Многоярусное ветроэнергетическое устройство

Полезная модель относится к ветряным двигателям с осью вращения ротора, перпендикулярной воздушному потоку, входящему в ротор.
Полезная модель может быть использована в качестве автономной генерирующей энергоустановки для удовлетворения нужд отдельных потребителей в электроэнергии, а также как дополнительный источник электрической энергии в общей энергосистеме.
Из уровня техники известен вертикально-осевой ветрогенератор, имеющий средства взаимодействия с воздушным потоком, включающие соединенные с установленным в каркасе с возможностью вращения на подшипниковых опорах, связанным с ротором электрогенератора валом рабочие пластины, изогнутые в вертикальной и горизонтальной плоскости, причем в вертикальной плоскости рабочие пластины изогнуты по спирали, при этом средства взаимодействия с воздушным потоком выполнены в виде дополнительно введенных, соединенных со свободными концами рабочих пластин и разнесенных в осевом направлении по меньшей мере тремя кольцами таким образом, что рабочие пластины размещены между смежными кольцами, при этом рабочие пластины изогнуты в горизонтальной плоскости таким образом, что образуют в любом горизонтальном сечении один период синусоиды, причем рабочие пластины соединены с валом с угловым смещением относительно друг друга на угол от 45 до 90°, а угол поворота по спирали рабочих пластин в вертикальной плоскости составляет не менее 30°[RU123468, МПК F03D 3/00, опубл. 27.12.2012].
Из уровня техники известна энергетическая установка по использованию ветровой и солнечной энергии, содержащая расположенный на фундаменте вертикальный вал с электрогенератором, состоящим из статора и ротора, и коромыслами, на которых установлены лопасти, отличающаяся тем, что на фундаменте дополнительно установлена неподвижная ось, выполненная в виде цилиндрической трубы, вертикальный вал выполнен в виде цилиндрической трубы, охватывающей неподвижную ось, и расположенный соосно с ней, лопасти установлены неподвижно по отношению к коромыслам и имеют аэродинамический профиль, состоящий из выпуклой и плоской поверхности, выпуклая поверхность ориентирована в сторону вращения и выполнена в виде части цилиндра, представляющей собой область цилиндра, отсеченную от него плоскостью, проходящей параллельно его оси, ось цилиндра перпендикулярна оси вертикального вала, плоская поверхность параллельна плоскости, проходящей через ось симметрии неподвижной оси и центральную линию коромысла, и содержит пластины, плоскости которых параллельны основаниям частей цилиндров и перпендикулярны плоским поверхностям лопастей, крайние пластины выполнены гибкими и имеют изгиб в средней части пластин, направленный к центру плоской поверхности, причем лопасти состоят из нескольких параллельных ярусов, разделенных промежутками, верхняя часть неподвижной оси снабжена неподвижной плоской круглой площадкой, на которой установлена солнечная батарея [RU2347942, F03D3/00,опубл. 27.02.2009]
Наиболее близким к заявленной полезной модели является многоярусное ветроэнергетическое устройство содержит вертикальную неподвижную ось; вертикальный вал, выполненный в виде цилиндрической трубы, охватывающей указанную неподвижную ось, и расположенный соосно с ней; электрогенератор, с которым сочленен указанный вертикальный вал, лопасти, выполненные цельными и закреплены на вертикальном валу, по меньшей мере, в два яруса с соблюдением требования центрированности таким образом, что их продольная ось располагается параллельно вертикальной неподвижной оси [US7008171, МПК F03D7/06 опубл. 07.03.2006].
Задачей настоящей полезной модели является расширение арсенала многоярусных ветроэнергетических устройств, обладающих повышенной энергоэффективностью.
Техническими результатом является повышение энергоэффективности многоярусного ветроэнергетического устройства.
Технический результат достигается тем, что многоярусное ветроэнергетическое устройство содержит вертикальную неподвижную ось; вертикальный вал, выполненный в виде цилиндрической трубы, охватывающей указанную неподвижную ось, и расположенный соосно с ней, электрогенератор, с которым сочленен указанный вертикальный вал, лопасти, выполненные цельными и закрепленные на вертикальном валу, по меньшей мере, в два яруса с соблюдением требования центрированности таким образом, что их продольная ось располагается параллельно вертикальной неподвижной оси, при этом лопасти закреплены на вертикальном валу по три в каждом ярусе, причем угол их взаимного расположения равен 120°, и имеют форму полого полуцилиндра с торцевыми перекрытиями, причем каждый ярус смещен по вертикальной неподвижной оси относительно соседнего яруса на 5-60°, образуя спираль.
