Ветрогенератор (варианты)
Область применения: в ветроэнергетике для получения энергии из воздушных потоков в ветряных двигателях с осью вращения ротора, как совпадающей с направлением ветра (в одном варианте), так и перпендикулярной направлению ветра (во втором варианте). Сущность: ветрогенератор содержит электрогенератор со статором и ротором, установленными с возможностью вращения относительно друг друга и относительно корпуса, и два ветродвижителя, один из которых соединен со статором, а второй - с ротором. Лопасти ветродвижителей повернуты в разные стороны для вращения статора и ротора в противоположные стороны. По одному из вариантов, ветродвижители выполнены в виде соосных лопастных колес с одинаковыми диаметрами. Согласно второму варианту, ветродвижители выполнены в виде соосных вертикальных цилиндров с большим количеством вертикальных пластинчатых лопастей, вал нижнего цилиндра выполнен пустотелым и сквозь него пропущен вал верхнего цилиндра, нижний цилиндр соединен с торцевой стороной статора электрогенератора. Технический результат: расширение диапазона применения ветрогенератора, упрощение конструкции, повышение надежности работы, увеличение к.п.д. до двух раз.
Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована для получения энергии из воздушных потоков в ветряных двигателях как с осью вращения ротора, совпадающей с направлением ветра (в одном варианте), так и с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра (во втором варианте).
Известны различные конструкции ветрогенераторов, в которых применяется традиционная кинематическая схема генератора, приводимого во вращение одним ветроколесом. Такие ветрогенераторы имеют, как правило, незначительную область применения ввиду того, что при малых скоростях ветра мощность получаемой энергии невелика.
Достичь кратного увеличения к.п.д. преобразования механической энергии ветра в электрическую позволяет применение ветряных двигателей, имеющих двухроторные двигатели и, соответственно, два ветроколеса.
Известен ветроэнергетический агрегат с осью вращения ротора, ориентированной по направлению ветра (см. патент RU 
35848, опубл. 10.02.2004, МПК F03D 1/02), являющийся наиболее близким аналогом предлагаемого ветрогенератора. Данный агрегат содержит поворотное основание, электрогенератор с двумя роторами, установленными с возможностью вращения относительно друг друга, два расположенных одно возле другого лопастных колеса, одно из которых соединено с первым ротором электрогенератора, а второе - со вторым ротором электрогенератора, при этом радиус одного лопастного колеса примерно равен радиусу окружности, на котором находятся нижние концы лопастей второго лопастного колеса, а лопасти лопастных колес развернуты в разные стороны для вращения роторов в противоположные стороны. К недостаткам известного ветроэнергетического агрегата относится отсутствие единого корпуса, что не отвечает таким требованиям, как взрывозащищенность, холодо- и жаростойкость, а также разновеликость лопастных колес, которая обусловливает неодинаковую скорость их вращения и, как результат, двух роторов электрогенератора, что снижает к.п.д. агрегата.
Известна ветроэнергетическая установка с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра (см. заявку на изобретение 2007120387, опубл. 10.12.2008, МПК F03D 3/00), являющаяся наиболее близким аналогом предлагаемого ветрогенератора. Данная установка содержит электрогенератор со статором и ротором, установленными с возможностью вращения относительно друг друга, и два ветродвижителя, выполненных в виде двух соосных вертикальных цилиндров с большим количеством вертикальных пластинчатых лопастей, при этом один из цилиндров соединен со статором электрогенератора, второй цилиндр - с ротором электрогенератора, вал нижнего цилиндра выполнен пустотелым и сквозь него пропущен вал верхнего цилиндра, связанный через редуктор с электрогенератором, а лопасти ветродвижителей повернуты в разные стороны для вращения статора и ротора в противоположные стороны. Известная ветроэнергетическая установка обладает повышенным кпд и мощностью за счет использования двух ветродвижителей, а также за счет их вертикального расположения. Однако из-за наличия редукторной схемы увеличивается инертность кинематической схемы установки, вследствие чего ее срабатывание смещается в сторону больших скоростей ветра.
