ВЕТРОЭНЕРГОГЕНЕРАТОР
WIND-DRIVEN POWER GENERATOR

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может использоваться в работающих от энергии ветра установках для выработки энергии, преимущественно электроэнергии.
Известны ветроэнергогенераторы, содержащие ротор ветротурбины с преимущественно криволинейными лопастями и обойму выполненных преимущественно изогнутыми ветронаправляющих пластин, полностью или частично охватывающих ротор, при этом обеспечивается плавное натекание ветрового потока на криволинейные лопасти ротора ветротурбины (например, SU 1721285 А1, 1992; RU 2215898 C1, 2003; RU 2249722 C1, 2005; US 6309172 B1, 2001; DE 19739921, 1999; GB 2049066 A, 1980; FR 2811720 А1, 2002; EP 1096144 A2, 2001; WO 91/19093, 1991).
Однако все они недостаточно эффективны, так как не позволяют достичь наибольшего коэффициента полезного действия и не обеспечивают необходимую работу при небольшой скорости ветра.
Известны также технические решения, заключающиеся в выполнении на пластинах ротора вспомогательных элементов - утолщений крыльевого и сегментного профилей, интерцепторов или углублений (RU 2182258 С2, 1996; RU 2073113 C1, 1997; RU 2120564 С1, 1998 соответственно), при этом декларируется повышение эффективности использования энергии ветра. Однако достигаемое с их помощью повышение коэффициента полезного действия практически крайне незначительно, кроме этого, ухудшаются другие показатели ветроэнергетических устройств. Например, выполнение углублений на фронтальной стороне лопастей ротора не позволяет сколь-либо существенно повысить коэффициент использования энергии ветра, поскольку конструктивно такие углубления не могут иметь необходимые для этого размеры, а их увеличение приводит к потере прочности и ухудшению весовых характеристик ротора.
Известен также ветроэнергогенератор, содержащий размещенный внутри неподвижной обоймы ветронаправляющих пластин ротор с вертикальной осью вращения, образованный прикрепленными к несущему цилиндру лопастями с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора, каждая из которых снабжена на фронтальной стороне своей плоскости выполненными продольными по длине лопастей основными завихрителями (см. патент RU на полезную модель №86672 U1, 2009). В этом ветроэнергогенераторе лопасти выполнены плоскими, а завихрители выполнены в форме изогнутых, преимущественно цилиндрических полосок. Завихрители обеспечивают дополнительный отбор энергии механического движения потока воздуха, в том числе в той его части, которая соскальзывает с лопастей после их поворота на некоторый угол. При этом на завихрителях в форме изогнутых полосок на плоских лопастях ротора происходит закручивание набегающего на них потока воздуха, что приводит к торможению воздушного потока и, как следствие, к отбору от него дополнительной энергии и передаче ее ротору. Это несколько повышает коэффициент полезного действия ветроэнергогенератора.
Однако в нем все же не обеспечивается достижение высокого коэффициента полезного действия, что связано с недостаточно оптимальной геометрией лопастей ротора, не позволяющей в наибольшей степени использовать энергию ветрового потока.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является ветроэнергогенератор, содержащий размещенный внутри неподвижной обоймы ветронаправляющих пластин ротор с вертикальной осью вращения, образованный прикрепленными к несущему цилиндру лопастями с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого отверстия, каждая из лопастей снабжена на фронтальной стороне своей плоскости выполненными по длине лопастей продольными основными завихрителями в виде выступов, перпендикулярных плоскости лопастей Δ-образной или I-образной формы, причем боковые грани выступов Δ-образной формы выполнены вогнутыми или плоскими, а на тыльной стороне плоскости каждой из лопастей на ее вертикальной кромке, ближней к несущему цилиндру оси, выполнен дополнительный завихритель в виде продольного утолщения, имеющего в своем поперечном сечении Δ-образную форму с выпуклой боковой гранью, обращенной к несущему цилиндру ротора (см. патент RU на изобретение №2422673, кл. F03D 3/06, 26.06.2011).
Однако в данном ветроэнергогенераторе не в полной мере использована возможность для повышения его КПД и оптимизации работы ротора при повышенных скоростях ветра и для ветроэнергогенератора повышенной мощности.
