Многороторный ветроагрегат
MULTI-ROTOR WIND-DRIVEN UNIT

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в системах энергоснабжения объектов от ветровой энергии.
Все широко используемые ветроустановки с вертикальной осью содержат одно ветроколесо самых разнообразных конструкций, причем во многих вариантах -оснащенное разными ветронаправляющими устройствами.
Известна, например, ветроэнергетическая установка, роторный ветрогенератор которой включает прикрепленные к несущему цилиндру и выполненные плоскими лопасти ротора ветротурбины, размещенного внутри неподвижной системы ветро-направляющих экранов в виде вертикальных отклоняющих пластин (см. патент RU №2390654, кл. F03D 3/04, 2010 г.).
Известен ветродвигатель, содержащий вращающуюся ветротурбину с вертикальной осью вращения, лопасти которой выполнены в виде аэродинамических профилей, где входная закругленная кромка лопасти расположена на большем расстоянии от оси вращения турбины, чем задняя заостренная кромка, при этом наружная грань лопасти образует оптимальный угол атаки с измененным направлением движения воздушного потока, и поворотные щиты, экранирующие лопасти, отличающийся тем, что профиль лопасти ветротурбины выполнен симметричным и образован двумя плавными кривыми различной степени кривизны одного знака, при этом ось симметрии проходит посредине длины профиля лопасти ветротурбины (RU №2267647, F03D 3/04, 2006 г.).
Известен ветродвигатель, содержащий вертикальный вал с прикрепленными к нему плоскими лопастями, механически связанный через зубчатое колесо и редуктор с электрогенератором, отличающийся тем, что вокруг лопастей между верхней и нижней плитами установлены ветронаправляющие стены, одни концы которых расположены у окружности, описывающей лопасти, а другие их концы отведены к периферии, причем противоположные концы соседних стен размещены по одной прямой линии, проходящей через вертикальный вал (RU №2237822, F03D 3/04, 2004 г.).
Известна ветроустановка, содержащая воздухозаборник с регулируемыми вертикальными лопатками, ветроколесо с лопастями, отличающаяся тем, что ветроколесо расположено внутри воздухозаборника, а его лопатки в сечении выполнены в виде полуокружности, концы которых прикреплены к верхнему и нижнему кольцам, нижнее из которых опирается на центрирующие ролики, выполненные с возможностью вращения со скоростью, большей скорости вращения ветрового колеса, и к осям которых подключены преобразователи энергии, а сверху и снизу ветроколеса расположены разрежители (RU №2168060, F03D 3/04, 2001 г.).
Общий недостаток рассмотренных ветроустановок состоит в том, что вся энергия ветропотока, который может быть сконцентрирован до определенного предела, преобразуется только единственным ротором, у которого в этом преобразовании задействовано меньше половины от общего числа лопастей, остальные же создают только дополнительную нагрузку на ротор.
И, таким образом, с учетом всяких усложнений конструкции ветроустановки ее мощность по отношению к капитальным затратам оказывается пониженной.
Основной задачей в разработке заявляемого ветроагрегата является повышение этого показателя до максимально достижимого уровня при обеспечении других важных условий: безопасности и соблюдения комфортных условий на окружающей территории, поддержания стабильного режима работы с общим электрогенератором, возможности использования других преобразователей, например, компрессора при включении ветроагрегата в состав мини-ТЭЦ (патент RU №2643877, 2017.).
Поставленная задача решена разработкой конструкции роторного ветроагрегата, содержащего роторные ветропреобразователи с вертикальной осью вращения, в котором - согласно изобретению - роторные ветропреобразователи выполнены с возможностью передачи вращения на общий вторичный преобразователь энергии, при этом ветроагрегат содержит ветронаправляющий аппарат, представляющий собой конфузор, боковые поворотные пластины которого связаны с датчиком ветрового напора в виде паруса, а роторные ветропреобразователи дополнительно оснащены дефлекторами для распределения ветропотока на большую часть общего числа лопастей каждого роторного ветропреобразователя.
Многороторное исполнение ветроустановки позволяет повысить коэффициент использования энергии ветропотока при максимально возможной степени его сжатия.
Поворотные боковые пластины ветронаправляющего аппарата, связанные, например, конической передачей с парусом - датчиком ветрового напора, обеспечивает и стабильность частоты вращения роторов, и их защиту от запредельных значений скорости ветра.
Оснащение роторов дополнительными дефлекторами обеспечивает воздействие ветрового потока на большее количество лопастей с последующим удалением "отработавшего" потока в ниже расположенное пространство.
Описание заявляемого устройства поясняется его общим видом, представленным на фиг. 1, а также горизонтальным разрезом (вид сверху), показанном на фиг. 2.
Ветроагрегат имеет поворотный корпус, состоящий из нижней наклонной площадки 1, верхней плоскости 2 с уклоном в противоположную сторону, являющейся к тому же и защитой от атмосферных осадков, боковых стенок с поворотными створками 3, при раскрытом положении которых все указанные элементы образуют конфузор ветроустановки, внутри которого установлены фронтальные дефлекторы 4. За ними в общем каркасе установлен на подшипниках ряд роторов 5, кинематически связанных, например, зубчатой передачей с валом вторичного преобразователя - в представленном на фиг. 2 варианте - электрогенератора 6. Блок роторов 5 оснащен дополнительными дефлекторами 7.
Под нижней площадкой 1 на горизонтальной оси подвешен специальный парус 8, кинематически связанный, например, так же конической передачей с поворотными створками 3.
Весь агрегат установлен на мачте 9 с расположенными под ним устройствами передачи энергии во внешнюю сеть.
Работа заявляемого агрегата имеет свои особенности: ветровой поток, сжатый конфузором, с повышенной скоростью устремляется в межлопастное пространство соседних роторов 5 и далее, разделенный дополнительными дефлекторами 7, направляется в сужающемся вихре на каждую последующую лопасть и удаляется в ниже расположенную область. Для этого в нижней площадке 1 между фронтальными дефлекторами 4 имеется специальный проем. В результате более половины числа лопастей каждого ротора 5 под напором ветрового потока передают вращение через общий вал вторичному преобразователю энергии.
Если скорость ветра находится в расчетных пределах, парус 8 под собственным весом удерживает боковые поворотные створки 3 полностью открытыми, что позволяет использовать максимальный фронт ветрового потока. С повышением скорости ветра под его напором парус 8 подымается и створками 3 сужает этот фронт, поддерживая стабильность оборотов роторов 5. При экстремальных ветровых нагрузках створки 3 закрываются, обеспечивая защиту всего агрегата. Верхняя плоскость 2 защищает его от атмосферных осадков.
В варианте с электрогенератором 6 ток во внешнюю сеть передается через кольцевой токосъемник, установленный на мачте 9. В варианте с компрессором используются соответствующие известные передаточные устройства.
Заявляемый многороторный ветроагрегат прост в изготовлении, имеет повышенный коэффициент использования энергии ветра, оснащен простейшей системой автоматического поддержания скорости вращения, защиту от экстремальных ветровых нагрузок, обеспечивает полную безопасность на прилегающей территории (т.е. устраняет "опасную зону"), не создает шумового и визуального дискомфорта.