Вертикальный ветрогенератор с повышенной производительностью

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям роторного типа с вертикальным валом вращения, и может быть использована в электромашиностроении для повышения КПД ветрогенератора.
На сегодня проблема энергодефицита особо актуальна для удаленных населенных пунктов, в основном Северных районов Российской Федерации. В связи с тем, что основные линии энергопередач находятся на большом расстоянии, из-за большой стоимости прокладка до дальних районов становится невозможной, также из-за условий ландшафта, грунтов, природных условий и так далее. В связи с этим основным источником электроэнергии являются малые электрогенераторы, такие как дизель станции, которые требуют постоянный подвоз горюче-смазочных жидкостей и обслуживание. Что касается центральных районов – электрифицированных, с каждым годом возрастает потребительский спрос, и в дальнейшем будет наблюдаться энергодефицит, что приведет к удорожанию стоимости электроэнергии.
Основным, экологическим, способом покрытия энергодефицита является применение возобновляемых источников энергии – это солнечная радиация и ветровые потоки. Но так как на большей части Северных районов России наблюдается малый световой день и длинные полярные ночи, то для этих районов актуальным является ветроэнергетика.
Если рассмотрим на примере Томской области и конкретно города Томска, то среднегодовая скорость ветра около 2-3 м/с. Большие ветроустановки не будут себя окупать и будут неэффективны, следовательно актуальными являются малые ветрогенераторы. Но в связи с непостоянством ветра, малыми скоростями и его частыми переменами направления стандартный ветрогенератор с вертикальной осью вращения малоэффективен.
Существует множество устройств и патентных решений, которые решают задачу повышения КПД ветрогенератора.
Известна высокоэффективная ветряная турбина с вертикальной осью (патент на изобретение US2018149135, приоритет от 31.05.2018), содержащая два ротора, вращающихся в противоположных направлениях, каждый из которых содержит множество прямых лопастей. Один ротор расположен на первой вертикальной оси, а другой ротор - на второй вертикальной оси. Первая и вторая вертикальные оси расположены на опорной конструкции, проходящей между ними. Опорная конструкция и первая вертикальная ось вращения и вторая вертикальная ось вращения могут вращаться вокруг промежуточной оси вращения, которая расположена в средней точке между первой вертикальной осью вращения и второй вертикальной осью вращения. Угловой защитный экран крепится к раме на промежуточной оси вращения или вокруг нее. Во время работы вершина защитного экрана направлена навстречу встречному ветру. Защитный экран содержит две симметричные отклоняющие поверхности, которые проходят от вершины к роторам. На каждой отклоняющей поверхности расположены один или несколько генераторов вихрей.
Недостатком такой турбины является то, что защитный экран соединен с турбинами и поворачивается по ветру всей системой, для чего необходим усиленный поворотный механизм и привод для поворота, что усложняет конструкцию, а также дополнительные затраты энергии для начальной работы и поддержания системы.
Известен многороторный ветроагрегат (патент РФ на изобретение №2701664 с приоритетом от 10.01.2019), содержащий роторные ветропреобразователи с вертикальной осью вращения, где 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.
Недостатком данного патентного решения является сложность конструкции. Кроме того, при сужении и обтекании ветровой потока имеет турбулентный характер, и в замкнутой системе будет создавать тормозящий эффект, который будет тормозить лопасти, мешая их вращению, что сказывается на производительности системы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является ветровой дефлектор для ветряной турбины (патент на изобретение US2009220339, приоритет от 03.09.2009), имеющий вертикальную поверхность для отклонения ветра, перемещаемую по круговой траектории вокруг ветряной турбины для обращения в преобладающее направление ветра.
Недостатками данного патентного решения является сложность конструкции, что ведет к высокой трудоемкости процесса обслуживания, а также незначительное повышение КПД за счет сложности конструкции, а использование каплевидных лопастей типа Дарье не позволят полностью воспринимать поток ветра, который отводится от защитного экрана.
Задачей полезной модели является создание простой и надежной конструкции вертикального ветрогенератора с повышенной производительностью за счет применения отводящего экрана с поворотной системой.
Техническим результатом заявляемого решения является увеличение срока службы высокопроизводительного ветрогенератора и его автономности.
Технический результат достигается тем, что вертикальный ветрогенератор с повышенной производительностью содержит лопасти, закрепленные на валу и соединенные с генератором посредством гибкой муфты, вал и генератор закрыты в защитном корпусе для защиты от влаги и пыли, а центрирование вала по корпусу выполнено за счет подшипников. Согласно предложенному решению ветрогенератор содержит защитный экран в виде пустотелой половины цилиндра, с двумя посадками под подшипники в верхней и нижней частях и флюгер, который представляет собой прямоугольник с размером, равным радиусу цилиндра, и прикреплен к защитному экрану, при этом лопастей прямолинейных не менее 3.