Существует вариант, в котором лопасти закреплены на вертикальном валу в три яруса.
Существует вариант, в котором каждый ярус смещен по вертикальной неподвижной оси относительно соседнего яруса на 35-48°.
На фиг. 1 приведено изображение трехярусного ветроэнергетического устройства (трехмерный вид).
На фиг. 2 приведено схематичное изображение воздействия ветра на три лопасти одного из ярусов.
На фиг. 3 приведено изображение трехярусного ветроэнергетического устройства, иллюстрирующее смещение каждого яруса по вертикальной неподвижной оси относительно соседнего яруса на 45° с образованием спирали (трехмерный вид).
В частном варианте осуществления полезной модели, на фундаменте 1 (фиг. 1) расположена вертикальная неподвижная ось 2 (фиг. 1, 2), выполненная в виде цилиндрической трубы. Вертикальный вал 3 (фиг. 1, 2) выполнен в виде цилиндрической трубы, охватывающей ось 2, расположен соосно с ней. К валу 3 жестко прикреплены коромысла 4 (фиг. 1, 2) с лопастями 5 (фиг. 1, 2) в три яруса (фиг. 1, 3). Лопасти могут быть выполнены из металла или пластика, в частности, полиэтилена низкой плотности.
В первом примере осуществления полезной модели каждый ярус смещен по вертикальной неподвижной оси относительно соседнего ярусана 45°, образуя спираль (фиг. 3).
Во втором примере осуществления полезной модели каждый ярус смещен по вертикальной неподвижной оси относительно соседнего яруса на 5°, образуя спираль (на фиг. не показано).
В третьем примере осуществления полезной модели каждый ярус смещен по вертикальной неподвижной оси относительно соседнего яруса на 60°, образуя спираль (на фиг. не показано).
Лопасти 5 имеют форму полого полуцилиндра с торцевыми перекрытиями 6, причем их крепление к валу 3 обеспечивается таким образом, что продольная ось полуцилиндра оказывается параллельной оси 2.
Вертикальный вал 3 соосно сочленен с маховиком 7 (фиг. 1), который образует механическую передачу с ответным маховиком 8 (фиг. 1) электрогенератора 9 (фиг. 1). Вал 3 сочленен с осью 2 посредством подшипников (на фиг. не показаны).
К части устройства, включающей вал 3, коромысла 4 и лопасти 5, может быть применен стандартный термин двигателестроения – ротор. Статором в этом случае является неподвижная ось 2, закрепленная в фундаменте 1, и электрогенератор 9.
Многоярусное ветроэнергетическое устройство действует следующим образом.
Ветровая нагрузка на лопасти 5 приводит во вращение вертикальный вал 3 и маховик 7, который, в свою очередь, приводит во вращениемаховик 8, вращающий привод электрогенератора 9. При вращении ротора относительно неподвижного статора происходит преобразование механической энергии вращательного движения в электрическую энергию.
При наличии трех лопастей 5 в каждом ярусе происходит следующее. Ветер, воздействуя на первую лопасть 5 яруса, создает избыточное давление, задавая тем самым вращение лопасти 5, относительно оси 2. Перетекание ламинарного воздушного потока с движущейся выпуклой поверхности второй лопасти 5 на вогнутую поверхность первой лопасти 5 создает условия для дополнительного давления воздушного потока на рабочую (вогнутую) поверхность первой лопасти 5. Вторая лопасть 5 под действием момента вращения попадет в воздушный поток, аналогичным образом получает свой импульс от потока ветра в то время, как первая лопасть 5 еще испытывает давление от потока ветра, что суммирует их вклад в увеличение крутящего момента многоярусного ветроэнергетического устройства. Аналогичные процессы происходят с третьей лопастью 5 по отношению ко второй.
Рабочая (вогнутая) поверхность каждой лопасти 5 располагается с той же стороны по отношению к направлению вращения, что и аналогичные поверхности других лопастей 5. Это позволяет добиться того, что лопасти 5 под воздействием ветра двигаются в одну сторону, синергично, а не препятствуют друг другу в движении.
Выполнение лопастей 5 цельными позволяет устранить места стыков на рабочей поверхности лопасти 5. Места стыков приводят к снижению эффективности многоярусного ветроэнергетического устройства, поскольку в них возникают участки турбулентности воздушного потока и потеря полезной мощности воздушного потока за счет проникновения последнего через щели в стыках.
