Ветроэлектрический генератор

Ветроэлектрический генератор относится к области ветроэнергетики и предназначен для преобразования энергии ветра в электрическую энергию для питания различных потребителей промышленного и бытового назначения. Задачей предложенной полезной модели является увеличение коэффициента использования энергии ветра С_р , удельной выработки электроэнергии на единицу сметаемой площади без увеличения изгибающих и опрокидывающих моментов при боковом направлении ветра на лопасть. Для достижения указанной задачи предложен ветроэлектрический генератор, состоящий из генерирующего узла, на роторе которого установлена с возможностью вращения ветротурбина с вертикальной осью вращения, на вертикальном валу ветротурбины в ее верхней и нижней частях закреплены от 2 до 5 пар консолей, расположенных в вертикальных плоскостях, проходящих через ось вала, на конце каждой пары консолей закреплен ветровоспринимающий элемент в виде вертикальной лопасти, при этом на каждой паре консолей закреплен по крайней мере еще один дополнительный ветровоспринимающий элемент в виде вертикальной лопасти. Кроме того, над верхним концом вала ветротурбины может быть установлен роторный ветродвигатель Савониуса, имеющий механическую связь с валом через обгонную муфту. 1 н.п.ф., 1 з.п.ф., 2 ил.

Полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию.

Известны ветроэлектрические генераторы, состоящие из генерирующего узла, на роторе которого в подшипниковой опоре установлена ветротурбина с вертикальной осью вращения. К вертикальному валу ветротурбины крепятся ветровоспринимающие элементы в виде лопастей, установленных на концах радиальных консолей (см., например, ветроэнергетические установки ВЭУ-1 «Виндэк - Эрга» [http://www.windec2009.narod.ru/VO_komplex.htm], ветротурбины типа ROPATEC Vertical Easy, Simply Vertical, Maxi Vertical и Big Star Vertical, [http://www.ropatec.com/index_n.php?pid=05&lin=3]. Данные устройства отличаются, в основном, количеством консолей (от 2 до 5), размерами и мощностью (от 1 до 20 кВт)

Известен вертикально-осевой ветродвигатель, в котором каждый ветропринимающий элемент выполнен в виде щелевого крыла, содержащего не менее двух параллельных лопастей [Патент РФ 2283968].

1. Ветродвигатель, содержащий ветроколесо с вертикальной осью вращения, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами, скрепленными с радиальными траверсами, закрепленными на вертикальной оси перпендикулярно ей, при этом внешние концы траверс оперты на кольцевую опору, кроме того, ветроколесо установлено с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии, отличающийся тем, что каждый ветровоспринимающий элемент выполнен в виде щелевого крыла, содержащего не менее двух параллельных лопастей, профилю поперечного сечения которых придана серповидная форма, выпуклая в сторону вращения ветроколеса и вогнутая со стороны ветровоспринимающих поверхностей, при этом ширина и длина лопастей щелевого крыла увеличивается от его поверхности, воспринимающей ветер, не менее чем на 5% от размеров соседней наименьшей, причем поперечному сечению наибольшей лопасти каждого щелевого крыла придана каплеобразная форма, для чего радиус кривизны профиля центральной части ее выпуклой поверхности выполнен меньшим, чем у остальных лопастей щелевого крыла.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что образующая ветровоспринимающей поверхности наименьшей из лопастей щелевого крыла радиальна и перпендикулярна вертикальной оси вращения.

Недостатком указанного устройства является такое геометрическое расположение параллельных лопастей, при котором они как бы вложены друг в друга. Т.е. та лопасть, вогнутая поверхность которой обращена к ветру и, следовательно, обеспечивающая наибольший вклад во вращательный момент, практически полностью экранирует расположенную (расположенные) позади нее вторую лопасть (группу лопастей). Это снижает активную площадь лопастей ветротурбины.

Наиболее близким решением к заявляемому является ветроэлектрический генератор фирмы ROPATEC [http://www.ropatec.com/index_n.php?pid=05&lhr=3], состоящий из генерирующего узла, на роторе которого в подшипниковой опоре установлена ветротурбина с вертикальной осью вращения. К вертикальному валу ветротурбины в его верхней и нижней частях крепятся от 2 до 5 пар перпендикулярно расположенных к нему консолей.

