ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может использоваться в ветроэнергетических установках для выработки энергии, в том числе электроэнергии.
Известны ветроэнергетические установки, содержащие ротор ветротурбины с преимущественно криволинейными лопастями и ветронаправляющий аппарат, полностью или частично охватывающий ротор ветротурбины и состоящий из преимущественно изогнутых отклоняющих пластин (лопаток), при этом обеспечивается плавное натекание ветрового потока на криволинейные лопасти ротора ветротурбины (например, SU 1721285 А1, 1992; RU 2215898 C1, 2003; US 6309172 B1, 2001; DE 19739921, 1999; GB 2049066 A, 1980; FR 2811720 A1, 2002; EP 1096144 A2, 2001; WO 91/19093, 1991).
Однако все они недостаточно эффективны, не позволяя достичь наибольшего коэффициента полезного действия и не обеспечивая работу при малых значениях скорости ветра.
Из известных устройств наиболее близким к заявленному является ветроэнергетическая установка, содержащая по меньшей мере один роторный ветрогенератор с вертикальной осью вращения, выполненный в виде модуля с возможностью вертикальной сборки модулей, включающий прикрепленные к несущему цилиндру лопасти ротора ветротурбины, размещенного внутри выполненной соосно с ротором ветротурбины неподвижной системы ветронаправляющих экранов, выполненной в виде вертикальных отклоняющих пластин (RU 2249722 C1, 2005). В этой ветроэнергетической установке лопасти ротора ветротурбины выполнены в форме аэродинамических крыльев (изогнутыми). Вертикальные отклоняющие пластины также выполнены в форме аэродинамических крыльев так, что они своими вогнутыми поверхностями ориентированы в противоположном окружном направлении по отношению к вогнутым поверхностям лопастей ротора ветротурбины. В нижней части роторного ветрогенератора на валу, связанном с несущим цилиндром (валом ротора ветрогенератора), установлен блок электрогенераторов, при этом предусмотрена установка такого блока только на одном (нижнем) модуле.
Такая ветроэнергетическая установка обладает недостаточно высокой эксплуатационной эффективностью, в том числе из-за недостаточно высокого достигаемого коэффициента полезного действия и неэффективной работе установки при низких скоростях набегающего потока воздуха, а также из-за невозможности в полной мере реализовать преимущества модульного построения установки при ее использовании для выработки электроэнергии. Конструкция такой ветроэнергетической установки не позволяет ей достичь высокого коэффициента полезного действия, в особенности при минимальном воздушном потоке, что связано с неэффективной работой неподвижной системы ветронаправляющих экранов и лопастей ротора ветротурбины. Кроме того, в установке, состоящей из нескольких модулей (роторных ветрогенераторов) и предназначенной для выработки электроэнергии, наличие одного электрогенераторного блока только на одном (нижнем) модуле, ограничивает ее возможности и также не позволяет достичь высокого коэффициента полезного действия.
Задача, решаемая изобретением, состоит в создании ветроэнергетической установки, лишенной недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении эксплуатационной эффективности ветроэнергетической установки, в том числе за счет повышения ее коэффициента полезного действия и возможности работы при малых скоростях ветра.
