ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN PLANT

Изобретение относится к экологически чистой ветроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии или выполнения механической работы, например, для создания электростанций в труднодоступных районах.
Известно множество разновидностей ветродвигателей: с горизонтальной (например, карусельные, барабанные) или с вертикальной (крыльчатые, роторные) осью вращения, с плоской формой вращающихся ветроприемных частей или в виде различных криволинейных поверхностей. Все виды ветродвигателей являются преобразователями энергии ветрового потока в механическую работу, которую можно преобразовать в необходимый вид энергии. Основной частью любого из таких ветродвигателей является ветроприемное устройство, непосредственно подверженное действию воздушного или водяного потока и преобразующее кинетическую энергию этого потока в механическую работу. В роторных ветродвигателях ветроприемным устройством являются лопасти, имеющие различную форму.
Известен роторный ветродвигатель с ротором Савониуса (Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. - 1967, стр.18, 19). Ветродвигатель представляет собой каркас, в котором размещена система из четырех попарно соосных полуцилиндров, установленных на горизонтальные диски. Для повышения эффективности работы ветродвигателя вся конструкция поднята на высокую мачту, на которой предусмотрена специальная площадка для обслуживающего персонала. Приводимые механизмы размещаются на земле, в створе между опорами мачты.
Недостатками такого решения является: неравномерная работа ротора при разных скоростях и направлениях ветра и как следствие большой стартовый момент при запуске ветродвигателя; необходимость учета рельефа местности - для работы ветродвигателя предпочтителен рельеф с постоянным и прямым потоком воздушных масс; низкое сопротивление конструкции к сильным порывам ветра и ураганным ветрам, которые могут привести к ее разрушению вследствие общей громоздкости конструкции; сложность технического обслуживания, связанная с необходимостью подъема на мачту.
Наиболее близким, взятым в качестве прототипа является ветроэнергетическая установка (ВЭУ) с роторным ветродвигателем, содержащим каркас, закрепленный на нем с помощью подшипников вал и рабочие лопасти, соединенные с валом с возможностью вращения с ним, при этом рабочие лопасти выполнены в виде пластин с переменной толщиной и шириной, которые в вертикальной плоскости изогнуты по спирали, а в горизонтальной - изогнуты по дуге (патент №2210000, приоритет от 20.06.2002 г. патентообладатель: Секерин Анатолий Петрович). Недостатком конструкции является низкий коэффициент использования энергии потока из-за неравномерности его движения через ротор и неодинаковой реакции разных частей лопасти на поток, что увеличивает его завихрения, паразитное лобовое сопротивление, снижающие в итоге крутящий момент. Наибольший коэффициент использования энергии ветрового потока считался до данного времени 0,4 или 46%. Этот расчет учитывает паразитное лобовое сопротивление не менее 30% и невозможность своевременного ухода отработавшего воздуха, а это не мене 25% энергии общего потока.
К недостаткам прототипа относится также и то, что при снижении или увеличении скорости ветра и, соответственно, снижении или повышении мощности, приходится вручную подсоединять соответствующие приемные механизмы отбора мощности, т.е. нет возможности автоматического подключения разных механизмов отбора мощности.
Задача предлагаемого решения - повышение эффективности ветроэнергетической установки, увеличения мощности ее и обеспечения автоматического переключения механизмов отбора мощности.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известной ветроэнергетической установке, содержащей установленный внутри каркаса ротор вертикального вращения с лопастями переменного сечения и толщины, изогнутыми по вертикали и по горизонтали, маховик, установленный на вторичном валу соосно с ротором и агрегатный блок с размещенными в нем механизмами отбора мощности, согласно заявленному решению, на внутренней поверхности лопастей ротора выполнены волнообразные образования с началом волны от наружной кромки лопасти и с углом возвышения от 0°, с переходом угла возвышения в 2/3 дуги лопасти до 60°, а на закруглении внутренней части лопасти по всей длине ее установлен с зазором к ней элемент серпообразного сечения, при этом маховик дополнительно снабжен системой подвижных секторов, расположенных на направляющих диска маховика и соединенных посредством тросовых соединений с противовесом, который установлен концентрично на вторичном валу с возможностью перемещения по вертикали и снабжен кольцевыми выступами. А также за счет того, что расстояние между гребнями волн от наружной кромки лопасти равно максимальной толщине лопасти, с пропорциональным уменьшением всех размеров волн к центру вращения ротора, а кольцевые выступы противовеса входят в контакт с вилками, закрепленными шарнирно в агрегатном блоке, попеременно подключая агрегаты различной мощности, кроме этого на стойках каркаса установлены закрылки.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении коэффициента полезного действия и оптимизации работы ВЭУ. Технический результат достигается изменением конфигурации внутренней поверхности лопастей, а именно созданием на внутренней поверхности лопастей волнообразных образований в виде волны с началом от наружной кромки лопасти, с углом возвышения от 0° и с переходом угла возвышения в 2/3 дуги лопасти до 60°. Расстояния между гребнями волны равны максимальной толщине лопасти. Такой вид внутренней поверхности лопастей ротора позволяет, не изменяя общего объема занимаемого ВЭУ в пространстве, увеличить общую полезную рабочую площадь лопастей на 15%, что увеличивает отбор кинетической энергии ветра. Форма и направление волны от периферии к центру вращения лопасти с возвышением от 0° до 60° ускоряет подъем воздушного потока вверх с созданием в нижней части ВЭУ более разряженного пространства, в которое устремляются новые воздушные массы. После прохождения центра ротора воздушный поток, отдав основную энергию, стекает с помощью тех же волн на кромки лопастей и уносится попутным ветром, почти не образуя турбулентных образований, что уменьшает паразитное лобовое сопротивление. Поэтому данная форма лопастей эффективнее использует энергию ветра, чем другие известные конструкции.