На конце каждой пары консолей закреплена одна вертикальная лопасть - ветровоспринимающий элемент.

Недостатками указанного устройства являются:

- относительно низкие коэффициент использования энергии ветра С_р и общий КПД по сравнению с другими ветроагрегатами, например, горизонтально-осевого пропеллерного типа;

- необходимость в значительном крутящем моменте для так называемого «страгивания» с места ветротурбины по сравнению с горизонтально-осевыми пропеллерными ветроагрегатами, вследствие чего для «раскручивания» турбин типа ROPATEC необходимы значительно большие скорости ветра.

Следствием этого для ветровых турбин ROPATEC является невысокое значение удельной генерируемой электрической мощности, приведенное к единичной сметаемой площади, которая для турбин с вертикальной осью определяется как произведение диаметра ветротурбины на длину лопасти.

Прямая попытка увеличить электрическую мощность указанных выше турбин типа ROPATEC с вертикальной осью вращения обычно сводится к увеличению рабочей площади лопастей таких ветротурбин. Однако, при этом также увеличивается поперечное сечение (парусность) турбины и сила поперечного давления ветра на нее (суммарная аэродинамическая нагрузка на поверхность лопастей, образующаяся в результате поперечного сопротивления профиля лопасти ветровому потоку). При резких порывах ветра в этом случае возникает значительный изгибающий и опрокидывающий момент, что может привести к недопустимым изгибам (поломке) вала, стойки, опоры или несущей мачты ветроэлектрического генератора.

Задачей предложенной полезной модели является увеличение коэффициента использования энергии ветра С_р, удельной выработки электроэнергии на единицу сметаемой площади без увеличения изгибающих и опрокидывающих моментов при боковом направлении ветра на лопасть.

Для достижения указанной задачи предложен ветроэлектрический генератор, состоящий из генерирующего узла, на роторе которого установлена с возможностью вращения ветротурбина с вертикальной осью вращения, на вертикальном валу ветротурбины в ее верхней и нижней частях закреплены от 2 до 5 пар консолей, расположенных в вертикальных плоскостях, проходящих через ось вала, на конце каждой пары консолей закреплен ветровоспринимающий элемент в виде вертикальной лопасти, при этом на каждой паре консолей закреплен по крайней мере еще один дополнительный ветровоспринимающий элемент в виде вертикальной лопасти.

Кроме того, над верхним концом вала ветротурбины может быть установлен роторный ветродвигатель Савониуса, имеющий механическую связь с валом через обгонную муфту.

Данное указанное многолопастное исполнение ветровоспринимающих элементов ветровой турбины позволяет, во-первых, увеличить полезные аэродинамические характеристики турбины, и, в частности коэффициент С_р, поскольку обеспечивает почти двух- или трехкратное усиление крутящего момента при сохранении фиксированной сметаемой площади. В то же время, предлагаемая полезная модель не вызывает заметного увеличения бокового поперечного сопротивления ветру.

Во-вторых, еще одним положительным техническим результатом является возможность снизить минимальную скорость ветра, необходимую для «страгивания» турбины, по сравнению с вертикально-осевыми ветротурбинами типа ROPATEC и ВЭУ-1 «Виндек-Эрга».

В третьих, многолопастная конфигурация турбины, как известно из практики полетов на самолетах типа биплан, обеспечивает большую, чем у монопланов, устойчивость к срыву потока с крыла, что также способствует увеличению коэффициента С_р.

С целью еще более снизить минимальную скорость ветра, необходимую для страгивания турбины, в верхней части основной многолопастной ветротурбины можно поместить дополнительный роторный ветродвигатель Савониуса [http://www.wetroenergetika.ru/14%20savoinus.html], закрепленный сооспо с валом основной турбины и передающий вращение последней через обгонную муфту.

На чертежах схематично представлена предложенная полезная модель.

На фиг.1 представлен разрез ветротурбины, снабженной одной дополнительной лопастью на каждой консоли.

На фиг.2 для примера показан вид сверху на трехконсольную ветротурбину, имеющую по одной дополнительной лопасти на каждой паре консолей. Стрелкой показано направления вращения.