Это достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей по меньшей мере один роторный ветрогенератор с вертикальной осью вращения, выполненный в виде модуля с возможностью вертикальной сборки модулей, включающий прикрепленные к несущему цилиндру лопасти ротора ветротурбины, размещенного внутри выполненной соосно с ротором ветротурбины неподвижной системы ветронаправляющих экранов, выполненной в виде вертикальных отклоняющих пластин, ветронаправляющие экраны выполнены с возможностью изменения площади каждой из вертикальных отклоняющих пластин за счет телескопического перемещения их подвижного сектора, лопасти ротора ветротурбины, выполненные плоскими, снабжены завихрителями, выполненными в виде цилиндрически изогнутых полосок, а размещение лопастей ротора ветротурбины относительно несущего цилиндра выполнено с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора. Подвижной сектор вертикальных отклоняющих пластин может быть размещен внутри них или параллельно плоскости вертикальных отклоняющих пластин в прижатом к ним состоянии. Вертикальные отклоняющие пластины могут быть выполнены изогнутыми радиально вдоль вертикальной оси, при этом лопасти ротора ветротурбины размещены радиально от оси вращения ротора ветротурбины. Вертикальные отклоняющие пластины могут быть выполнены плоскими с возможностью поворота вокруг оси на внешней кромке неподвижной системы ветронаправляющих экранов до установленных в ней стопоров, при этом лопасти ротора ветротурбины размещены по касательной к несущему цилиндру. На каждом из торцов ветротурбины может быть установлен распределенный магнитоэлектрический генератор. Модули ветроэнергетической установки в сборке могут быть выполнены с общей осью вращения или с раздельными осями вращения.
Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.
На фиг.1 показан внешний вид варианта выполнения ветроэнергетической установки из двух модулей. На фиг.2 показана в разрезе ветроэнергетическая установка с изогнутыми вертикальными отклоняющими пластинами, а на фиг.3 - с плоскими. Фиг.4 иллюстрирует выполнение на лопастях ротора ветрогенератора завихрителей. Фиг.5 иллюстрирует выполнение вертикальных отклоняющих пластин с подвижным сектором, размещенным внутри них, а фиг.6 - выполнение вертикальных отклоняющих пластин с подвижным сектором, размещенным параллельно их плоскости. На фиг.7 показана структурная схема ветроэнергетической установки с распределенными магнитоэлектрическими генераторами.
Ветроэнергетическая установка содержит по меньшей мере один роторный ветрогенератор 1 с вертикальной осью вращения, выполненный в виде модуля с возможностью вертикальной сборки модулей (фиг.1). Модули в сборке могут быть выполнены преимущественно с общей осью вращения, а также с раздельными осями вращения. Нижний из роторных ветрогенераторов 1 установлен преимущественно на штанге 2. Установка последующих модулей один на другой выполнена, например, посредством тороидального крепежного кольца 3. Верхний роторный ветрогенератор 1 преимущественно снабжен в своей верхней части обтекателем (крышкой) 4. Роторный ветрогенератор 1 включает прикрепленные к несущему цилиндру 5 лопасти 6 ротора ветротурбины, который размещен внутри выполненной соосно с ротором ветротурбины системы ветронаправляющих экранов, выполненных в виде вертикальных отклоняющих пластин 7. Вертикальные отклоняющие пластины 7 закреплены между горизонтально расположенными крепежными тороидальными кольцами 3. Ветронаправляющие экраны выполнены с возможностью изменения площади каждой из вертикальных отклоняющих пластин 7 за счет телескопического перемещения их подвижного сектора 8 из отклоняющих пластин 7 (фиг.5) или параллельно их плоскости в прижатом к ним состоянии (фиг.6). Перемещение (выдвижение) подвижного сектора 8 может быть осуществлено, например, посредством электромагнитной червячной передачи, например, с использованием направляющих полозьев (не показаны). Лопасти 6 ротора ветротурбины выполнены плоскими и снабжены завихрителями 9, выполненными в виде цилиндрически изогнутых полосок (фиг.4). Размещение лопастей 6 ротора ветротурбины относительно несущего цилиндра 5 выполнено с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром 5 щелевого диффузора 10 (фиг.4). Роторный ветрогенератор 1 может быть выполнен в двух вариантах. В первом из них вертикальные отклоняющие пластины 7 выполнены изогнутыми радиально вдоль вертикальной оси, при этом лопасти 6 ротора ветротурбины размещены радиально от оси вращения ротора ветротурбины (фиг.2). Во втором варианте вертикальные отклоняющие пластины 7 выполнены плоскими с возможностью поворота вокруг оси на внешней кромке неподвижной системы ветронаправляющих экранов до установленных в ней стопоров (фиксаторов) 11 (фиг.3). На каждом из торцов ветротурбины роторного ветрогенератора 1 может быть установлен распределенный магнитоэлектрический генератор 12 (фиг.7). Каждый из них представляет собой ряд электромагнитных катушек 13, которые вместе с разомкнутым контуром магнитопровода закреплены на крепежных тороидальных кольцах 3, при этом на верхнем и нижнем торцах ротора ветротурбины установлены постоянные магниты-индукторы 14. Ветроэнергетическая установка может быть преимущественно снабжена блоком контроля скорости ветра, а также выполненным механическим или электромеханическим тормозным узлом на оси вращения ротора ветротурбины (не показаны).
