ВЕТРОГЕНЕРАТОР
WIND GENERATOR

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в ветроэнергетических установках для повышения эффективности использования энергии ветропотоков, обдувающих лопасти ветроколес.
Известна ветроэнергетическая установка, в которой с целью повышения коэффициента использования энергии ветра осуществляется регулирование угла атаки лопастей ветроколеса в зависимости от скорости ветропотока, активной мощности на выходе ветрогенератора и скорости вращения вала последнего (Патент РФ №132142 U1, дата приоритета 21.03.2013 г., дата публикации 10.09.2013 г., Манусов В.З. и др., RU).
Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность использования в нем энергии ветропотока, что объясняется в конечном счете недостаточно высоким значением подъемной силы, действующей со стороны ветропотока на лопасти ветроколеса и возникающей только за счет несимметричности профиля каждой лопасти и угла ее атаки.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является взятая за прототип ветроэнергетическая установка с независимыми энергоизлучателями лопастей ветроколеса, электропитание которых осуществляется от одного, никак не связанного с ветрогенератором источника электроэнергии, например от аккумуляторной батареи. (Бражников А.В., Минкин А.Н. Ветроэнергетическая установка с независимыми энергоизлучателями лопастей ветроколеса // Современные проблемы науки и образования, №6 (приложение «Технические науки»), 2013 г., с. 39, http://online.rae.ru/pdf/1608, прототип).
Недостатком прототипа является низкий коэффициент полезного действия (КПД) ветроэнергетической установки при малых значениях скорости ветропотока, стремящийся к нулю с уменьшением скорости ветропотока, так как независимо от скорости ветропотока энергоизлучатели лопастей постоянно потребляют одну и ту же мощность от единого независимого (т.е. от одного, никак не связанного с ветрогенератором) источника электроэнергии (например, от аккумуляторной батареи).
Задачей изобретения является увеличение подъемной силы, действующей со стороны ветропотока на лопасти ветроколеса, и увеличение КПД ветрогенератора при малых значениях скорости ветропотока.
Для решения поставленной задачи предложен ветрогенератор, содержащий установленное на валу ветроколесо с лопастями и электрогенератор, причем лопасти ветроколеса оснащены энергоизлучателями, примыкающими непосредственно к поверхностям лопастей, на которые действует подъемная сила при обтекании лопастей ветропотоком и которые отделены от противолежащих поверхностей лопастей энергоизоляционными экранами, при этом согласно техническому решению ветрогенератор выполнен с возможностью осуществления электропитания энергоизлучателей от выходной цепи ветрогенератора посредством обратной электрической связи, при этом входные электрические цепи энергоизлучателей подключены к выходной электрической цепи ветрогенератора, параллельно электрической нагрузке ветрогенератора, через дополнительно подключенный к выходу электрогенератора преобразователь параметров электрической энергии, представляющий собой пассивное электрическое устройство, а также через систему скользящих контактов, состоящую из двух контактных колец, расположенных на внешней поверхности вала ветрогенератора, и контактных щеток.
В качестве энергоизлучателей лопастей ветроколеса могут быть использованы, например, источники теплового излучения (электронагревательные приборы), преобразующие электрическую энергию в тепловое излучение, нагревающие потоки воздуха, обдувающие те поверхности лопастей ветроколеса, на которые воздействует подъемная сила (Патент РФ №RU 130949 U1, дата приоритета 18.02.2013 г., дата публикации 10.08.2013 г., Бражников А.В. и др., RU).
При этом в качестве энергоизоляционных экранов, отделяющих поверхности лопастей ветроколеса, на которые воздействует подъемная сила со стороны ветропотока, обтекающего эти лопасти, и к которым непосредственно примыкают названные энергоизлучатели, от поверхностей лопастей ветроколеса, противолежащих названным выше поверхностям, используются термоэкраны, выполненные из теплоизоляционного материала, например пеностекла.
Ветрогенератор может быть выполнен, например, на базе электрогенератора постоянного тока с самовозбуждением. При этом в качестве преобразователя параметров электрической энергии, включенного между выходной цепью ветрогенератора и входными цепями энергоизлучателей лопастей ветроколеса (параллельно нагрузке ветрогенератора), может быть использован, например, делитель напряжения.
Электропитание энергоизлучателей всех лопастей ветроколеса осуществляется от выходной цепи ветрогенератора через упомянутый выше преобразователь параметров электрической энергии, через два контактных кольца, расположенных на внешней поверхности вала ветрогенератора, и затем через контактные щетки (например, угольные), каждая из которых с одной стороны плотно примыкает непосредственно к одному из вышеупомянутых контактных колец, а с другой стороны - электрически соединена с одним из двух электрических контактов входной электрической цепи энергоизлучателя той или иной лопасти ветроколеса.
