Ветроэлектрический генератор
Полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию. Задачей предложенной полезной модели является снижение инерционности, увеличение коэффициента использования энергии ветра Cp, удельной выработки электроэнергии на единицу сметаемой площади без увеличения изгибающих и опрокидывающих моментов при боковом направлении ветра на лопасть. Для этого предложен ветроэлектрический генератор, состоящий из генерирующего узла, на роторе которого установлена с возможностью вращения ветротурбина с вертикальной осью вращения, ветровоспринимающих элементов в виде вертикальных лопастей, установленных на трехнесущих элементах, установленных с возможностью вращения, при этом несущие элементы выполнены в виде треугольных рамок, расположенных в вертикальных плоскостях, проходящих через ось вращения, верхний угол рамки закреплен на валу ветротурбины, а нижний угол опирается на внешний подшипниковый узел, установленный на неподвижном кожухе, на каждой рамке установлены три лопасти, высота которых увеличивается от конца рамки к оси вращения. Кроме того, лопасть с наименьшей длиной установлена в вершине треугольной рамки на расстоянии R1 от оси вращения, вторая лопасть установлена внутри рамки на расстоянии R2 равным (3/5÷2/3)R 1, третья лопасть установлена внутри рамки на расстоянии R3 равным (1/2÷1/3)R1. Также, в концевых частях лопасти с наименьшей длиной размещены концевые шайбы, выполненные в виде горизонтальных пластин круглой или эллиптической формы. 1 н.п.ф., 2 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_complex.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&lin=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 несущих элементов - консолей. На конце каждой пары консолей закреплена одна вертикальная лопасть - ветровоспринимающий элемент.
Недостатками указанного устройства являются:
- относительно низкие коэффициент использования энергии ветра C p и общий КПД по сравнению с другими ветроагрегатами, например, горизонтально-осевого пропеллерного типа;
велика сила поперечного давления ветра на ветрогенератор (суммарная аэродинамическая нагрузка на поверхность лопастей, образующаяся в результате поперечного сопротивления профиля лопасти ветровому потоку); при резких порывах ветра эта сила создает значительный изгибающий и опрокидывающий момент, что может привести к недопустимым изгибам (поломке) консолей, вала, стойки, опоры или несущей мачты ветроэлектрического генератора;
- относительно высокая инерционность ветротурбины (момент инерции единичной лопасти относительно оси вала равен произведению ее массы на квадрат длины консоли, а полный момент инерции есть сумма по всем лопастям); вращающий момент аэродинамических сил пропорционален первой степени длины консоли, угловое ускорение ветротурбины при резком порыве ветра есть отношение вращающего момента к моменту инерции; оно обратно пропорционально произведению массы лопасти на длину консоли, поэтому турбины типа ROPATEC раскручиваются медленно и не могут полностью использовать энергию порывистого 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, а также необходимость повышения механической прочности элементов конструкции.
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 пропорционально возрастает вышеупомянутая сила поперечного давления ветра на нее. Соответственно, возрастает опасность недопустимых изгибов вала, стойки, опоры или несущей мачты ветроэлектрического генератора. Возрастает при этом и момент инерции.
Задачей предложенной полезной модели является снижение инерционности, увеличение коэффициента использования энергии ветра Cp , удельной выработки электроэнергии на единицу сметаемой площади без увеличения изгибающих и опрокидывающих моментов при боковом направлении ветра на лопасть.
Для этого предложен ветроэлектрический генератор, состоящий из генерирующего узла, на роторе которого установлена с возможностью вращения ветротурбина с вертикальной осью вращения, ветровоспринимающих элементов в виде вертикальных лопастей, установленных на несущих элементах, установленных с возможностью вращения, при этом несущие элементы выполнены в виде треугольных рамок, расположенных в вертикальных плоскостях, проходящих через ось вращения, верхний угол рамки закреплен на валу ветротурбины, а нижний угол опирается на внешний подшипниковый узел, установленный на неподвижном кожухе, на каждой рамке установлены три лопасти, высота которых увеличивается от конца рамки к оси вращения.