Ветроэлектрический генератор содержит:

генерирующий узел 1, вертикальный вал ветротурбины 2; установленный в подшипниковых опорах 3. К валу в его верхней и нижней частях крепятся от 2 до 5 пар консолей 4, а на каждой паре консолей расположены по две или более вертикальные лопасти 5. В верхней части может быть установлен дополнительный роторный ветродвигатель Савониуса 6.

Ветроэлектрический генератор работает следующим образом.

Ротор Савониуса 6, как показано многими исследователями (см., например [Saha U.K., Rajkumar M.J., On the performance analysis of Savonius rotor with twisted blades, Renewable Energy 31 (2006) 1776-1788]), имеет относительно высокий коэффициент С_р и приходит в движение при малых скоростях ветра (1-3 м/с). Благодаря этому он через обгонную муфту (на рисунке не показана) даже при слабом ветре приводит во вращение вал ветротурбины 2. Обладая даже небольшой начальной угловой скоростью, ветротурбина при усилении ветра быстрее набирает обороты и, следовательно, раньше начинает вырабатывать электроэнергию и произведет ее больше, чем такая же ветротурбина без начального вращения.

При скоростях ветра ~5 м/с и выше предлагаемая ветротурбина вращается под действием таких же аэродинамических сил, что и прототип, с тем отличием, что моменты сил, действующие на дополнительные лопасти, суммируются с моментами, действующими на основные, расположенные на концах консолей. Это позволяет увеличить суммарный вращающий момент сил в 1,7-1,9 раза для двухлопастной конструкции, показанной на фиг.1, и в 2,4-2,6 раза для трехлопастной. Точное значение коэффициента увеличения момента сил определяется площадью дополнительных лопастей и их расположением на консоли.

Механическая мощность, вырабатываемая ветротурбиной, есть произведение угловой скорости вращения на вращающий момент, поэтому наличие дополнительных лопастей позволяет при сохранении сметаемой площади и угловой скорости увеличить полезную мощность пропорционально увеличению момента, т.е. в 1,7-2,6 раза.

По мере возрастания угловой скорости ветротурбины ротор Савониуса может перейти в режим, при котором аэродинамические силы, действующие на него, будут создавать тормозящий момент. В этом случае за счет обгонной муфты ротор Савониуса продолжит вращение с меньшей, чем у турбины угловой скоростью, но без снижения полезной мощности ветрогенератора. При ослаблении ветра угловая скорость ротора Савониуса вновь сравняется со скоростью турбины, и он будет поддерживать ее вращение.

В тоже время поперечное сечение (парусность) турбины и сила поперечного давления ветра на нее (суммарная аэродинамическая нагрузка на поверхность лопастей, образующаяся в результате поперечного сопротивления профиля лопасти ветровому потоку) практически не меняются, т.к. дополнительные лопасти, когда они оказываются расположенными перпендикулярно ветровому потоку, укрыты от него внешней (основной) лопастью. Поэтому предлагаемая конструкция ветротурбины не требует дополнительного усиления механической прочности несущих элементов ветрогенератора..

Таким образом, данное устройство позволит при фиксированных габаритных размерах и сметаемой площади ветровой турбины существенно повысить коэффициент использовании кинетической энергии ветрового потока и, как следствии этого, повысить КПД ветроэлектрического генератора и производимую им электрическую мощность, что достигается за счет применения в данной полезной модели спаренных или строенных лопастей ветровой турбины аналогично тому, как в авиации для увеличения подъемной силы крыла применяют схемы биплана и триплана.

1. Ветроэлектрический генератор, состоящий из генерирующего узла, на роторе которого установлена с возможностью вращения ветротурбина с вертикальной осью вращения, на вертикальном валу ветротурбины в его верхней и нижней частях закреплены от 2 до 5 пар консолей, расположенных в вертикальных плоскостях, проходящих через ось вала, на конце каждой пары консолей закреплен ветровоспринимающий элемент в виде вертикальной лопасти, отличающийся тем, что на каждой паре консолей закреплен по крайней мере один дополнительный ветровоспринимающий элемент в виде вертикальной лопасти.

2. Ветроэлектрический генератор, отличающийся тем, что над верхним концом вала ветротурбины установлен роторный ветродвигатель Савониуса, имеющий механическую связь с валом через обгонную муфту.