Упомянутые выше контактные кольца выполняются из токопроводящего материала, например из меди, и электрически изолируются как от вала ветрогенератора, так и от другого контактного кольца.
Электроэнергия от выходной цепи ветрогенератора (через преобразователь параметров электрической энергии) к вышеназванным контактным кольцам, расположенным на его валу, подводится с помощью другой пары контактных щеток (например, тоже угольных), каждая из которых примыкает к одному из контактных колец. При этом к каждому контактному кольцу примыкают две щетки: одна - электрически соединенная только с одним из контактов выходной электрической цепи преобразователя параметров электрической энергии, а другая - электрически соединенная только с одним электрическим контактом входной электрической цепи энергоизлучателя только одной из лопастей ветроколеса.
Каждая лопасть ветроколеса (так же, как и крыло летательного аппарата, например) имеет две поверхности: во-первых, поверхность, на которую воздействует подъемная сила (активная поверхность), и, во вторых, противолежащая ей поверхность (пассивная поверхность). Обе поверхности соединяются друг с другом следующим образом в задней и передней (по отношению к направлению ветропотока, при котором создается вращающий момент, действующий на лопасти ветроколеса) частях лопасти:
- в задней части лопасти ее поверхности соединяются непосредственно друг с другом, образуя острый угол;
- в передней, утолщенной части лопасти ее поверхности соединяются друг с другом с помощью закругленной кромки лопасти.
Профиль каждой лопасти ветроколеса может быть, например, симметричным. Угол атаки каждой лопасти ветроколеса может быть, например, регулируемым.
Размещение внутри лопастей ветроколеса энергоизлучателей, примыкающих непосредственно к поверхностям лопастей, на которые воздействует подъемная сила при обтекании лопастей ветропотоком, отделенным от противолежащих поверхностей лопастей энергоизоляционными экранами, приводит к возрастанию подъемных сил (Патент РФ №130949 U1, дата приоритета 18.02.2013 г., дата публикации 10.08.2013, авторы: Бражников А.В. и др., RU), действующих на лопасти (при той же мощности ветропотока).
Это следует из приведенных ниже соотношений.
Полная удельная энергия потока воздуха, обтекающего поверхность i-й лопасти ветроколеса, к которой примыкает источник энергоизлучения (т.е. активную поверхность этой лопасти), вследствие нагрева воздуха от энергоизлучателя, расположенного в непосредственной близости от этой поверхности, будет больше полной удельной энергии потока воздуха, обтекающего эту лопасть вдоль противоположной ее поверхности (т.е. пассивной поверхности данной лопасти):
i.1
i.2
где e - полная удельная энергия элементарного потока воздуха, обтекающего поверхность i-й лопасти ветроколеса, непосредственно к которой примыкает энергоизлучатель, на которую воздействует подъемная сила (т.е. активную поверхность этой лопасти); e - полная удельная энергия элементарного потока воздуха, обтекающего противоположную поверхность i-й лопасти (т.е. пассивную поверхность данной лопасти); i - номер лопасти ветроколеса; i ∈ [1;М]; М - количество лопастей ветроколеса. Под элементарным потоком подразумевается плоский поток, вертикальный размер и площадь живого сечения которого стремятся к нулю (Гейер В.Г., Дулин B.C., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. М.: Недра, 1991 г., 331 с.).
В общем случае в соответствии с уравнением Бернулли для полной удельной энергии (Гейер В.Г., Дулин B.C., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. М.: Недра, 1991 г., 331 с.):
i.1
i.2
i.1
i.2
i.1
i.2
i.1
i.2
где u и u - скорости обтекания потоками воздуха соответственно активной и пассивной поверхностей i-й лопасти ветроколеса; γ и γ - значения давлений воздуха соответственно у активной и пассивной поверхностей i-й лопасти ветроколеса; ρ и ρ - значения плотности воздуха соответственно у активной и пассивной поверхностей i-й лопасти ветроколеса; и z z - геометрические высоты соответственно верхней точки пассивной поверхности и нижней точки активной поверхности i-й лопасти ветроколеса; g - ускорение свободного падения.
2
Стандартное (нормальное) значение ускорения свободного падения: g=9,80665 м/с (Политехнический словарь / Под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: Советская энциклопедия, 1989 г., 656 с.).