Кроме того, лопасть с наименьшей длиной установлена в вершине треугольной рамки на расстоянии R1 от оси вращения, вторая лопасть установлена внутри рамки на расстоянии R2 равным (3/5÷2/3)R 1, третья лопасть установлена внутри рамки на расстоянии R3 равным (1/2÷1/3)R1.
Также, в концевых частях лопасти с наименьшей длиной размещены концевые шайбы, выполненные в виде горизонтальных пластин круглой или эллиптической формы.
На чертежах схематично представлена предложенная полезная модель.
На фиг.1 представлено сечение предлагаемого ветроэлектрического генератора.
На фиг.2 показан вид сверху на ветроэлектрический генератор, одна из треугольных рамок которого для наглядности показана как разрез горизонтальной плоскостью, проходящей через свободную вершину. Стрелкой показано направления вращения.
Ветроэлектрический генератор состоит из несущей опоры 1, генерирующего узла 2 и ветротурбины с вертикальной осью вращения. Основными элементами генерирующего узла являются неподвижный статор 4 и вращающийся вокруг вертикальной оси ротор 5. Ротор приводится во вращение ветротурбиной, причем он связан с вертикальным валом 6 ветротурбины через карданный шарнир 7, назначение которого - разгрузить генераторный узел от поперечных (горизонтальных) напряжений, возникающих при изгибах и вибрациях вала 6. Вал вращается внутри неподвижного пустотелого кожуха 8 в подшипниковых опорах 9. Кожух за счет своей жесткости уменьшает изгибную деформацию вала под действием ветрового напора. К верхнему концу вала крепятся три несущих элемента 3 в виде треугольных рамок, расположенные в вертикальных плоскостях, проходящих через ось вала. Каждая рамка прикреплена к валу своим верхним углом. Нижние углы этих рамок крепятся к опорному кольцу 10, которое через внешний подшипниковый узел 11 опирается на площадку 12 на кожухе 8 и может свободно вращаться вместе с валом.
На каждой треугольной рамке размещается по три ветровоспринимающих элемента в виде вертикальных лопастей разной высоты. Одна, самая короткая лопасть 13 крепится вблизи той вершины треугольной рамки, которая наиболее удалена от оси ветротурбины. Ее расстояние до оси определяет радиус ветротурбины R1. В концевых частях этой лопасти размещены концевые шайбы 14 - пластины круглой или эллиптической формы, устанавливаемые горизонтально. Они предназначены для ослабления вредного влияния образования концевых вихрей, приводящих к уменьшению вращающей силы. Вторая, более длинная лопасть 15 крепится внутри рамки на расстоянии R2
(3/5÷2/3)R1 от оси. Третья, самая длинная лопасть 16 также крепится внутри рамки на расстоянии от R 3(1/2÷1/3)R1 от оси. Боковые площади лопастей (площади ветровоспринимающих поверхностей) относятся обратно пропорционально их расстояниям от оси, т.е. средняя лопасть имеет площадь в 1,5 раза больше площади внешней, а внутренняя - в 2-3 раза больше внешней. Такое соотношение обеспечивает примерно равные вклады всех лопастей в суммарный вращающий момент аэродинамических сил при разгоне (при низкой угловой скорости вращения). Ометаемая площадь для предлагаемой конструкции определяется как удвоенная площадь трапеции, образованной точками крепления треугольной рамки и внешней лопастью.
Данное указанное многолопастное исполнение ветровоспринимающих элементов ветровой турбины позволяет, во-первых, увеличить полезные аэродинамические характеристики турбины, и, в частности коэффициент Cp, поскольку обеспечивает существенное усиление крутящего момента при уменьшении сметаемой площади и незначительном увеличении момента инерции. В то же время, предлагаемая полезная модель не вызывает заметного увеличения бокового поперечного сопротивления ветру.