Использование в каждом ярусе двух лопастей 5 при вращении создает аэродинамические зоны, которые исключают равномерное ветровое давление на лопасти, что приводит к возникновению пульсирующего крутящего момента, вследствие чего вращение электрогенератора приобретает импульсный характер, что выражается в неравномерности вращения и падении энергогенерации.
Наличие трех лопастей 5 в каждом ярусе с взаимным расположением под углами 120° при любом направлении ветра сглаживает пульсацию ротора, обеспечивает равномерное вращение ротора, обеспечивает увеличение производимой работы.
Избыточное количество лопастей 5 (четыре и более) приводит к снижению работы ветра, так как лопасти перекрывают друг к друга от ветрового потока, что приводит к торможению вращения ротора, а, в результате, энергоэффективность многоярусного ветроэнергетического устройства снижается.
Торцевые перекрытия 6 блокируют динамическое «вытекание» воздуха из внутреннего объема, «запирают» воздух во внутреннем объеме полуцилиндра, повышают рабочее ветровое давление на лопасть, обеспечивают увеличение производимой работы и, как следствие, повышают энергоэффективность многоярусного ветроэнергетического устройства.
Для опытной проверки были изготовлены три образца многоярусного ветроэнергетического устройства с лопастями 5 из полиэтилена низкой плотности толщиной 3 мм, в которых каждый ярус смещен по оси 2 соответственно, на 5, 45° и  60° с образованием спирали. Вышеуказанные устройства в условиях сурового климата подтвердили вышеизложенные преимущества в ходе испытаний, имевших место в осенний, зимний и весенний периоды.
Сотни часов наблюдений за работой многоярусной ветроэнергетического устройства при ветре 20 м/с и более показали, что предлагаемое устройство имело скорость вращения, временами превышающую 100 оборотов/мин. При этом устройство работало без нарушений.
Кроме того, были проведены эксперименты, подтверждающие достижение заявленного технического результата.
Так, были выполнены замеры генерируемой электрической мощности на трёхъярусном ветроэнергетическом устройстве, в котором каждый ярус смещен по оси 2 относительно соседнего яруса на 45°, (таблица 1), а также на трёхъярусном ветроэнергетическом устройстве аналогичной конструкции, в котором каждый ярус расположен строго друг над другом, без смещения по оси 2. (таблица 2).
В каждом случае лопасти 5 закреплены на вертикальном валу по три в каждом ярусе, при этом угол взаимного расположения лопастей равен 120°.
Электрическая нагрузка при замерах – кабель греющий, сопротивлением 5,3 Ом. Скорость ветра – 6 м/с. Замеры производились на обоих устройствах (по пять замеров на каждом) в пределах одного часа.
a
Таблица 1. Замеры генерируемой электрической мощности (P) на трёхъярусном ветроэнергетическом устройстве со смещением ярусов по вертикальной оси на 45°
Замеры
1
2
3
4
5
Напряжение (U) на одной фазе, В
30,4
30,1
29,9
29,8
30,3
Мощность (Р<sub>а</sub>), Вт
174,4
170,9
168,7
167,6
173,2
a
Таблица 2. Замеры генерируемой электрической мощности (P) на трёхъярусном ветроэнергетическом устройстве без смещения ярусов по вертикальной оси
Замеры
1
2
3
4
5
Напряжение (U) на одной фазе, В
28,6
28,9
28,7
28,8
28,5
Мощность (Р<sub>а</sub>), Вт
154,3
157,6
155,4
156,5
153,3
Результаты замеров подтверждают снижение энергоэффективности устройства при отсутствии смещения каждого яруса по оси 2.
В ходе экспериментов также показано, что смещение каждого яруса по оси 2 относительно соседнего яруса на 5-60°, предпочтительно 35-48°, с образованием спирали, позволяет получить устойчивое вращение ротора даже при слабой ветровой нагрузке.
В случае смещения каждого яруса по оси 2 относительно соседнего менее, чем на 5°, вращение ротора, с подключенной к электрогенератору нагрузкой, становится нестабильным, пульсирующим, что приводит к снижению энергоэффективности устройства.
Смещение каждого яруса по оси 2 относительно соседнего более, чем на 60°, нецелесообразно, поскольку это приводит к формированию зеркальной спирали.
Таким образом, выполнение лопастей цельными в форме полого полуцилиндра с торцевыми перекрытиями при условии, что лопасти закреплены на вертикальном валу по три в каждом ярусе и угол их взаимного расположения равен 120°, а, кроме того, смещение каждого яруса по вертикальной неподвижной оси относительно соседнего яруса на 5-60° позволяют осуществить полезную модель с достижением заявленного технического результата.