При симметричном профиле i-й лопасти ветроколеса и угле атаки этой лопасти, равном нулю,
i.1
i.2
В качестве плоскости сравнения потенциальной энергии, от которой отсчитываются величины z и z, всегда может быть выбрана горизонтальная плоскость, удаленная от лопасти ветроколеса настолько, что будет выполняться неравенство
i
где C - абсолютная толщина профиля i-й лопасти ветроколеса, т.е. максимальное расстояние от активной до пассивной поверхностей профиля i-й лопасти в сечении, перпендикулярном хорде этой лопасти;
В этом случае можно считать, что
Тогда неравенство (1) с учетом (2)-(4) и (7) принимает вид
Температура воздуха, находящегося непосредственно вблизи активной поверхности любой лопасти ветроколеса выше не только температуры воздуха, находящегося вблизи противолежащей ей пассивной поверхности, но и температуры непосредственно примыкающих к нему более холодных соседних массивов воздуха. Это объясняется следующим. При передаче энергии от энергоизлучателя любой лопасти частицам воздуха, находящимся непосредственно вблизи активной поверхности этой лопасти, и от одной частицы воздуха к другой, часть этой энергии теряется. При этом затрачиваемая часть энергии превращается в тепловую энергию и расходуется на нагрев воздуха, находящегося непосредственно вблизи активной поверхности данной лопасти.
Поскольку в реальных ситуациях скорость обтекания лопасти воздухом имеет большие значения, то за время обтекания воздухом любой лопасти воздух, находящийся непосредственно вблизи активной поверхности этой лопасти, практически не успевает передать энергию, полученную им от энергоизлучателя, примыкающим к нему более холодным соседним массивам воздуха. Поэтому процессы, протекающие в воздухе непосредственно вблизи активной поверхности лопасти ветроколеса можно рассматривать как адиабатические (т.е. изоэнтропийные; см.: Патент РФ № RU 130949 U1, дата приоритета 18.02.2013 г., дата публикации 10.08.2013 г., Бражников А.В. и др., RU; By Тхань Чунг, В.В. Вышинский. Исследование влияния теплообмена на подъемную силу модели прямоугольного крыла при дозвуковых скоростях // Труды МФТИ. Аэрогидромеханика. 2013 г., том 5, №2. С. 88-93 и др.).
Кроме того, вследствие упомянутой выше скоротечности процессов, происходящих непосредственно вблизи активной поверхности лопасти ветроколеса, эти процессы можно рассматривать не только как адиабатические (изоэнтропийные), но и как изохорные (Патент РФ № RU 130949 U1, дата приоритета 18.02.2013 г., дата публикации 10.08.2013 г., Бражников А.В. и др., RU), т.е. в течение этих процессов плотность воздуха практически не успевает измениться за время обтекания воздухом активной поверхности i-й лопасти, и можно считать, что
Из (8) и (9) следует, что при передаче потоку воздуха, обтекающему активную поверхность i-й лопасти ветроколеса, энергии от энергоизлучателя лопасти, а также вследствие энергоизоляции активной поверхности лопасти от пассивной ее поверхности, выполняется неравенство
что приводит к увеличению подъемной силы, действующей на i-ю лопасть ветроколеса на величину
i
i
где ΔF - увеличение подъемной силы, действующей на активную поверхность i-й лопасти ветроколеса, порожденное только работой энергоизлучателя этой лопасти; S - общая площадь поверхности i-й лопасти, равная сумме площадей активной поверхности лопасти и пассивной ее поверхности.
При этом результирующая подъемная сила, действующая на активную поверхность i-й лопасти ветроколеса, определяется по формуле
i.0
где F - подъемная сила, порожденная ненулевым углом атаки i-й лопасти ветроколеса.
Суммарная подъемная сила, действующая на активные поверхности всех лопастей ветроколеса, определяется по формуле
Σ
где F - суммарная подъемная сила, действующая на активные поверхности всех лопастей ветроколеса.
При подключении входных электрических цепей энергоизлучателей лопастей ветроколеса к выходной электрической цепи ветрогенератора (через преобразователь параметров электрической энергии и систему контактных колец и щеток) система «ветрогенератор - преобразователь параметров электрической энергии - энергоизлучатели лопастей ветроколеса» превращается в замкнутую систему, которая может быть описана с помощью математического аппарата теории автоматического управления (М.М. Лотош. Основы теории автоматического управления. М: Наука, 1979 г., 256 с.).
КПД такой системы при малых значениях скорости ветропотока (особенно при скоростях ветра, близких к нулю) будет выше, чем КПД ветрогенератора с независимыми энергоизлучателями лопастей ветроколеса, электропитание которых осуществляется от единого независимого (т.е. от одного, никак не связанного с ветрогенератором) источника электроэнергии, например от аккумуляторной батареи (последний тип ветрогенератора представлен в следующей статье: Бражников А.В., Минкин А.Н. Ветроэнергетическая установка с независимыми энергоизлучателями лопастей ветроколеса // Современные проблемы науки и образования, №6 (приложение «Технические науки»), 2013 г., с. 39, http://online.rae.ru/pdf/1608, прототип). Это объясняется следующим:
1. В ветрогенераторах второго типа (Бражников А.В., Минкин А.Н. Ветроэнергетическая установка с независимыми энергоизлучателями лопастей ветроколеса // Современные проблемы науки и образования, №6 (приложение «Технические науки»), 2013 г., с. 39, http://online.rae.ru/pdf/1608, прототип) независимо от скорости ветропотока энергоизлучатели лопастей постоянно потребляют одну и ту же мощность от единого независимого (т.е. от одного, никак не связанного с ветрогенератором) источника электроэнергии (например, от аккумуляторной батареи). Это приводит к зависимости КПД такого ветрогенератора от скорости ветропотока: с уменьшением указанной скорости КПД ветрогенератора уменьшается и достигает нулевого значения, когда скорость ветра становится равной нулю.
