ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям с осью вращения ротора перпендикулярной направлению ветра.
Известен ветродвигатель (патент RU №2170366, F03D 7/06, опубликован 10.07.2001) содержащий не менее двух лопастей в виде роторов Савониуса, установленных на осях с возможностью их поворота. Двигатель содержит остов, а роторы Савониуса установлены на поворотной платформе с вертикальным валом и их оси кинематически соединены с остовом ветродвигателя.
Данный двигатель работает за счет разности давлений на лопасти ротора со стороны их вогнутой и выпуклой стороны и для создания значительного крутящего момента приходится использовать нескольких роторов на одной поворотной платформе. Это усложняет конструкцию и требует применения большого количества кинематических элементов (зубчатые зацепления, шарнирный параллелограмм), что снижает КПД двигателя из-за потерь в кинематических парах.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является ветряной двигатель с вращением вокруг вертикальной оси (патент RU №2294452, F03D/00, опубликован 27.02.2007), имеющий ротор с лопастями цилиндрической формы и снабженный статором, расположенным вокруг ротора. Статор имеет направляющие лопатки также цилиндрической формы, но большего радиуса, чем лопасти ротора. Статор увеличивает площадь используемого потока воздуха, производит предварительную его закрутку и устраняет его давление на лопасти ротора, вращающиеся против направления ветра, что увеличивает крутящий момент ротора и, следовательно, мощность двигателя.
Недостатком данного двигателя является то, что направляющие лопатки статора неподвижны, что не позволяет регулировать поток, поступающий на лопасти ротора. Кроме того, двигатель достаточно сложен в изготовлении, так как содержит большое количество элементов криволинейной формы.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является увеличение коэффициента полезного действия, расширение возможностей регулирования потоков и упрощение конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что у ветроэлектростанции включающей в себя основание с вертикальной осью, на которой установлена рама с ротором, шторки для изменения направления потока ветра и систему передачи вращения ротора к электрогенератору, рама установлена консольно относительно оси основания,
при этом ось ротора и ось основания параллельны друг другу; на свободном конце рамы закреплен хвостовик для ориентации рамы по отношению к направлению ветра; шторки выполнены регулируемыми по углу поворота вокруг своей оси и установлены на рейке, соединенной с рамой таким образом, что при положении шторок перпендикулярном направлению ветра они полностью закрывают лопасти, движущиеся навстречу потоку ветра, а при положении шторок параллельном направлению ветра они не препятствуют движению потока; ротор выполнен многоярусным, каждый ярус ротора состоит из двух лопастей, имеющих П-образный профиль, и установленных симметрично относительно оси вращения ротора так, что в месте их соединения образуется труба прямоугольного сечения, а каждая лопасть согнута в середине на угол примерно 45°, таким образом, что ее выпуклая часть направлена в сторону вращения ротора; соседние ярусы соединены между собой посредством уголков, при этом лопасти каждого яруса повернуты относительно лопастей соседнего яруса на угол 180°:n, где n - число ярусов.
Предлагаемая конструкция, несложная в изготовлении и монтаже, позволяет увеличить степень использования энергии ветра. Поток ветра, оказав воздействие на одну лопасть и пройдя через трубную соединительную часть, воздействует на противоположную лопасть, тем самым увеличивает крутящий момент ротора. Регулируемые шторки позволяют выбирать оптимальные режимы работы ветроэлектростанции и осуществлять торможение при больших (буревых) скоростях ветра. Выполнение ротора многоярусным с двумя лопастями в каждом ярусе, сдвинутыми относительно лопастей соседних ярусов на определенный угол, позволяет обеспечить равномерность вращения ротора.
Сущность полезной модели поясняется рисунками. На фиг.1 изображен общий вид ветроэлектростанции. На фиг.2 представлен разрез по А-А с указанием направления потоков ветра при проходе его через шторки и внутри ротора. Пунктиром изображены возможные положения шторок и лопастей ротора при его вращении.
Ветроэлектростанция включает в себя основание 1 на котором укреплена ось 2. На этой оси консольно установлена рама 3, имеющая возможность кругового вращения в подшипниковых узлах 4 и 5. На раме 3 в подшипниковых узлах 6 и 7 установлен многоярусный ротор с лопастями 8, имеющий две цапфы: верхнюю 9 и нижнюю 10, которые установлены в подшипниковые узлы 7 и 6 соответственно. На нижней цапфе 10 закреплен приводной шкив клиноременной передачи 11. Ротор имеет n ярусов. Ярус состоит из двух лопастей 8, каждая из которых согнута в середине под углом β≈45°. Лопасти каждого яруса в сечении имеет П-образный профиль и установлены симметрично относительно оси ротора таким образом, что в месте их соединения образуется
прямоугольная труба (см. поз.12, фиг.1). Каждый ярус ротора соединен с соседними ярусами посредством соединительных уголков 13 и 14. Таким же образом верхний ярус соединяется с верхней цапфой, а нижний ярус - с нижней цапфой. К раме 3, выполненной из труб прямоугольного сечения, прикреплена рейка 15 (фиг.2), на которой установлены на осях 16 шторки 17, для изменения направления потока ветра. Шторки имеют возможность поворота на угол α от 0° до 90° (механизм поворота и фиксации шторок на рисунке не показан). На раме 3 установлен хвостовик 18. В нижней части рамы 3 закреплен электрогенератор 19, который посредством клиноременной передачи 11 соединен с ротором.
Работа ветроэлектростанции осуществляется следующим образом.
При наличии ветра рама 3 (см. фиг.1) разворачивается вокруг оси 2. Разворот рамы 3 осуществляется за счет парусности хвостовика 18.
Вращение ротора осуществляется за счет разности давлений потоков ветра на вогнутую и выпуклую части лопастей 8. При этом, чем больше эта разность, тем больше крутящий момент создаваемый ротором и тем выше мощность, передаваемая электрогенератору 19.
При изменении угла α поворота шторок 17 (см. фиг.2) от 0° до 90° возможны следующие варианты воздействия потока ветра на лопасти 8:
1. Если угол α равен 0°, то поток ветра, действуя на выпуклую сторону лопастей 8, затормаживает вращение ротора (режим торможения);
2. Если угол α равен 90°, то поток ветра не действует на выпуклую сторону лопастей 8.
3. Если шторки 17 повернуты на угол 45°±35°, то поток ветра воздействует на вогнутые части лопастей 8, и пройдя по их П-образному желобу поступает в трубу 12, образованную лопастями 8. Пройдя эту трубу, поток попадает на вогнутую часть второй (противоположной) лопасти яруса. В этом случае поток ветра дополнительно положительно воздействует на противоположные лопасти 8, увеличивая величину крутящего момента ротора (режим максимального крутящего момента).
4. При остальных значениях угла а воздействие потока близко к воздействию, описанному в п.1 и п.2.
Таким образом, предлагаемая конструкция ветроэлектростанции проста в изготовлении и монтаже, обладает большими возможностями с точки зрения оптимизации режима работы и имеет высокий КПД за счет более полного использования энергии потока ветра, который, воздействовав на одну лопасть, пойдя через соединительную трубу, дополнительно воздействует на противоположную лопасть яруса.