Флюгер может быть жестко прикреплен к защитному экрану.
Флюгер может иметь форму четверти круга и быть закрепленным на защитном экране с возможностью поворота, ограничен упором с одной стороны, и кронштейном - с другой, позволяющим принимать два положения – вертикальное и горизонтальное.
В верхней и нижней частях защитного экрана могут быть расположены приводы - нижний отвечает за поворот экрана с помощью зубчатого соединения, а верхний – за положения флюгера с помощью кронштейна, кроме того, приводы соединены с блоком управления, который размещен в защитном корпусе вместе с генератором.
Защитный экран с поворотным механизмом выполняет роль отвода воздушного потока, фокусируя поток на одной из сторон лопастей ветрогенератора. Поворотный механизм способствует позиционировать экран на необходимом сегменте лопастей. Позиционирование защитного экрана происходит за счет флюгера, который может быть жестко прикреплен к защитному экрану, который, в свою очередь, находится на одной оси с лопастями ветрогенератора и поворачивается независимо от лопастей. Поворот происходит за счет выравнивания флюгера по направлению ветру. Защитный экран отводит тормозящие воздушные потоки, создаваемые естественным и искусственным ветрами. За счет применения в устройстве ветрогенератора отводящего экрана с механической поворотной системой возможно добиться увеличение КПД на 20% и более.
Кроме того, флюгер может иметь форму четверти круга, быть закрепленным на защитном экране с возможностью поворота и ограничен упором с одной стороны и кронштейном - с другой, позволяющим принимать два положения – вертикальное и горизонтальное, а в верхней и нижней частях защитного экрана могут быть расположены приводы.
Защитный экран для ветрогенератора работает следующим образом.
Воздушный поток, воздействуя на флюгер в вертикальном или рабочем положении, поворачивает защитный экран до выравнивания флюгера по направлению ветру, в нижней части рядом с генератором размещен счетчик оборотов с блоком управления, когда скорость оборотов превышает допустимые значения, подается сигнал на верхний привод, который соединен кронштейном с флюгером, переводит его в горизонтальное или нерабочее положение, одновременно в нижней части защитного экрана привод, отвечающий за поворот экран, приводит в круговое движение защитный экран, поворачивая с заданным шагом, пока обороты не снизятся до безопасного значения. После нормализации оборотов верхний привод возвращает уложенным на защитный экран флюгер в вертикальное или рабочее положение.
Использование в устройстве ветрогенератора прямых лопастей, выполненных из прямоугольников, позволит сэкономить на производстве без потерь мощности устройства и сделать его простым в обслуживании и замене лопастей. Возможен вариант использования от 3 лопастей и более. Простой прямолинейный профиль в системе с данным типом защитного экрана с закрытием от четверти до половины сегментов лопастей обусловлен отсутвием тормозящих потоков ветра, соотвественно нет необходимости в обтекающей форме лопастей.
Экран предствляет собой пустотелый цилиндр, закрывающий от четверти до половины сегментов лопастей. Размещен на одной оси с центром лопастей и вращается независимо за счет закрепления на подшипниках. Свободное и независимое вращениенеобходимо для позиционирования по направлению ветра за счет использования в верхней части пластины, которая используется как флюгер.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства ветрогенератора с вертикальной осью вращения по п.1 формулы.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема устройства ветрогенератора с вертикальной осью вращения по п.4 формулы.
На фиг. 3 схематически представлено движение ветра к ветрогенератору без защитного экрана.
На фиг. 4 схематически представлено движение ветра к ветрогенератору с защитным экраном, где
на фиг. 1 – 4: 1 - генератор , 2 – гибкая муфта для соединения вала генератора с валом лопастей или передача крутящего момента на генератор, 3 –вал, 4 – прямолинейные лопасти типа Савониуса, 5 – защитный экран, 6 – флюгер, 7 – подшипники и место крепления защитного экрана на валу, 8 - набегающий поток ветра, 9 - втулка с магнитным наконечником, 10 – блок управления, 11 – нижний привод, 12 – упор, 13 – верхний привод, 14 – кронштейн, 15 – рама, 16 - отрицательный тормозящий поток ветра, 17 - положительный  движущий поток ветра.