2. В предлагаемом ветрогенераторе, при питании энергоизлучателей лопастей ветроколеса от выходной электрической цепи ветрогенератора (через преобразователь параметров электрической энергии и систему контактных колец и щеток), величина электрической энергии, потребляемой энергоизлучателями лопастей ветроколеса не будет постоянной, а будет зависеть от скорости вращения ветроколеса (т.е. от скорости ветра): чем меньше скорость ветра, тем меньше скорость вращения ветроколеса, выходное напряжение ветрогенератора и, следовательно, величина электрической мощности, поступающей из выходной электрической цепи ветрогенератора во входные электрические цепи энергоизлучателей лопастей ветроколеса. В результате при малых значениях скорости ветропотока потребление электроэнергии энергоизлучателями лопастей ветроколеса уменьшается, а КПД ветрогенератора при этих скоростях будет больше по сравнению с ветрогенератором с независимыми энергоизлучателями лопастей ветроколеса, электропитание которых осуществляется от единого независимого (т.е. от одного, никак не связанного с ветрогенератором) источника электроэнергии, например от аккумуляторной батареи (т.е. по сравнению с ветрогенератором, представленным в статье: Бражников А.В., Минкин А.Н. Ветроэнергетическая установка с независимыми энергоизлучателями лопастей ветроколеса // Современные проблемы науки и образования, №6 (приложение «Технические науки»), 2013 г., с. 39, http://online.rae.ru/pdf/1608, прототип).
Изложенная сущность поясняется графически в виде схемы предлагаемого ветрогенератора, где 1 - лопасть ветроколеса ветрогенератора, 2 - вал электрогенератора, 3 - выходная электрическая цепь электрогенератора, 4 - электрогенератор (например, постоянного тока), 5 - выходная электрическая цепь преобразователя параметров электрической энергии, 6 - преобразователь параметров электрической энергии, 7 - электроизлучатель лопасти ветроколеса ветрогенератора, 8 - скользящий контакт, состоящий из контактного кольца и контактной щетки (например, угольные), 9 - входная электрическая цепь электроизлучателя лопасти ветроколеса ветрогенератора, 10 - энергоизоляционные экраны.
Устройство работает следующим образом.
На начальном этапе работы ветрогенератора скорость ветропотока, обтекающего лопасти ветроколеса, равна нулю. В этом случае лопасти 1 ветроколеса неподвижны, и вал 2 электрогенератора не вращается. При этом электрическая (активная) мощность в выходной электрической цепи 3 электрогенератора 4, в выходной электрической цепи 5 преобразователя 6 параметров электрической энергии, установленного на выходе электрогенератора 4, и во входных электрических цепях энергоизлучателей 7 лопастей 1 ветроколеса электрогенератора 4 равна нулю.
При возникновении ветропотока, направленного нормально к плоскости ветроколеса ветрогенератора, когда скорость ветра отлична от нуля, возникают подъемные силы, воздействующие на лопасти 1 ветроколеса и приводящие их в движение, а вал 2 электрогенератора 4 - во вращение.
При этом электрогенератором 4 вырабатывается отличная от нуля электрическая (активная) мощность, часть которой передается потребителю (нагрузке электрогенератора 4), а другая часть этой мощности поступает через преобразователь 6 параметров электрической энергии и скользящие контакты 8 к входным электрическим цепям 9 энергоизлучателей 7 лопастей 1 ветроколеса. Энергоизлучатели 7, примыкающие к поверхностям лопастей 1 ветроколеса, на которые воздействует подъемная сила и которые отделены от противолежащих поверхностей лопастей 1 энергоизоляционными экранами 10, получив энергопитание от электрогенератора 4, излучают энергию (например, тепловую), передающуюся потокам воздуха, обтекающим лопасти 1 ветроколеса, к которым примыкают энергоизлучатели 7 лопастей 1. Вследствие этой передачи энергии потокам воздуха возрастают подъемные силы, воздействующие на лопасти 1 ветроколеса ветрогенератора.
Таким образом, технический результат заявляемого ветрогенератора заключается в повышении подъемной силы, действующей на лопасти ветроколеса ветрогенератора, и в повышении КПД ветрогенератора при малых значениях скорости ветропотока.