ВЕТРОЭНЕРГОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может использоваться в работающих от энергии ветра установках для выработки преимущественно электроэнергии.
Известны ветроэнергогенераторы, содержащие ротор ветротурбины с преимущественно криволинейными лопастями и ветронаправляющий аппарат, полностью или частично охватывающий ротор ветротурбины и состоящий из преимущественно изогнутых отклоняющих пластин (лопаток), при этом обеспечивается плавное натекание ветрового потока на криволинейные лопасти ротора ветротурбины (например, SU 1721285 А1, 1992; RU 2215898 C1, 2003; US 6309172 B1, 2001; DE 19739921, 1999; GB 2049066 A, 1980; FR 2811720 A1, 2002; EP 1096144 A2, 2001; WO 91/19093, 1991).
Однако все они недостаточно эффективны, не позволяя достичь наибольшего коэффициента полезного действия и не обеспечивая необходимую работу при малых значениях скорости ветра.
Из известных устройств наиболее близким к заявленному является ветроэнергогенератор, содержащий по меньшей мере один энергетический модуль, выполненный с возможностью вертикальной установки дополнительных энергетических модулей над основным и включающий выполненный с вертикальной осью вращения ротор, образованный прикрепленными к несущему цилиндру лопастями и размещенный внутри статора, образованного выполненной соосно с ротором неподвижной системой вертикально расположенных ветронаправляющих пластин, и связанный с несущим цилиндром основной электроэнергетический узел, размещенный в нижней части основного энергетического модуля (RU 2249722 С1, 2005). В этом ветроэнергогенераторе турбинного типа лопасти ротора выполнены в форме аэродинамических крыльев (изогнутыми). Вертикальные ветронаправляющие пластины также выполнены в форме аэродинамических крыльев так, что они своими вогнутыми поверхностями ориентированы в противоположном окружном направлении по отношению к вогнутым поверхностям лопастей ротора. В нижней части основного энергетического модуля установлен электроэнергетический узел блочного типа, связанный с энергетическим модулем преимущественно через редуктор, при этом предусмотрена установка такого узла только на одном (нижнем) энергетическом модуле.
Конструкция такого ветроэнергогенератора не позволяет достичь высокого коэффициента полезного действия, в особенности при минимальном воздушном потоке, что связано с неэффективной работой неподвижной системы ветронаправляющих пластин и лопастей ротора. Кроме того, в установке, состоящей из нескольких энергетических модулей, наличие одного электроэнергетического узла только на одном (нижнем) энергетическом модуле, ограничивает ее возможности и также не позволяет достичь высокого коэффициента полезного действия.
Задача, решаемая полезной моделью, состоит в создании ветроэнергогенератора, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении его коэффициента полезного действия, в том числе при малых скоростях ветра.
Это достигается тем, что ветроэнергогенсратор, содержащий по меньшей мере один энергетический модуль, выполненный с возможностью вертикальной установки дополнительных энергетических модулей над основным и включающий выполненный с вертикальной осью вращения ротор, образованный прикрепленными к несущему цилиндру лопастями и размещенный внутри статора, образованного выполненной соосно с ротором неподвижной системой ветронаправляющих пластин, и связанный с несущим цилиндром основной электроэнергетический узел, размещенный в нижней части основного энергетического модуля, содержит по меньшей мере один связанный с несущим цилиндром дополнительный электроэнергетический узел, один из которых установлен в верхней части основного энергетического модуля, а другие установлены в нижней и верхней частях каждого дополнительного энергетического модуля, при этом основной и дополнительные электроэнергетические узлы выполнены каждый в виде распределенного магнитоэлектрического генератора, каждая ветронаправляющая пластина снабжена связанным с регулятором скорости вращения ротора подвижным сектором, установленным с возможностью телескопического изменения ее площади, лопасти ротора выполнены плоскими и снабжены завихрителями, выполненными в виде изогнутых полосок, а размещение лопастей ротора относительно несущего цилиндра выполнено с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора. Распределенный магнитоэлектрический генератор может быть выполнен в виде ряда электромагнитных катушек, закрепленных вместе с выполненным с разомкнутым контуром магнитопроводом на неподвижном кольце крепления ветронаправляющих пластин, и постоянных магнитов-индукторов, закрепленных на торцах ротора. Подвижной сектор ветронаправляющих пластин в исходном состоянии может быть размещен внутри них или параллельно их плоскости в прижатом к ним состоянии. Каждая из ветронаправляющих пластин может быть выполнена изогнутой радиально вдоль вертикальной оси, при этом лопасти ротора расположены радиально от оси его вращения. Каждая из ветронаправляющих пластин может быть выполнена плоской с возможностью поворота вокруг проходящей по ее внешней кромке параллельно оси вращения ротора оси поворота между двумя ограничительными фиксаторами, размещенными у внутренней кромки ветронаправляющей пластины, при этом лопасти ротора расположены по касательной к несущему цилиндру. Энергетические модули могут быть выполнены с общей осью вращения или с раздельными осями вращения. Ветроэнергогенератор может быть снабжен блоком контроля скорости ветра, выполненным преимущественно в виде тахогенератора, связанным с выполненным электромеханическим регулятором скорости вращения ротора. Ветроэнергогенератор может быть снабжен тормозным узлом, установленным на оси вращения ротора.
