Ветроэнергетическая установка
WIND POWER PLANT

Изобретение относится к альтернативной энергетике, использующей воздушную среду для вращения ветроколеса, установленного в ветроэнергетической установке для производства электроэнергии при различных погодных условиях, в том числе при слабом ветре или полном его отсутствии.
Известна ветроэнергетическая установка [RU2644000, МПК F03D 3/04, F03D 9/25, опубл. 06.02.2018], в которой корпус ветроустановки выполнен в форме шара. С целью повышения скорости воздушного потока от нижней части ветроустановки в область пониженного давления на верхней части обтекателя, направляющие ребра выполнены с наклоном, что облегчает движение воздуха и его поворот от горизонтального направления к вертикальному для прохождения через плоскость вращения ветроколеса. Неблагоприятные погодные условия ветер, снег с дождем, посторонние предметы, поднимаемые в воздух сильным ветром и т.д., снижают производительность ветроэнергетической установки из-за возможности попадания метеорологических осадков в плоскость вращения ветроколеса.
Известна также ветроэнергетическая установка [ЕА023719, МПК F03D 3/00, F03D 3/04, опубл. 29.07.2016], в которой корпус известной ветроэнергетической установки выполнен сужающимся от нижней части к верхней части. Обтекатель имеет полусферическую форму, и в верхней части которого от действия ветрового потока создается разряжение, аналогично, как и на выпуклой стороне крыла самолета. Воздушные массы перемещаются от нижней части корпуса, где давление более высокое от кинетической энергии ветра, через плоскость ветроколеса, закрепленного с электрогенератором, вращая его, в верхнюю часть к обтекателю, где давление понижено. Неблагоприятные погодные условия, разнонаправленный ветер, снег с дождем, посторонние предметы, поднимаемые в воздух сильными ветрами и т.д. затрудняют эксплуатацию ветроэнергетической установки. Для обеспечения нормальных условий работы и устранения попадания метеорологических осадков в плоскость вращения ветроколеса, обтекатель перемещают по телескопическим стойкам вниз вплотную к кольцевому обтекателю, тем самым перекрывая доступ осадков и посторонних предметов. Недостатком известного технического решения является слабый перепад давлений между обтекателем и корпусом, что не обеспечивает движение воздуха с высокой скоростью через плоскость ветроколеса, а это ограничивает производительность ветроэнергетической установки.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является ветроэнергетическая установка [RU191593, МПК F03D 3/04, F03D 9/25, H02S 10/12, опубл. 13.08.2019 - прототип], включающая симметричный корпус, сужающийся от нижней части к верхней, над которым установлен обтекатель полусферической формы, боковые ребра, вертикально закрепленные на корпусе, на которых крепится кольцевой обтекатель с выпуклой наружной поверхностью, внутри которого на вертикальном валу электрогенератора, имеющего электрическую связь с аккумуляторной батареей, жестко закреплено многолопастное ветроколесо. Обтекатель полусферической формы имеет в своей нижней части аэродинамический щиток кольцевой формы, при этом обтекатель полусферической формы с аэродинамическим щитком кольцевой формы выполнен с диаметром большим, чем диаметр кольцевого обтекателя с выпуклой наружной поверхностью. Недостаток известного технического решения проявляется в том, что потоки воздуха в природе не имеют постоянной силы действия и направления, в связи с чем выработка электроэнергии происходит неравномерно и/или может прекратиться полностью при минимальном ветре, либо его отсутствии, что приводит к уменьшению производительности многолопастного ветроколеса и, как следствие, ветроэнергетической установки в целом.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение производительности ветроэнергетической установки.
Технический результат достигается тем, что ветроэнергетическая установка включает симметричный корпус, сужающийся от нижней части к верхней, над которым установлен обтекатель полусферической формы, направляющие поверхности, закрепленные на корпусе, кольцевой обтекатель, внутри которого на валу электрогенератора, имеющего электрическую связь с аккумуляторной батареей, жестко закреплено многолопастное ветроколесо. Ветроэнергетическая установка дополнительно содержит постоянные магниты, электромагнит, а также датчик магнитного поля, причем постоянные магниты установлены по окружности в одной горизонтальной плоскости и одним полюсом по направлению к электромагниту с интервалом 30 - 60°, а электромагнит расположен на расстоянии 5 - 20 мм от постоянных магнитов и под углом 45 - 90° к горизонтальной плоскости постоянных магнитов.
Существует вариант, в котором постоянные магниты установлены на многолопастном ветроколесе.
Существует вариант, в котором ветроэнергетическая установка дополнительно содержит маховик, жестко закрепленный на валу электрогенератора, а постоянные магниты установлены на маховике.
Существует вариант, в котором кольцевой обтекатель имеет прямолинейную кольцевую поверхность со своей внешней стороны.
Существует вариант, в котором электромагнит имеет электрическую связь с сетевым источником питания.
Существует вариант, в котором на обтекателе полусферической формы дополнительно установлены солнечные фотоэлементы.