Дополнительно для увеличения мощности ветроэнергетической установки на закруглении толстой части лопасти по всей длине ее установлен дополнительный элемент серпообразного сечения. Этот элемент в сечении имеет форму крыла и при ветре направленном на выпуклую сторону лопасти создает подъемную силу в направлении вращения ротора. Количество таких элементов зависит от размера диаметра ротора.
Закрепленные на стойках башни ВЭУ закрылки увеличивают плотность потока по направлению вращения ротора и уменьшают паразитное лобовое сопротивление, т.е. закрылки служат для направления ветропотока в нужную сторону, с одной стороны увеличивая, с другой стороны уменьшая плотность потока, что естественно увеличивает к.п.д. и улучшает уход отработавшего воздуха. Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает широкий диапазон использования скорости ветров от 0,5 м/сек. до 50 м/сек.
Преимуществом заявленного решения является также возможность автоматического переключения механизмов отбора мощности за счет того, что маховик дополнительно снабжен системой подвижных секторов, расположенных на направляющих диска маховика и соединенных посредством тросовых соединений с противовесом, который установлен концентрично на вторичном валу и снабжен кольцевыми выступами, которые входят в контакт с вилками, которые закреплены шарнирно в блоке механизмов и при перемещении противовеса, подключают различные агрегаты, находящиеся в блоке, что обеспечивает возможность автоматического подключения соответствующих агрегатов отбора мощности.
Заявленное решение поясняется чертежами.
На фиг.1 - изображен общий вид ветроэнергетической установки;
На фиг.2 - изображен общий вид и разрез A-A на фиг.1
На фиг.3 - изображен маховик (вид сбоку)
На фиг.4 - изображен маховик (вид сверху)
На фиг.5 - показан вырез внутренней поверхности лопасти
На фиг.6 - показан вид сверху на внутреннюю поверхность лопасти
На фиг.7 -показано крепление элемента серпообразного сечения к лопасти и сечение его
Ветроэнергетическая установка представляет собой каркасную башню, состоящую из трубчатых стоек 1, поперечных деталей 2 и пирамидальной вершины 3 с укрепленным внутри каркаса ротором 4 вертикального вращения, который установлен на валу 5 с возможностью вращения. Ротор 4, при помощи вала 5, крепится в верхней части каркаса центрующим радиальным шарикоподшипником 6, а снизу - подшипниковой ступицей 10, установленной в верхней части агрегатного отсека, который собран из стоек 12, опорной площадки 11 и деталей 13. Рабочие лопасти 7 ротора 4 выполнены с переменным сечением и толщиной и изогнуты винтообразно по вертикали и дугообразно по горизонтали. На внутренней поверхности лопастей 7 выполнены волнообразные образования 8 в виде волны, с началом от наружной кромки лопасти с углом возвышения от 0°, с переходом угла возвышения в 2/3 дуги лопасти до 60°. Расстояния между гребнями волнообразных образований лопасти от наружной кромки лопасти равно максимальной толщине лопасти, с пропорциональным уменьшением всех размеров волн к центру вращения ротора.
На закруглении толстой части лопасти 7 по всей длине ее, повторяя конфигурацию внутренней кромки лопасти, установлен с помощью крепежных элементов (не показано) с зазором к лопасти, дополнительный элемент 9 серпообразного сечения. Количество таких элементов зависит от размера диаметра ротора.
Для отбора мощности предусмотрен вторичный вал 14, который через систему сцепления с гидроприводом, связан через карданное соединение 15, с первичным валом 5 и укреплен верхней и нижней ступицами концентрично валу 5. На вторичном валу 14 закреплен маховик 16, содержащий диск 17 с направляющими 18, на которых размещены шесть подвижных секторов 19, которые через тросовые соединения 20 (стальные канатики) связаны с противовесом 21, установленным концентрично на вторичном валу 14. Противовес 21 передвигается по вторичному валу 14 и вращается вместе с ним. На противовесе 21 выполнены кольцевые выступы 22, которые входят в контакт с вилками 23, закрепленными шарнирно в блоке механизмов 24 и при перемещении противовеса, попеременно подключающими различные агрегаты отбора мощности, находящиеся в блоке. Через шестеренчатую или ременную передачу 27 вращение передается валу отбора мощности в блоке механизмов 24, и подключаются генераторы малой мощности до 1 кВт или большей мощности, согласно номинальной для данной ВЭУ, компрессора для использования сжатого воздуха в качестве энергоаккумулятора и т.д.