Указанный выше технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.
На фиг.1 показан внешний вид варианта выполнения Ветроэнергогенератор из двух энергетических модулей. На фиг.2 показан в разрезе Ветроэнергогенератор с изогнутыми ветронаправляющими пластинами, а на фиг.3 - с плоскими. Фиг.4 иллюстрирует выполнение на лопастях ротора завихрителей. Фиг.5 иллюстрирует выполнение ветронаправляющих пластин с подвижным сектором, размещенным внутри них, а фиг.6 - выполнение ветронаправляющих пластин с подвижным сектором, размещенным параллельно их плоскости. На фиг.7 показана структурная схема ветроэнергогенератора с распределенными магнитоэлектрическими генераторами. На фиг.8 показан фрагмент магнитоэлектрического генератора.
Ветроэнергогенератор содержит по меньшей мере один энергетический модуль 1 турбинного типа с вертикальной осью вращения ротора, выполненный с возможностью вертикальной установки дополнительных энергетических модулей над основным (фиг.1). Энергетические модули 1 в сборке могут быть выполнены преимущественно с общей осью вращения, а также с раздельными осями вращения. Нижний из энергетических модулей (основной) 1 установлен преимущественно на штанге 2. Установка последующих (дополнительных) энергетических модулей 1 один на другой выполнена, например, посредством неподвижного тороидального кольца 3. Верхний энергетический модуль 1 преимущественно снабжен в своей верхней части обтекателем (крышкой) 4. Каждый энергетический модуль 1 включает прикрепленные к несущему цилиндру 5 лопасти 6 ротора, который размещен внутри статора, образованного выполненной соосно с ротором системой вертикально расположенных ветронаправляющих пластин 7. Ветронаправляющие пластины 7 закреплены между горизонтально расположенными неподвижными тороидальными кольцами 3. Ветронаправляющие пластины 7 выполнены каждая с возможностью телескопического изменения ее площади за счет перемещения подвижного сектора 8, связанного с регулятором скорости вращения ротора (на чертежах не показан), который может быть выполнен, например, механическим с ручным приводом или электромеханическим. Подвижной сектор 8 в исходном состоянии может быть размещен внутри ветронаправляющих пластин 7 (фиг.5) или параллельно их плоскости в прижатом к ним состоянии (фиг.6). Перемещение (выдвижение) подвижного сектора 8 может быть осуществлено, например, посредством электромагнитной червячной передачи, например, с использованием направляющих полозьев (на чертежах не показаны). Ветроэнергогенератор может быть снабжен блоком контроля скорости ветра, выполненным преимущественно в виде тахогенератора или иного электрического или электронного устройства, величина выходного электрического напряжения которого зависит от скорости ветра.
Лопасти 6 ротора выполнены плоскими и снабжены завихрителями 9, выполненными в виде изогнутых, преимущественно цилиндрически, полосок (фиг.4). Размещение лопастей 6 ротора относительно несущего цилиндра 5 выполнено с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром 5 щелевого диффузора 10 (фиг.4). Ветроэнергогенератор может быть выполнен в двух вариантах. В первом из них Ветронаправляющие пластины 7 выполнены изогнутыми радиально вдоль вертикальной оси, при этом лопасти 6 ротора расположены радиально от оси вращения ротора (фиг.2). Во втором варианте каждая ветронаправляющая пластина 7 выполнена плоской с возможностью поворота между двумя ограничительными фиксаторами 11 вокруг проходящей по ее внешней кромке параллельно оси вращения ротора оси поворота (фиг.3). Ограничительные фиксаторы 11 размещены у внутренней кромки ветронаправляющей пластины 7. В нижней части основного и дополнительных энергетических модулей 1 и в их верхних частях (на каждом из торцов ротора) установлен распределенный магнитоэлектрический генератор 12 (фиг.7). Каждый из них представляет собой ряд электромагнитных катушек 13, которые вместе с выполненным с разомкнутым контуром магнитопроводом закреплены на неподвижных тороидальных кольцах 3 крепления ветронаправляющих пластин 7, при этом на верхнем и нижнем торцах ротора закреплены постоянные магниты-индукторы 14 (фиг.8). Ветроэнергогенератор может быть снабжен механическим или электромеханическим предохранительным тормозным узлом на оси вращения ротора (на чертежах не показан).