Задачей полезной модели является создание вариантов конструкции ветрогенератора, лишенных указанных недостатков.
Технический результат заключается в расширении диапазона применения ветрогенератора, упрощении конструкции, в повышении надежности работы и увеличении эффективности до двух раз.
Указанный технический результат достигается тем, что в ветрогенераторе, содержащем электрогенератор со статором и ротором, установленными с возможностью вращения относительно друг друга, и два ветродвижителя, выполненных в виде двух соосных лопастных колес, одно из которых соединено со статором электрогенератора, а второе - с ротором электрогенератора, лопасти лопастных колес развернуты в разные стороны для вращения статора и ротора в противоположные стороны, согласно предложенному, электрогенератор размещен в корпусе, а лопастные колеса выполнены с одинаковыми диаметрами.
Размещение электрогенератора в корпусе обеспечивает герметичность его ротора и статора, что обеспечивает взрывозащищенность, холодо- и жаростойкость, тем самым расширяя диапазон применения ветрогенератора и повышая его надежность.
Выполнение лопастных колес с одинаковыми диаметрами обеспечивает увеличение к.п.д. ветрогенератора.
Указанный технический результат достигается тем, что в ветрогенераторе, содержащем электрогенератор со статором и ротором, установленными с возможностью вращения относительно друг друга, и два ветродвижителя, выполненных в виде двух двух соосных вертикальных цилиндров с большим количеством вертикальных пластинчатых лопастей, один из цилиндров соединен со статором электрогенератора, а второй - с его ротором, вал нижнего цилиндра выполнен пустотелым и сквозь него пропущен вал верхнего цилиндра, пластинчатые лопасти цилиндров повернуты в разные стороны для вращения статора и ротора в противоположные стороны, согласно предложенному, нижний цилиндр соединен с торцевой стороной статора электрогенератора.
Соединение нижнего цилиндра ветродвижителя непосредственно с торцевой стороной статора электрогенератора существенно упрощает конструкцию, а также снижает величину страгивающей нагрузки. Кроме того, данный признак в совокупности с соединением вала верхнего цилиндра с валом ротора электрогенератора обеспечивает равенство оборотов статора и ротора электрогенератора, что при условии их вращения в противоположные стороны увеличивает к.р.д. вдвое.
Предложенные варианты полезной модели представлены на чертеже, где на фиг.1 показан продольный разрез ветрогенератора с горизонтальной осью вращения ротора, совпадающей с направлением ветра, на фиг.2 - продольный разрез ветрогенератора с вертикальной осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра.
Ветронегератор с горизонтальной осью вращения (фиг.1) содержит металлический корпус 1 электрогенератора, в котором установлены статор 2 и ротор 3. Статор 2 и ротор 3 электрогенератора установлены на подшипниках и имеют возможность свободного вращения относительно друг друга и относительно корпуса 1. На выведенном фланцевом соединении статора 2 установлено лопастное колесо 4. На валу ротора 3 установлено лопастное колесо 5. Лопастные колеса 4 и 5 имеют одинаковые диаметры, и их оперение развернуто в разные стороны. На противоположной от лопастных колес 4 и 5 торцевой стороне корпуса 1 размещен токосъемник 6. На корпусе 1 электрогенератора выполнены проушины 7 для крепления ветрогенератора. При конструировании необходимо учесть, что двукратное увеличение к.п.д. возможно только при одинаковых скоростях встречного вращения статора 2 и ротора 3. В свою очередь, за основу берется скорость вращения ротора 3, так как лопастное колесо 5 находится на переднем фронте атаки воздушного потока. Скорость вращения лопастного колеса 4, расположенного чуть ближе к корпусу 1, отличается от основной по причине различных инерционных характеристики статора 2 и ротора 3 и разных аэродинамических свойств лопастных колес 4 и 5. Для выравнивания скоростей вращения статора 2 и ротора 3, в процессе конструирования, необходимо учитывать разницу их веса и аэродинамические характеристики лопастных колес 4 и 5.