Существует вариант, в котором аккумуляторная батарея имеет электрическую связь с солнечными фотоэлементами.
Существует вариант, в котором электромагнит имеет электрическую связь с аккумуляторной батареей.
Существует вариант, в котором электромагнит имеет электрическую связь с солнечными фотоэлементами.
На фиг. 1 в общем виде представлена ветроэнергетическая установка в частном варианте исполнения.
На фиг. 2 представлен узел ветроэнергетической установки в частном варианте исполнения, включающий электрогенератор с валом, многолопастное ветроколесо, электромагнит, датчик магнитного поля, а также постоянные магниты, установленные на ветроколесе.
На фиг. 3 представлен узел ветроэнергетической установки в частном варианте исполнения, включающий электрогенератор с валом, многолопастное ветроколесо, маховик, электромагнит, датчик магнитного поля, а также постоянные магниты, установленные на маховике.
На фиг. 4 представлена электрическая схема ветроэнергетической установки.
Ветроэнергетическая установка включает симметричный корпус 1 (фиг. 1), сужающийся от нижней части к верхней, установленный на мачте 2 (фиг. 1) с опорой 3 (фиг. 1). На корпусе 1 закреплены направляющие поверхности 4 (фиг. 1). Над корпусом 1 последовательно установлены кольцевой обтекатель 5 (фиг. 1) и обтекатель 6 (фиг. 1) полусферической формы. В частном варианте исполнения на обтекателе 6 установлены солнечные фотоэлементы 7 (фиг. 1). Внутри кольцевого обтекателя 5 установлено многолопастное ветроколесо 8 (фиг. 1б, фиг. 2, фиг. 3), жестко закрепленное на валу 9 (фиг. 1б, фиг. 2, фиг. 3) электрогенератора 10 (фиг. 1б, фиг. 2, фиг. 3), имеющего электрическую связь с аккумуляторной батареей 11 (фиг. 1б). В частном варианте исполнения аккумуляторная батарея 11 имеет электрическую связь с фотоэлементами 7.
Внутри кольцевого обтекателя 5 установлены постоянные магниты 12 (фиг. 1б, фиг. 2, фиг. 3), электромагнит 13 (фиг. 1б, фиг. 2, фиг. 3) с металлическим сердечником и датчик 14 (фиг. 1б, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4) магнитного поля. Постоянные магниты 12 установлены в одной горизонтальной плоскости и одним полюсом по направлению к электромагниту 13. В зависимости от варианта исполнения постоянные магниты 12 могут быть установлены на многолопастном ветроколесе 8, либо на маховике 15 (фиг. 3), который жестко закреплен на валу 9. В зависимости от варианта исполнения электромагнит 13 может иметь электрическую связь с сетевым источником питания, аккумуляторной батареей 11 или солнечными фотоэлементами 7. Выход датчика 14 подключен к полевому транзистору 16 (фиг. 4), который подключен к электромагниту 13. Параллельно электромагниту 13 подключен диод 17 (фиг. 4) обеспечивающий быстродействие катушки 18 (фиг. 4) электромагнита 13.
Ветроэнергетическая установка действует следующим образом.
При наличии ветра, вне зависимости от его направления, воздушные массы перемещаются вдоль направляющих поверхностей 4 и по сужающемуся симметричному корпусу 1 в область пониженного давления, которое образуется на кольцевом обтекателе 5 и обтекателе 6. При своем движении воздушный поток проходит через многолопастное ветроколесо 8, создавая на нем аэродинамические силы и направленные в сторону его вращения.
Ветроколесо 8 вращает вал 9 электрогенератора 10, что приводит к выработке электроэнергии и накапливании её в аккумуляторной батарее 11 для дальнейшей передачи потребителям. Пройдя плоскость вращения ветроколеса 8, воздушные массы продолжают перемещаться в область пониженного давления, которое образуется от ветра на внешней поверхности кольцевого обтекателя 5 и обтекателя 6.
Постоянный магнит 12, проходя через датчик 14 магнитного поля (например, датчик Холла), вызывает на его выходе появление высокого потенциала, что в свою очередь открывает полевой транзистор 16 и происходит подача питания на электромагнит 13. Вследствие прохождения тока, в электромагните 13 возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита 12. Металлический сердечник делает магнитное поле электромагнита 13 более направленным в пространстве, что приводит к отталкиванию постоянного магнита 12.
За счет воздействия отталкивающей (пондеромоторной) силы, происходит страгивание и дальнейшее вращение ветроколеса 8, либо маховика 15. После прохождения постоянного магнита 12 через датчик 14, происходит падение до нуля напряжения на выходе датчика 14, полевой транзистор 16 закрывается, и, как следствие, перестает течь ток по катушке 18 электромагнита 13. Накопленная энергия в магнитном поле электромагнита 13 преобразуется в ток и выделяется в виде тепла на диоде 17. Электромагнит 13 перестает отталкивать постоянный магнит 12, металлический сердечник электромагнита 13 начинает притягивать следующий постоянный магнит 12, чем вызывает дополнительный момент, на который не расходуется электроэнергия, поскольку электромагнит 13 не находится под током.
