ВЕТРОУСТАНОВКА ПАРУСНОГО ТИПА
SAIL-TYPE WINDMILL

Устройство относится к ветроэнергетике и может быть использовано для электроснабжения различных автономных потребителей энергии, преимущественно для фермерских хозяйств, коттеджей, личных домов и удаленных эксплуатационных пунктов различных отраслей народного хозяйства.
Известны устройства, применяющие для повышения использования кинетической энергии ветра различные конструкции конфузоров и парусов [1, 2].
Недостатком их является громоздкость [1, 2] и малая эффективность из-за существенного снижения скорости ветра в конфузорах [1].
Наиболее близким аналогом является устройство, использующее в качестве ветроуловителя два складывающихся паруса-полуконфузора [3]. Но и ему свойственны громоздкость и невысокий коэффициент использования энергии ветра из-за потерь энергии от рассеяния ветра в полуконфузорах.
Целью изобретения является повышение эффективности использования энергии ветра.
Указанная цель повышения использования энергии ветра достигается путем усиления воздействия на ветроколесо двух факторов - усиления скорости ветра и повышения силы давления на ветроколесо от большей массы воздуха с помощью паруса-полуконфузора с дополнительными боковыми и центральными шторками.
Заявленный технический результат достигается в ветроустановке, включающей мачту, прикрепленный шарнирно к ней парус-полуконфузор, выполненный с возможностью изменения угла атаки с помощью пружины или контргруза, размещенное в конце паруса в узкой его части многолопастное ветроколесо, установленное с возможностью поворота на шарнире пропорционально давлению ветра, и генератор, при этом парус-полуконфузор укреплен на мачте под углом к направлению ветра и снабжен шарнирно прикрепленными к нему боковыми шторками, а также центральными шторками, установленными в узкой его части с образованием щелевых проемов для улавливания отраженного от паруса потока и эжектирования дополнительного потока с направлением его на ветроколесо.
Парус-полуконфузор представляет собой суживающийся канал в виде трубы, разрезанной по всей ее продольной оси пополам в горизонтальной плоскости, что обеспечивает снижение потерь энергии на трение и скорости потока воздуха в полуконфузоре в два раза за счет отсутствия второй половины поверхности полуконфузора, одновременно увеличивается объем воздуха, захватываемый эжекцией рассеченного по всей длине суживающегося канала.
Устройство ветроустановки парусного типа (фигуры 1 и 2) включает один самоориентирующийся на направление ветра парус-полуконфузор 2, укрепленный на вращающейся мачте 1 в опорном подшипнике 12.
Ветроустановка включает также ветроколесо 3 с креплением лопастей в обечайке 4, вал ветроколеса 5, гибкий вал 6 привода генератора 7, трос 8, ролики 9 вывода троса 8, пружину (или контргруз) 10, шаровой подшипник 11, площадку 13 упорного подшипника 12, растяжки 14 крепления мачты, раму шарнирного крепления 15 ветроколеса 3 к парусу 2, боковые шторки 16, закрепленные шарнирно к парусу, кронштейн 17 крепления паруса к мачте, шарнирное соединение 18 кронштейна 17 к мачте 1, трос 19 вывода ветроколеса с парусом из-под ураганного ветра параллельно ветровому потоку, пружину 20 крепления троса 19 к кронштейну 21 рамы 15 ветроколеса (фигура 2).
Дополнительно к парусу-полуконфузору в узкой его части установлены под углом центральные шторки 22 для улавливания ветрового потока, отраженного от паруса и направления его и эжектированного воздуха на ветроколесо, увеличивая мощность ветроустановки.
Устройство работает следующим образом. Парус-полуконфузор 2 укреплен на мачте 1 кронштейном 17 и шарниром 18 под исходным углом 45°-60° по направлению к ветру, что обеспечивает оптимальное разложение векторов скорости ветра и усиления ветрового потока перед ветроколесом.
Ветроколесо установлено шарнирно в раме 15 на валу 5 в узкой части паруса-полуконфузора 2 с возможностью поворота рамы шарнирного крепления 15 ветроколеса в раме 24 паруса. Вращение ветроколеса 3 передается через гибкий вал 6 к генератору 7 (фигуры 1 и 2).
Ориентация паруса 2 на направление ветра обеспечивается вращением его на 360° вокруг своей оси вместе с мачтой 1 в опорном подшипнике 12 за счет давления воздуха на боковую поверхность паруса, выполняющую роль флюгера.
Стабилизация частоты вращения ветроколеса при увеличении скорости ветра обеспечивается поворотом паруса-полуконфузора в вертикальной плоскости (на угол <45°) за счет повышения давления ветра и тросового соединения 8 через ролики 9 мачты 1 с пружиной 10 (или контргрузом), а также поворотом ветроколеса с рамой 15 с уменьшением его сметаемой поверхности. Кроме того, при усилении скорости ветра дополнительно способствуют стабилизации частоты вращения ветроколеса боковые шторки 16 путем их раскрытия на шарнирах во внешнюю сторону паруса и рассеивания воздушной массы.
При номинальной скорости боковые шторки снижают потери объема ветрового потока от рассеяния, направляя его внутрь полуконфузора, т.е. увеличивают его поступление на ветроколесо.
При снижении скорости ветра угол наклона паруса-конфузора увеличивается (>45°) за счет снижения давления ветра, но при этом автоматически в полуконфузоре увеличивается объем воздуха и скорость его поступления на ветроколесо.
Установленные в узкой части полуконфузора центральные шторки 22 с образованием щелевых проемов между шторками улавливают отраженную парусом часть ветрового потока и увеличивают конусную поверхность паруса с увеличением поступающего на ветроколесо объемом ветрового потока за счет дополнительной эжекции воздуха на ветроколесо через щелевые проемы между шторками и парусом, что повышает давление ветра на ветроколесо и общий коэффициент полезного действия ветроустановки.
Ежесекундная сила давления ветра Q при постоянной площади сечения ветроколеса F и удельном весе воздуха γ зависит от скорости ветра V [4]:
Восполнение конусной поверхности полуконфузора в узкой его части центральными шторками обеспечивает усиление скорости ветра обратно пропорционально квадратам диаметров полуконфузора
(закон Бернулли) и, следовательно, увеличение давления ветра на ветроколесо. При этом секундная работа ветроколеса (мощность) увеличится пропорционально третьей степени усиленной скорости ветра
то есть повышается КПД установки.
Предлагаемая конструкция реализована изготовлением опытных образцов ВЭУ-ПТ-1 с диаметром ветроколеса в 1,5…3 м (4 шт.) шириной и длиной паруса соответственно 3 и 3,3 м, углом атаки ветра на парус 45°. Испытания показали усиление скорости ветра в узкой части полуконфузора в 1,8…2 раза и, следовательно, мощности ветродвигателя пропорционально 3 степени скорости ветра в 7…8 раз.
Таким образом, однопарусная конструкция ветроустановки менее громоздка, чем двухпарусная, позволяет ориентацию на направление ветра, как и двухпарусная, и имеет больший коэффициент использования энергии ветра (меньше потери энергии) за счет дополнительной установки боковых и центральных шторок. Боковые шторки, кроме того, дополнительно способствуют стабилизации частоты вращения ветроколеса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. «Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках». М., Изд. МСХ СССР, 1957 (аналог).
2. Проценко А.Н. Ветроустановка. Патент.
3. Патент РФ №2099590. К.Н.Штубов, В.Т.Ольшевская. Ветроустановка парусного типа (прототип).
4. Е.М.Фатеев. Ветродвигатели. М., Машгиз, 1962.