источников сильного магнитного поля, например, вблизи трансформаторных станций, линий электропередач, магнитных ускорителей заряженных частиц и др., можно в десятки и сотни раз увеличить мощность производимой электрической энергии постоянного тока, но при этом образуются большие потери электрической энергии в этих источниках магнитного поля по причине замены окружающего диэлектрического воздушного пространства токопроводящими вращающимися проводниками (2, 5 и 9). Предлагается увеличить магнитную индукцию B не менее чем на порядок магнитного поля, в котором вращаются электрические проводники (2, 5 и 9) ветроколеса-генератора, разместив их внутри цилиндрического обода, стенки 16 которого сформированы дополнительным ветроколесом. На наружную поверхность стенки 16 цилиндрического обода дополнительного ветроколеса установлены постоянные магниты 14 и 15 с диаметрально расположенными магнитными полюсами N-S, которые увеличивают магнитную индукцию B в формуле (1).
Увеличение более чем на порядок и линейной скорости движения токопроводящей оси 2 (проводника) ветроколеса-генератора достигается за счет противоположного по направлению вращения коаксиально расположенного дополнительного ветроколеса с поворотными лопастями 18, на наружной поверхности цилиндрического обода которого установлены вращающиеся постоянные магниты 14 и 15.
Так как направления вращения основного ветрового колеса-генератора и дополнительного ветроколеса противоположны друг другу и имеют одинаковые вращающиеся массы, то суммарный кинетический (гироскопический) момент вращения ветроколес ветровой энергетической установки близок к нулю, что облегчает работу подшипников 21 и 23 мачтовой опоры 22 для поворота лопасти флюгера 24. Флюгер 24 обеспечивает максимальное использование ветровой энергии, так как в заполярном круге на территории Российской Федерации диаграмма розы ветров имеет вид, близкий к кругу. В скандинавских странах диаграмма розы ветров имеет вытянутую форму и острой необходимости использования флюгера в ветровых установках нет. За счет точного метеопрогноза и хороших подъездных путей к ветровым установкам регулирование парусности ветроколес осуществляется вручную без центробежного регулятора.
Промышленная осуществимость полезной модели обосновывается тем, что в ней использованы известные в аналоге и прототипе элементы, узлы и блоки по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе разработана модель заявляемого устройства в 2014 году.
Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что повышается не менее чем на порядок производительность ветрового колеса-генератора за счет коаксиального размещения дополнительного ветроколеса с постоянными магнитами 14 и 15 на мачтовой опоре 22 с флюгером 24.