Ветроэнергогенератор работает следующим образом. Ветровой поток поступает на ветронаправляющие пластины 7, ускоряется на них и перетекает на лопасти 6 ротора, в результате чего энергетические модули 1 совершают полезную работу за счет вращения ротора. Ветронаправляющие пластины 7 изменяют вектор скорости потока воздуха, оптимизируя угол его подачи на лопасти 6 ротора. Выполнение ветронаправляющих пластин с изменяемой площадью позволяет понизить разгонную скорость воздушного потока и дополнительно оптимизировать скорость вращения ротора. В случае пониженной скорости ветрового воздушного потока подвижной сектор 8 выдвигается, увеличивая эффективную площадь ветронаправляющих пластин 7, в результате чего захватывается более значительная масса потока воздуха и возрастает скорость вращения ротора. Это позволяет обеспечить эффективную работу ветроэнергогенератора уже при скорости воздушного потока от 3 м/с. После изменения направления воздушного потока ветронаправляющими пластинами 7 он оказывает прямое давление на лопасти 6 ротора, между которыми создается зона повышенного давления, на которой воздушный поток может «срываться», уменьшая эффективную площадь работы лопастей 6 ротора. Избежать этого позволяет создание щелевого диффузора 10 вдоль основания лопастей 6 ротора, который обеспечивает постоянное удаление уплотнения воздуха из области межлопастного пространства. Через щелевой диффузор 10 избыток давления перетекает в залопастное пространство в область пониженного давления с образованием вихревой области. Это сопровождается повышением эффективности отбора энергии набегающего потока воздуха и соответственно повышением коэффициента полезного действия ветроэнергогенератора. Размер щелевого диффузора 10 для конкретных конструкций установок подбирается экспериментальным путем, например, посредством опытного стенда. Для дополнительно отбора энергии механического движения потока воздуха, в том числе той его части, которая соскальзывает с лопастей 6 ротора после их поворота на некоторый угол, служат завихрители 9. При этом на изогнутых полосках завихрителей 9 на плоских лопастях 6 ротора происходит закручивание набегающего на них потока воздуха, что приводит к торможению потока, и, как следствие, к отбору дополнительной энергии от воздушного потока и передаче его ротору, что также вносит вклад в повышении коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки. Схемы движения воздушных потоков показаны стрелками на фиг.4, 5, 6. Для выработки электроэнергии ветроэнергогенератор снабжен электроэнергетическими узлами, выполненными каждый в виде распределенного магнитоэлектрического генератора 12, который при простоте своей конструкции наиболее приспособлен для реализации модульного принципа построения ветроэнергогенератора. При этом каждый его энергетический модуль 1 самостоятельно вырабатывает электрическую энергию, которая суммируясь, позволяет увеличить мощность генерации электроэнергии одним ветроэнергогенератором. Выполнение электроэнергетических узлов в виде распределенных магнитоэлектрических генераторов 12 позволяет устранить необходимость в промежуточных механизмах типа редукторов, обеспечивает возможность плавного изменения электрической мощности и даст дополнительный вклад в повышение коэффициента полезного действия ветроэнергогенератора.
Выполнение ветроэнергогенератора в соответствии с полезной моделью, позволяет повысить его коэффициент полезного действия. По сравнению с известными аналогичными устройствами обеспечиваются повышение коэффициента полезного действия на 10-15% и возможность работы при скорости воздушных потоков от 3 м/с. Функционирование ветроэнергогенератора не зависит от направления ветра, он устойчив к резким его порывам и требует минимальной площади для установки. Реализованный в нем модульный принцип построения упрощает конструкцию и позволяет легко наращивать его суммарную мощность.