Во-вторых, жесткая треугольная геометрия рамки, усиленная дополнительно двумя жесткими лопастями, позволяет существенно снизить требования к механической прочности пластин, образующих рамку, Тем самым, уменьшается масса пластин и их толщина, что дополнительно снижает момент инерции ветротурбины и сопротивление воздуха при вращении вала.
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 Cp.
Устройство работает следующим образом.
При скоростях ветра, превышающих пороговую скорость «страгивания», предлагаемая ветротурбина вращается под действием таких же аэродинамических сил, что и прототип, с теми отличиями, что:
А) моменты сил, действующие на каждую из лопастей, суммируются. Это позволяет увеличить суммарный вращающий момент сил; точное значение коэффициента увеличения момента сил определяется соотношением площадей лопастей и их расположением на рамке;
Б) благодаря уменьшенному моменту инерции ветротурбины она страгивается при меньшей скорости ветра и быстрее набирает обороты.
Механическая мощность, вырабатываемая ветротурбиной, есть произведение угловой скорости вращения на вращающий момент, а произведенная энергия - произведение мощности на время. Предлагаемая полезная модель позволяет при уменьшении сметаемой площади увеличить все 3 фактора: вращающий момент - за счет дополнительных лопаток, угловую скорость и время - за счет меньшей скорости страгивания и за счет большего углового ускорения.
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) существенно ниже, чем у прототипа, т.к. внешняя лопасть имеет небольшую площадь, а средняя и внутренняя лопасти, укрыты от бокового ветрового потока элементами треугольной рамки, имеющей более хорошую обтекаемость, чем плоские лопасти прототипа. Кроме того, наличие карданного узла допускает умеренные поперечные деформации элементов ветротурбины. Поэтому предлагаемая конструкция ветротурбины не требует дополнительного усиления механической прочности несущих элементов ветрогенератора.
Данное указанное многолопастное исполнение ветровоспринимающих элементов ветровой турбины позволяет, во-первых, увеличить полезные аэродинамические характеристики турбины, и, в частности коэффициент Cp, поскольку обеспечивает существенное усиление крутящего момента при уменьшении сметаемой площади и незначительном увеличении момента инерции. В то же время, предлагаемая полезная модель не вызывает заметного увеличения бокового поперечного сопротивления ветру.
Во-вторых, жесткая треугольная геометрия рамки, усиленная дополнительно двумя жесткими лопастями, позволяет существенно снизить требования к механической прочности пластин, образующих рамку. Тем самым, уменьшается масса пластин и их толщина, что дополнительно снижает момент инерции ветротурбины и сопротивление воздуха при вращении вала.
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 Cp.
Таким образом, данное устройство позволит при фиксированных габаритных размерах и уменьшении 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 строенных разновеликих лопастей ветровой турбины, размещенных на треугольной рамке.
1. Ветроэлектрический генератор, состоящий из генерирующего узла, на роторе которого установлена с возможностью вращения ветротурбина с вертикальной осью вращения, ветровоспринимающих элементов в виде вертикальных лопастей, установленных на несущих элементах, установленных с возможностью вращения, отличающийся тем, что несущие элементы выполнены в виде треугольных рамок, расположенных в вертикальных плоскостях, проходящих через ось вращения, верхний угол рамки закреплен на валу ветротурбины, а нижний угол опирается на внешний подшипниковый узел, установленный на кожухе, на каждой рамке установлены три лопасти, высота которых увеличивается от конца рамки к оси вращения.
2. Ветроэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что лопасть с наименьшей длиной установлена в вершине треугольной рамки на расстоянии R1 от оси вращения, вторая лопасть установлена внутри рамки на расстоянии R2, равном (3/5÷2/3)R 1, третья лопасть установлена внутри рамки на расстоянии R3, равном (1/2÷1/3)R1.
3. Ветроэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что в концевых частях лопасти с наименьшей длиной размещены концевые шайбы, выполненные в виде горизонтальных пластин круглой или эллиптической формы.
