ВЕТРОВОЕ КОЛЕСО-ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области ветровой электроэнергетики и может быть использована в ветровых электроустановках для получения электрической энергии постоянного тока.
Известно ветроколесо, содержащее на корпусе колеса подпружиненные поворотные лопасти, центр давления которых смещен от центра поворота лопастей на такое расстояние, что под действием напора ветра лопасти поворачиваются, уменьшая их угол атаки и стабилизируя тем самым скорость вращения ветроколеса [1].
Недостаток известного ветроколеса состоит в том, что автоматическое регулирование частоты вращения ветроколеса происходит в зависимости лишь от напора ветра. Центробежная сила, значение которой задает нагрузка на валу ветроколеса, не учитывается, что не обеспечивает высокой точности регулирования числа оборотов ветроколеса. Кроме того, ветроколесо не вырабатывает электрической энергии.
Наиболее близким к предлагаемому известным техническим решением в качестве прототипа является ветроэлектрогенератор, содержащий диаметрально расположенные подпружиненные поворотные лопасти, пары последовательно согласно соединенных между собой диодов и кольцевые токосъемники «плюс» и «минус», поворотные лопасти выполнены с возможностью поворота под действием центробежной силы на 90° при ураганном ветре, обеспечивая нулевой их угол атаки, и на 0° при слабом ветре, обеспечивая максимальный угол атаки, катоды диодов подключены к кольцевому токосъемнику «плюс», аноды диодов подсоединены к токосъемнику «минус» [2]. Кроме того, известный ветроэлектрогенератор содержит дополнительное соосное ветроколесо, вращающееся в противоположном направлении, флюгер и электрогенератор постоянного тока, ротор и статор которого вращаются в противоположных направлениях, обеспечивая высокий КПД генератора и большой срок службы подшипников флюгера ветровой электроустановки за счет взаимной компенсации кинетических моментов вращения ветроколес в противоположных направлениях.
Недостаток прототипа состоит в том, что под напором ветра свободные концы лопастей прогибаются, затрудняя их автоматический поворот относительно их продольных осей и радиальное перемещение под действием центробежной силы, что снижает точность автоматического регулирования числа оборотов ветроколеса при изменении скорости ветра в широком диапазоне. Кроме того, известные ветроколеса не вырабатывают электрической энергии без электрогенератора, что свидетельствует об их ограниченных функциональных возможностях ветроколеса только преобразовывать ветровую энергию в механическую энергию, не генерируя при этом одновременно электрическую энергию.
Целью полезной модели (техническим результатом) является расширение функциональных возможностей ветрового колеса не только преобразовывать ветровую энергию в механическую энергию вращающегося колеса, но и одновременно вырабатывать электрическую энергию в качестве электрогенератора постоянного тока за счет наделения диаметрально расположенным лопастям ветроколеса однонаправленных токопроводящих свойств в магнитном поле Земли.
Сущность полезной модели заключается в том, что, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: диаметрально расположенных подпружиненных поворотных лопастей, пар последовательно согласно соединенных между собой диодов и кольцевых токосъемников «плюс» и «минус», поворотные лопасти выполнены с возможностью поворота под действием центробежной силы на 90° при ураганном ветре, обеспечивая нулевой их угол атаки, и на 0° при слабом ветре, обеспечивая максимальный угол атаки, катоды диодов подключены к кольцевому токосъемнику «плюс», аноды диодов подсоединены к токосъемнику «минус», предлагаемое ветровое колесо-генератор содержит диэлектрический обод с радиальными отверстиями, поворотные оси лопастей выполнены из токопроводящего материала, периферийные концы которых установлены в радиальные отверстия диэлектрического обода с возможностью поворота на 90° и радиального перемещения под действием центробежной силы и электрически соединены с периферийным концом токопроводящей поворотной оси диаметрально расположенной лопасти, обращенные к центру ветрового колеса концы токопроводящих поворотных осей лопастей электрически связаны с средней точкой пары согласно соединенных диодов, кольцевые токосъемники «плюс» и «минус» установлены на оси вращения ветроколеса, неподвижные токосъемные контакты которых гибкими проводами подключены к нагрузке колеса-генератора.
Новизна полезной модели состоит в том, что ветровое колесо-генератор содержит диэлектрический обод с радиальными отверстиями, поворотные оси лопастей выполнены из токопроводящего материала, периферийные концы которых установлены в радиальные отверстия диэлектрического обода с возможностью поворота на 90° и радиального перемещения под действием центробежной силы и электрически соединены с периферийным концом токопроводящей поворотной оси диаметрально расположенной лопасти, обращенные к центру ветрового колеса концы токопроводящих поворотных осей лопастей электрически связаны с средней точкой пары согласно соединенных диодов, кольцевые токосъемники «плюс» и «минус» установлены на оси вращения ветроколеса, неподвижные токосъемные контакты которых гибкими проводами подключены к нагрузке колеса-генератора, что обеспечивает расширение функциональных возможностей ветрового колеса не только преобразовывать ветровую энергию в механическую энергию вращающегося колеса, но и одновременно вырабатывать электрическую энергию в качестве электрогенератора постоянного тока.
Электрическая монтажная схема ветрового колеса-генератора изображена на фиг. 1; положения поворотной лопасти при слабом и ураганном ветре показаны на фиг. 2, 3 и 4, 5 соответственно.