Ветронегератор с вертикальной осью вращения (фиг.2) содержит металлический корпус 1 электрогенератора, в котором установлены статор 2 и ротор 3. Статор 2 и ротор 3 электрогенератора установлены на подшипниках и имеют возможность свободного вращения относительно друг друга и относительно корпуса 1. На выведенном фланцевом соединении статора 2 установлен ветродвижитель 4, а на валу ротора 3 ветродвижитель 5. Ветродвижители 4 и 5 выполнены в виде цилиндров одинаковых диаметров, и их вертикальные пластинчатые лопасти развернуты в противоположные стороны. На торцевой стороне корпуса 1, противоположной от цилиндров 4 и 5, размещен токосъемник 6. На корпусе 1 электрогенератора выполнены проушины 7 для крепления ветрогенератора. При конструировании данного варианта ветрогенератора, аналогично первому варианту, необходимо учитывать разницу в весе статора 2 и ротора 3 и аэродинамические характеристики цилиндров 4 и 5.
Ветрогенератор работает следующим образом (на примере второго варианта).
При наличии ветра со скоростью от 3 м/с и выше приводятся во вращение вертикальные цилиндры 4 и 5. Их вращение передается на статор 2 и ротор 3 электрогенератора, инициируя процесс выработки электрической энергии. Благодаря тому, что пластинчатые лопасти цилиндров 4 и 5 повернуты в разные стороны, статор 2 и ротор 3 вращаются во встречном направлении.
Электрическая схема генератора может быть как асинхронного исполнения (предпочтительнее при конструировании генераторов большой мощности), так и на постоянных магнитах (предпочтительнее для генераторов малых мощностей).
Зависимость между ЭДС и скоростью изменения магнитного потока, пронизывающего обмотку генератора описывается формулой:
,
где Е - электромагнитная сила;
dF/dt - скорость изменения магнитного потока, пронизывающего обмотку генератора;
N - количество витков обмотки (берется усредненная длина витка).
За счет встречного вращения статора 2 и ротора 3 при условии, что скорости вращения равны по абсолютному значению, итоговое количество электроэнергии удваивается:
,
Вертикальная компоновка ветрогенератора более оптимальна, так как данная конструкция обеспечивает равномерный приток воздуха к ветродвижителям статора и ротора при любом направлении ветра, и, следовательно, нет необходимости создавать механизм ориентации установки относительно направления воздушного потока. Монтаж такой установки не требует вынесения ветродвижителей на специальную мачту.
Предложенная полезная модель наиболее привлекательна для континентальных зон, где средняя скорость ветра не превышает 3-12 м/с. Предполагаемое минимальное увеличение генерируемой энергии, относительно штатных генераторов, составляет 1,6-1,9 раз. В зонах с умеренным ветровым режимом (3-9 м/с) генерируемая энергия предложенного ветрогенератора имеет 1,5-1,8 - кратный номинал штатного.
1. Ветрогенератор, содержащий электрогенератор со статором и ротором, установленными с возможностью вращения относительно друг друга, и два ветродвижителя, выполненных в виде соосных лопастных колес, одно из которых соединено со статором электрогенератора, а второе - с ротором электрогенератора, лопасти лопастных колес развернуты в разные стороны для вращения статора и ротора в противоположные стороны, отличающийся тем, что электрогенератор размещен в корпусе, а лопастные колеса выполнены с одинаковыми диаметрами.
2. Ветрогенератор, содержащий электрогенератор со статором и ротором, установленными с возможностью вращения относительно друг друга, и два ветродвижителя, выполненных в виде соосных вертикальных цилиндров с большим количеством вертикальных пластинчатых лопастей, один из цилиндров соединен со статором электрогенератора, а второй - с его ротором, вал нижнего цилиндра выполнен пустотелым и сквозь него пропущен вал верхнего цилиндра, пластинчатые лопасти цилиндров развернуты в разные стороны для вращения статора и ротора в противоположные стороны, отличающийся тем, что нижний цилиндр соединен с торцевой стороной статора электрогенератора.