За счет применения датчика 14 в ветроэнергетической установке реализован непрерывный замер оборотов ветроколеса 8. В случае появления ветра, тенденция падения оборотов будет отличаться от безветренной погоды, поэтому включение электромагнита происходит реже.
Выработанная электроэнергия от солнечных фотоэлементов 7 накапливается в аккумуляторной батарее 11.
Электроэнергия для работы электромагнита 13 может поступать от сетевого источника питания, аккумуляторной батареи 11 в случае накопления в ней излишков электроэнергии от солнечных фотоэлементов 7, либо непосредственно от солнечных фотоэлементов 7.
Описанные выше ветроэнергетическая установка и принцип ее действия иллюстрируются следующими примерами осуществления изобретения.
Пример 1. Ветроэнергетическая установка содержит постоянные магниты, установленные на многолопастном ветроколесе по окружности с интервалом 30 °, при этом электромагнит расположен на расстоянии 5 мм от постоянных магнитов под углом 45° к горизонтальной плоскости постоянных магнитов. Кольцевой обтекатель имеет прямолинейную кольцевую поверхность со своей внешней стороны. Электромагнит имеет электрическую связь с сетевым источником питания. Питание электромагнита осуществляется от сетевого источника.
Пример 2. Ветроэнергетическая установка содержит постоянные магниты, установленные на маховике по окружности с интервалом 40°, при этом электромагнит расположен на расстоянии 10 мм от постоянных магнитов под углом 50° к горизонтальной плоскости постоянных магнитов. Кольцевой обтекатель имеет прямолинейную кольцевую поверхность со своей внешней стороны. Электромагнит имеет электрическую связь с сетевым источником питания. Питание электромагнита осуществляется от сетевого источника.
Пример 3. Ветроэнергетическая установка содержит постоянные магниты, установленные на многолопастном ветроколесе по окружности с интервалом 50°, при этом электромагнит расположен на расстоянии 16 мм от постоянных магнитов под углом 75° к горизонтальной плоскости постоянных магнитов. На обтекателе полусферической формы дополнительно установлены солнечные фотоэлементы. Электромагнит имеет электрическую связь с аккумуляторной батареей. Питание электромагнита осуществляется от аккумуляторной батареи.
Пример 4. Ветроэнергетическая установка содержит постоянные магниты, установленные на маховике по окружности с интервалом 60°, при этом электромагнит расположен на расстоянии 20 мм от постоянных магнитов под углом 90° к горизонтальной плоскости постоянных магнитов. На обтекателе полусферической формы дополнительно установлены солнечные фотоэлементы. Электромагнит имеет электрическую связь с солнечными фотоэлементами. Питание электромагнита осуществляется от солнечных фотоэлементов.
Установка постоянных магнитов по окружности в одной горизонтальной плоскости и одним полюсом по направлению к электромагниту с интервалом 30 - 60°, а также расположение электромагнита на расстоянии 5 - 20 мм от постоянных магнитов под углом 45 - 90° к горизонтальной плоскости  постоянных магнитов обеспечивает оптимальное взаимодействие магнитов на притяжение/отталкивание в целях поддержания вращения многолопастного ветроколеса при слабом ветре, либо его полном отсутствии, для передачи крутящего момента на вал электрогенератора, что повышает выработку электроэнергии и позволяет осуществить изобретение с достижением заявленного технического результата.
Применение в устройстве ветроэнергетической установки маховика с установленными на нем постоянными магнитами позволяет передать дополнительный крутящий момент на вал электрогенератора посредством инерционного вращения маховика за счет накопления в нем кинетической энергии, тем самым повысив выработку электроэнергии.
Выполнение кольцевого обтекателя, имеющего прямолинейную кольцевую поверхностью со своей внешней стороны, создает дополнительную область разряжения выше плоскости вращения ветроколеса, что позволяет увеличить скорость воздуха, проходящего через плоскость вращения ветроколеса из зоны повышенного давления, и полностью перекрыть боковое пространство между обтекателем полусферической формы и кольцевым обтекателем для предотвращения попадания метеорологических осадков и посторонних предметов в плоскость вращения ветроколеса, что также влияет на увеличение выработки электроэнергии.
Применение солнечных элементов позволяет обеспечить дополнительную выработку электроэнергии от солнечного излучения вне зависимости от скорости ветра или при его полном отсутствии.
Возможность питания электромагнита от сетевого источника, аккумуляторной батареи или солнечных фотоэлементов позволяет увеличить число альтернативных источников питания электромагнита.
Применение ветроэнергетической установки повышенной производительности позволяет улучшить и расширить существующую энергосистему электрогенерирующих предприятий, снизить зависимость от углеводородных сортов топлива и улучшить экологическую обстановку в мире.