На стойках 1 каркаса крепятся закрылки 25 для увеличения мощности потока с одной стороны ротора и увеличения разряжения с другой стороны. Каркас легко разборный смонтирован из трубчатых стоек 1 и поперечин 2 и крепится к стойкам 26 агрегатного отсека. Вся конструкция ВЭУ укрепляется через стойки агрегатного отсека 26 к сваям, которые могут забиваться в грунт, крепится к бетонному основанию и т.п. Вся конструкция ВЭУ быстро сборно-разборная состоит из модулей ротора и каркаса башенного типа, это позволяет, не разбирая основы, увеличивать мощность ВЭУ добавляя модули. Конструкция ветроэнергетической установки включает также инвертор 28, аккумулятор 29, электрический щит 30, обшивка агрегатного отсека 31, внутренние растяжки 32, механизм сцепления с гидроприводом 33.
Для увеличения рабочей площади ветроприемных поверхностей, а также для удобства транспортировки рабочие лопасти ротора могут быть выполнены сборными.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Поток движущегося воздуха, набегая на внутреннюю стенку одной из рабочих лопастей 7 ротора 4, благодаря вогнуто-выпуклому винтообразному ее исполнению, автоматически поворачивает лопасти. Движение передается валу 5, который, в свою очередь, передает вращающий момент на второй вал 14. Поток входящего воздуха поднимается винтообразно по лопастям 7. При этом снимаются вихревые потоки с кромок лопастей 7, уменьшается их лобовое сопротивление, и скорость вращения ротора увеличивается. С подъемом воздушных масс вверх, появляется тяга, провоцирующая поступление новых воздушных масс, и все эффекты усиливаются.
Форма и направление волны 8 от периферии к центру вращения лопасти с возвышением от 0° до 60° ускоряет подъем воздушного потока вверх с созданием в нижней части ВЭУ более разряженного пространства, в которое устремляются новые воздушные массы. После прохождения центра ротора воздушный поток отдав основную энергию, стекает с помощью тех же волн на кромки лопастей и уносится попутным ветром, почти не образуя турбулентных образований, что уменьшает паразитное лобовое сопротивление.
Элемент серпообразного сечения 9, установленный для увеличения мощности ветроустановки на закруглении внутренней толстой части лопасти 7 по всей длине ее с зазором к ней, имеет в сечении форму крыла и при ветре, направленном на выпуклую сторону лопасти создает подъемную силу в направлении вращения ротора. Установленные на стойках 1 каркаса ВЭУ закрылки 25 увеличивают плотность потока по направлению вращения ротора и уменьшают паразитное лобовое сопротивление.
Энергия ветра передается от ротора 4 посредствам первичного вала 5 через карданное соединение 15 на вторичный вал 14 и маховик 16, через систему сцепления с гидроприводом, которое позволяет при необходимости отсоединять ротор 4 от маховика 16. Для переключения механизмов отбора мощности, при изменении скорости вращения ротора, на вторичный вал 14 установлен противовес 21, который соединен стальными канатиками 20 через блоки с подвижными секторами 19. Шесть подвижных секторов 19 и диск 17 с направляющими 18, заключенные в корпус (не показано) образуют маховик 16, который накапливает механическую энергию. Подвижные сектора 19 маховика 16 выполняют функцию центробежного регулятора оборотов. На противовесе 21 сделаны кольцевые выступы 22, которые входят в контакт с вилками 23, закрепленными шарнирно в блоке механизмов 24. При работе ВЭУ, под воздействием центробежной силы, подвижные секторы 19 расходятся, двигаясь по направляющим и связанный с ними противовес 21 перемещается вниз по вторичному валу 14, при этом вилки 23 попеременно подключают различные агрегаты находящиеся в блоке механизмов 24, а именно генераторы малой мощности до 1 кВт или большей мощности согласно номинальной для данной ВЭУ, компрессора для использования сжатого воздуха в качестве энергоаккумулятора и т.д. В энергоаккумуляторе происходит накопление энергии, что позволит стабилизировать число оборотов и обеспечить более устойчивую работу ветродвигателя. В отсутствии ветра маховик 16 вращается за счет накопленной энергии.
В случае если скорость ветра будет ниже номинальной (5 м/сек) автоматически отключаются агрегаты кроме маломощного генератора, который будет работать при скорости ветра от 0,5 м/сек. до номинальной. Эта компоновка механизмов, узлов и деталей позволяет использовать энергию ветра со скоростями от 0,5 м/сек до максимальной 50 м/сек.
Предлагаемый роторный ветродвигатель может найти широкое применение, особенно в условиях сельской местности, в геологических партиях, а также в других случаях отсутствия стационарной электросети. Компактность конструкции и ее простота позволяют значительно снизить материалоемкость и в целом себестоимость предлагаемого агрегата, что привлечет к нему внимание потенциальных потребителей.