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Ветровой поток поступает на вертикальные отклоняющие пластины 7, ускоряется на них и перетекает на лопасти 6 ротора ветротурбины, в результате чего роторный ветрогенератор совершает полезную работу за счет вращения ротора ветротурбины. Отклоняющие пластины 7 изменяют вектор скорости потока воздуха, оптимизируя угол его подачи на лопасти 6 ротора ветротурбины. Выполнение ветронаправляющих экранов с изменяемой площадью позволяет понизить разгонную скорость воздушного потока и дополнительно оптимизировать скорость вращения ротора ветротурбины. В случае пониженной скорости ветрового воздушного потока подвижной сектор 8 выдвигается, увеличивая эффективную площадь вертикальных отклоняющих пластин 7, в результате чего захватывается более значительная масса потока воздуха и возрастает скорость вращения ротора ветротурбины. Это позволяет обеспечить эффективную работу установки уже при скорости воздушного потока от 3 м/с. После изменения направления воздушного потока вертикальными отклоняющими пластинами 7 он оказывает прямое давление на лопасти 6 ротора ветротурбины, между которыми создается зона повышенного давления, на которой воздушный поток может «срываться», уменьшая эффективную площадь работы лопастей 6 ротора ветротурбины. Избежать этого позволяет создание щелевого диффузора 10 вдоль основания лопастей 6 ротора ветротурбины, который позволяет постоянно удалять уплотнение воздуха из области межлопастного пространства. Через щелевой диффузор 10 избыток давления перетекает в залопастное пространство в область пониженного давления с образованием вихревой области. Это сопровождается повышением эффективности отбора энергии набегающего потока воздуха и соответственно повышением коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки. Размер щелевого диффузора 10 для конкретных конструкций установок подбирается экспериментальным путем, например, посредством опытного стенда. Для дополнительно отбора энергии механического движения потока воздуха, в том числе той его части, которая соскальзывает с лопастей 6 ротора ветротурбины после их поворота на некоторый угол, служат завихрители 9. При этом на цилиндрически изогнутых полосках завихрителей 9 на плоских лопастях 6 ротора ветротурбины происходит закручивание набегающего на них потока воздуха, что приводит к торможению потока, и, как следствие, к отбору дополнительной энергии от воздушного потока и передаче его ротору ветротурбины, что также вносит вклад в повышении коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки. Схемы движения воздушных потоков показаны стрелками на фиг.4, 5, 6. В случае использования ветроэнергетической установки для выработки электроэнергии, она снабжается распределенными магнитоэлектрическими генераторами, которые при простоте своей конструкции наиболее приспособлены для реализации модульного принципа построения ветроэнергетической установки. При этом каждый ее модуль самостоятельно вырабатывает электрическую энергию, которая суммируясь, позволяет увеличить мощность генерации электроэнергии одной ветроэнергетической установкой.
Выполнение ветроэнергетической установки в соответствии с изобретением позволяет повысить ее эксплуатационную эффективность. По сравнению с известными аналогичными установками обеспечивается повышение коэффициента полезного действия на 10-15% и возможность работы при скорости воздушных потоков от 3 м/с. Функционирование ветроэнергетической установки не зависит от направления ветра, она устойчива к резким его порывам и требует минимальной площади для установки. Реализованный в ней модульный принцип построения упрощает конструкцию и позволяет легко наращивать ее суммарную мощность.