На фиг. 1-5 обозначено: 1 - поворотная лопасть ветроколеса; 2 - токопроводящая ось поворота лопасти; 3 - диэлектрический обод с радиальными отверстиями; 4 - радиальные отверстия; 5 - электрический провод, связывающий токопроводящие оси поворотных диаметрально расположенных лопастей; 6 и 7 - вращающиеся кольцевые токосъемники «плюс» и «минус»; 8 - ступица (центральная часть вращающего ветроколеса); 9 - электрический провод, связывающий токопроводящие оси поворотных диаметрально расположенных лопастей; 10 и 11 - неподвижные контакты «минус» и «плюс» вращающихся кольцевых токосъемников; 12 - противодействующая центробежной силе пружина; VD1-VD8 - вращающиеся диоды.
В исходном положении (статика) поворотная лопасть 1 ветроколеса своим периферийным концом токопроводящей оси 2 установлена в диэлектрическом ободе 3 с помощью радиального отверстия 4. Электрический провод 5 связывает между собой периферийные концы токопроводящих осей 2 поворотных диаметрально расположенных лопастей 1. К вращающимся кольцевым токосъемникам «плюс» 6 и «минус» 7 подключены катоды и аноды вращающихся диодов ND1-VD8 соответственно. Ступица 8 составляет центральную часть вращающего ветроколеса. Электрический провод 9, как и провод 5, связывает периферийные концы токопроводящих осей 2 поворотных диаметрально расположенных лопастей. Неподвижные контакты «минус» 10 и «плюс» 11 вращающихся кольцевых токосъемников 7 и 6 связаны с электрической нагрузкой, которая на фиг.1 не показана. Противодействующая центробежной силе пружина 12 одним концом соединена с корпусом ступицы 8, а другим концом с поворотной лопастью 2 ветрового колеса.
Предлагаемое ветровое колесо-генератор работает следующим образом.
При слабом ветре противодействующая пружина 12 втягивает вовнутрь ступицы 8 токопроводящую ось 2 и одновременно поворачивает ее вместе с поворотной лопастью 1 на максимальный угол атаки 90°, обеспечивая максимально возможную скорость вращения ветроколеса, что проиллюстрировано на фиг. 2 и 3. При ураганном ветре центробежная сила преодолевает сдерживающее усилие пружины 12 и перемещает в радиальном направлении токопроводящую ось 2 и, вместе с поворотной лопастью 1, поворачивает их на 90°, обеспечивая минимально возможную скорость вращения ветроколеса, что показано на фиг. 4 и 5. Таким образом, с помощью центробежной силы и противодействующей ей пружины 12 можно стабилизировать скорость вращения ветроколеса.
Так как периферийные концы диаметрально расположенных токопроводящих осей 2 соединены между собой проводами 5 и 9, то при их вращении в магнитном поле наводится в этих проводниках знакопеременная ЭДС. С помощью вращающихся диодов VD1-VD8 осуществляется преобразование переменной ЭДС в постоянную ЭДС, как это осуществляется в известных генераторах постоянного тока с помощью щеточно-коллекторного узла. Наводимая в одном вращающемся проводнике ЭДС (Е) определяется с помощью формулы [3]:
-5
E=B·υ·ℓ=5·10·500-10=0,25 Вольт,
-5
где B - магнитная индукция магнитного поля Земли, которая на средних широтах равна 5-10 тл (в машинах постоянного тока B≈1 тл);
ℓ - длина активного вращающегося проводника в магнитном поле Земли, которая равна примерно 10 м при длине лопасти 2,1 м;
υ - линейная скорость движения токопроводящего проводника ветроколеса при среднем ветре примерно равна 500 рад/с.
Установив 20 поворотных лопаток 1 с токопроводящими осями 2 можно получить с одного ветроколеса ЭДС, равную 5 В. При использовании токосъема с помощью известных щеточно-коллекторных узлов [3], когда для одной пары магнитных полюсов в генераторе постоянного тока подключают одну пару щеток, в предлагаемом ветровом колесе-генераторе с помощью кольцевых токосъемников 6, 11 и 7, 10 ЭДС снимается со всех вращающихся проводников сразу (одновременно), что повышает КПД ветрового колеса-генератора.
Размещая предлагаемое ветровое колесо-генератор вблизи источников магнитного поля, например, вблизи трансформаторных станций, магнитных ускорителей заряженных частиц и др., можно в десятки и сотни раз увеличить мощность производимой электрической энергии постоянного тока.
Промышленная осуществимость полезной модели обосновывается тем, что в ней использованы известные в аналоге и прототипе элементы, узлы и блоки по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе разработана модель заявляемого устройства в 2012 году.
Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что расширяются функциональные возможности ветрового колеса не только преобразовывать ветровую энергию в механическую энергию вращающегося колеса, но и одновременно вырабатывать электрическую энергию в качестве электрогенератора постоянного тока за счет наделения диаметрально расположенным лопастям ветроколеса однонаправленных токопроводящих свойств в магнитном поле Земли.
Источники информации:
1. Патент RU 2161266 на изобретение, Ветроколесо, МПК F03D 7/04, авторы: Панкратов И.И. и др., патентообладатель: ОАО «Тульский завод «Арсенал», приоритет: 09.06.1998 г., (аналог).
2. Патент RU 110420 на полезную модель «Ветроэлектрогенератор», МПК F03D 1/00, авторы: Смирнов Я.Д. и др., патентообладатель: Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики», приоритет: 16.06.2011 г., (прототип).
3. Электротехника. Учеб. пособие для вузов. Под ред. В.С. Пантюшина. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Высш. школа», 1976 г.