Задача, решаемая изобретением, состоит в создании ветроэнергогенератора, лишенного недостатков прототипа.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении коэффициента полезного действия ветроэнергогенератора и оптимизации его работы.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ветроэнергогенератор содержит размещенный внутри неподвижной обоймы ветронаправляющих пластин ротор с вертикальной осью вращения, образованный прикрепленными к несущему цилиндру лопастями с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого отверстия, каждая из лопастей снабжена на фронтальной стороне своей плоскости выполненными по длине лопастей продольными основными завихрителями в виде Δ-образных или I-образных выступов, перпендикулярных плоскости лопастей, причем боковые грани Δ-образных выступов выполнены вогнутыми или плоскими, а на тыльной стороне плоскости каждой из лопастей на ее вертикальной кромке, ближней к несущему цилиндру оси, выполнен дополнительный завихритель в виде продольного утолщения, имеющего в своем поперечном сечении Δ-образную форму с выпуклой боковой гранью, обращенной к несущему цилиндру ротора, каждая ветронаправляющая пластина расположена радиально вдоль оси ротора, выполнена плоской с плавным изгибом в узкой части конфузорного канала, образованного смежными ветронаправляющими пластинами для направления потока, набегающего на ветроэнергогенератор воздуха, под углом от 80° до 90° к продольному сечению лопасти ротора, и снабжена, по крайней мере, одной поворотной, посредством привода, пластиной, расположенной вдоль поверхности ветронаправляющей пластины с осью вращения параллельной оси ротора, а несущий цилиндр снабжен выдвижными пластинами, расположенными радиально и установленными с возможностью радиального перемещения и перекрытия или изменения величины щелевого отверстия между несущим цилиндром и каждой из лопастей ротора.
Ось вращения каждой поворотной пластины может быть расположена в средней части поперечного сечения ветронаправляющей пластины, и на последней установлены две поворотные пластины, расположенные по разные стороны относительно ветронаправляющей пластины.
Ось вращения каждой поворотной пластины может быть расположена со стороны входного участка ветронаправляющей пластины, и на последней расположена одна поворотная пластина или две поворотные пластины по обе стороны ветронаправляющей пластины.
Указанный выше технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.
На фиг.1 показана структурная схема ветроэнергогенератора.
На фиг.2 показан поперечный разрез ветроэнергогенератора с тремя возможными вариантами выполнения ветронаправляющих пластин и системой оптимизации работы ротора.
Ветроэнергогенератор содержит размещенный внутри неподвижной обоймы ветронаправляющих пластин 1 ротор с вертикальной осью вращения. Ротор может иметь диаметр, например, 70 см, а обойма ветронаправляющих пластин - 1,2 м, их высота (длина) может составлять, например, 2,2 м. Ветронаправляющие пластины 1 размещены между неподвижными тороидальными кольцами 2. Ротор образован прикрепленными к несущему цилиндру 3 лопастями 4 с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром 3 щелевого отверстия 5. Несущий цилиндр 3 установлен в подшипниках 6 и механически связан с преобразователем механической энергии вращения ротора в электрическую энергию, например с магнитоэлектрическим генератором (на чертежах не показан). Каждая из лопастей 4 снабжена на фронтальной стороне своей плоскости выполненными по длине лопастей 4 продольными основными завихрителями в виде Δ-образных или I-образных выступов 7, перпендикулярных плоскости лопастей 4, причем боковые грани Δ-образных выступов выполнены вогнутыми или плоскими, а на тыльной стороне плоскости каждой из лопастей на ее вертикальной кромке, ближней к несущему цилиндру оси, выполнен дополнительный завихритель в виде продольного утолщения 14, имеющего в своем поперечном сечении Δ-образную форму с выпуклой боковой гранью, обращенной к несущему цилиндру ротора. Выступы 7 и 14 могут быть выполнены, например, как одно целое с лопастями 4, так и конструктивно представлять собой самостоятельные элементы, жестко соединенные с лопастями 4. Высота каждого из выступов 7 и 14 составляет, преимущественно, от 1:5 до 1:10 по отношению к ширине лопасти 4. Лопасти 4 могут быть выполнены как сплошными (цельнометаллическими), так и полыми. Они могут изготавливаться, например, в виде объемно-полых конструкций из тонкого металла методом прессования. Внутренний объем полых лопастей 4 может быть заполнен полимерным вспенивающимся наполнителем типа твердого пенополистирола.
Каждая ветронаправляющая пластина 1 расположена радиально вдоль оси ротора, выполнена плоской с плавным изгибом 8 в узкой части конфузорного канала 9, образованного смежными ветронаправляющими пластинами 1, для направления потока, набегающего на ветроэнергогенератор воздуха под углом от 80° до 90° к продольному сечению лопасти 4 ротора, и снабжена, по крайней мере, одной поворотной посредством привода (не показан) пластиной 10, расположенной вдоль поверхности ветронаправляющей пластины 1 с осью вращения 12, параллельной оси ротора. Несущий цилиндр 3 снабжен выдвижными пластинами 13, расположенными радиально и установленными с возможностью радиального перемещения и перекрытия или изменения величины щелевого отверстия 5 между несущим цилиндром 3 и каждой из лопастей 4 ротора.