Устройство состоит из генертора 1, соединеного с валом 3 с помощью гибкой муфты 2 для передачи крутящего момента с лопастей на генератор. Лопасти 4 закрепленены с валом 3 жесткой связью для предотвращения прокрутки (возможно с помощью шпонки для быстого съема и замены). С помощью подшипников 7, установленных на валу 3, закреплен защитный экран 5 с возможностью независимого поворота. Флюгер 6 жестко закреплен на защитном экране 5.
Кроме того, в нижней части под защитным экраном 5 может располагаться нижний привод 11, который имеет зубчатое соединение с защитным экраном 5 для возможности поворота. Нижний привод 11 закреплен на раме 15, которая имеет форму прямоугольника и придает жесткость. Под рамой 15 закреплен блок управления 10, который представляет собой датчик оборотов и плату управления. Под блоком управления 10 размещена втулка с магнитным наконечником 9, втулка 9 закреплена на валу 3 для расчета оборотов вала.  В верхней части защитного экрана 5 закреплен флюгер 6. Флюгер 6 повторяет форму верхней части защитного экрана 5 с возможностью закрытия и принятия горизонтального положения. Флюгер 6 ограничен от опрокидывания на лопасти 4 упором 2, который выполняет роль поворотного крепления к защитному экрану 5 и упора. На защитном экране 5 размещен верхний привод 13, который соединен с флюгером 6 с помощью кронштейна 14, позволяющим переводить флюгер 6 из горизонтального (нерабочего положения) в вертикальный (рабочее положение) и обратно. Данный механизм служит для защиты экрана 5 от порывистых ветров. Соединение привода 13 и привода 11 с блоком управления 10 осуществляет за счет кабель канала, размещённого в раме 15.
При поступлении ветра на лопасти 4 набегающий поток ветра 8 воздействует на систему, флюгер 6 вынуждает повернуть для уровновешивания или выравнивания по направлению ветра защитный экран 5, который закреплен на поворотной оси на подшипниках, и перекрыть часть лопастей 4. Поток 8 воздействует на лопасти 4, так как лопасти 4 закреплены на повижной оси, они начинают вращение, которое передается на гибкую муфту 2 и далее на генератор 1. При изменении направления потока 8 происходит поворот на угол, необходимый для выравнивания флюгера 6.
Если же в верхней и нижней частях защитного экрана расположены приводы, а флюгер имеет форму четверти круга, закреплен на защитном экране с возможностью поворота и ограничен упором с одной стороны и кронштейном - с другой, то флюгер 6, выравниваясь по направлению потока 8, поворачивает защитный экран 5, тем самым увеличивая скорость вращения лопастей 4, обороты считываются, блок управления 10, когда обороты превышают допустимые значения, подает сигнал на привод 13, который приводит в горизонтальное положение с помощью кроншетйна 14, флюгер 6, одновременно поворачивая защитный экран 5, с помощью нижнего привода 11 с заданным шагом до снижения оборотов до безопасных для эксплуатации значений, после нормализации или снижения оборотов подается сигнал на верхний привод 13, который возвращает флюгер 6 в вертикальное положение.
Принцип действия заключается в повышении КПД ветроустановки за счет независимого поворачивающегося защитного экрана, который позиционируется в зависимости от направления ветра, закрывая одну из половин лопастей.
Теоретическое обоснование
На фиг.3 представлен варинт без защитного экрана. Воздушный поток 8 как распределенная нагрузка воздействует на одну из сторон ветрогенратора. Поток ветра 8 можно разделить на положительный движущий поток ветра 17 и отрицательный  тормозящий поток ветра 16. Вращения лопастей 4 начинается, когда движущая сила 17 превосходит тормозящую 16 и внутренние сопротивления системы, тогда начанается вращение, в остальное время система находится в неподвижном или колебательном состоянии.
На фиг.4 представлен вариант с защитным экраном 5. Принцип аналогичный, но отрицательный или тормозящий поток 16 отводится от лопастей, оставляя только положительный – движущую силу ветра 17 и внутренние сопротивления системы, увеличивая эффективность системы на 20% и более по сравнению с использованием без защитного экрана 5.
Заявленная конструкция вертикального ветрогенератора может применяться в малой ветроэнергетике и в идеальных условиях производить до 20 кВт электроэнергии. Кроме того, ветрогенератор имеет простую и надежную конструкцию, но при этом повышенную производительность.
Конструкция вертикального ветрогенератора в предложенной совокупности существенных признаков в известных источниках информации не выявлена, что подтверждает ее новизну.
Заявляемый вертикальный ветрогенератор с повышенной производительностью соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку он может быть многократно произведен и использован по своему назначению с достижением указанного технического результата.