Ось вращения 13 каждой поворотной пластины 12 может быть расположена в средней части поперечного сечения ветронаправляющей пластины 1, и на последней установлены две поворотные пластины 12, расположенные по разные стороны относительно ветронаправляющей пластины 1, либо ось вращения 13 каждой поворотной пластины 12 может быть расположена со стороны входного участка ветронаправляющей пластины 1, и на последней расположена одна поворотная пластина 12 или две поворотные пластины 12 по обе стороны ветронаправляющей пластины 1 (см. фиг.2, где представлены все выше описанные варианты).
Ветроэнергогенератор работает следующим образом.
Ветровой поток поступает на ветронаправляющие пластины 1, ускоряется на них и перетекает на лопасти 4 ротора, в результате чего устройство совершает полезную работу за счет вращения ротора. При этом поток воздуха оказывает прямое давление на лопасти 4, между которыми создается зона повышенного давления. Наличие щелевого отверстия 5 позволяет устранить возможный «срыв» воздушного потока на этой зоне (что уменьшило бы эффективную рабочую площадь лопастей 4) за счет удаления уплотнения воздуха из области межлопастного пространства. Через щелевое отверстие 5 избыток давления передается в залопастное пространство в область пониженного давления с образованием вихревой области. С помощью выдвижных пластин 13 предоставляется возможность изменять или перекрывать щелевое отверстие и, тем самым, регулировать перепад давления, создаваемый на каждой из лопастей 4, а следовательно, регулировать режим работы ротора. Для дополнительного отбора энергии механического движения потока воздуха, в том числе той его части, которая соскальзывает с лопастей 4 после их поворота на некоторый угол, служат основные завихрители на фронтальной стороне лопастей 4. На основных завихрителях, выполненных в виде выступов 7, происходит закручивание набегающего на них потока воздуха, что приводит к его торможению и, как следствие, к отбору дополнительной энергии от воздушного потока и передаче его ротору. При этом на вихреобразование (турбулизацию) существенное влияние оказывает форма и размеры выступов 7. Выступы 7 способствуют вихреобразованию на фронтальной стороне лопастей 4 при различных векторах набегающего потока воздуха, что повышает коэффициент полезного действия ротора. Высота выступов 7 определяется для конкретной конструкции ветроэнергогенератора, например, экспериментально по эффективности увеличения коэффициента полезного действия. Выбор их количества зависит от мощности, на которую рассчитан ротор ветроэнергогенератора.
Выполнение канала между ветронаправляющими пластинами 1 конфузорным позволяет уменьшить долю общего объема ротора относительно образованного ветронаправляющими пластинами 1 статора и соответственно уменьшить вес ротора для ветроэнергогенераторов повышенной мощности. Это положительно скажется на потерях на трение в подшипниковых группах, которые, соответственно, уменьшатся. Поток воздуха, попадая в конфузорный канал, разгоняется в нем по мере его прохождения за счет сужения сечения конфузорного канала (уравнение неразрывности струи), затем меняет направление вектора потока за счет изгиба ветронаправляющих пластин 1 в сторону фронтальной поверхности лопастей 4 ротора и далее попадает на лопасти 4 ротора под углом от 80° до 90° к продольному сечению лопасти 4 ротора, что позволяет максимально использовать кинетическую энергию потока воздуха для преобразования в механическую работу. По мере роста скорости набегающего потока воздуха растет и генерация электроэнергии в электрогенераторе. Чтобы возможные порывы ветра свыше 30 м/с не перегрузили ротор и не привели к его поломке, в просвет конфузорного канала, образованного ветронаправляющими пластинами 1, на его входе или в его средней части устанавливаются поворотные пластины 10 для регулировки проходного сечения конфузорного канала и, как следствие, регулировки скорости входящего воздушного потока (см. фиг.2). При увеличении скорости ветра выше допустимой величины поворотные пластины 10 отклоняются и перекрывают частично или полностью проходное сечение конфузорного канала. Приводиться в движение поворотные пластины 10 могут электромеханическими, пневматическими или гидравлическими исполнительными механизмами. Таким образом, для каждого значения скорости ветра оптимизируются параметры ротора посредством изменения ширины щелевого промежутка щелевого отверстия 5 и проходного сечения конфузорного канала, образованного ветронаправляющими пластинами 10.
Таким образом, достигнуто выполнение технического результата изобретения, заключающегося в повышении коэффициента полезного действия ветроэнергогенератора и оптимизации работы ротора.
Ветроэнергогенератор, выполненный в соответствии с изобретением, обладает более высоким (на 15-20%) коэффициентом полезного действия по сравнению с известными аналогичными. Он более эффективен в эксплуатации и дешевле в изготовлении.
Настоящее изобретение может быть использовано везде, где возможно использование ветровой энергии для получения механической и/или электрической энергии.