Вертикально-осевой ветрогенератор

Предложенное решение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. Техническим результатом предложения является повышение коэффициента использования энергии ветра и производимой мощности, что обеспечено следующей совокупностью существенных признаков: вертикально-осевой ветрогенератор, имеющий средства взаимодействия с воздушным потоком, включающие соединенные с установленным в каркасе с возможностью вращения на подшипниковых опорах, связанным с ротором электрогенератора, валом, рабочие пластины, изогнутые в вертикальной и горизонтальной плоскости, причем в вертикальной плоскости рабочие пластины изогнуты по спирали, причем средства взаимодействия с воздушным потоком выполнены в виде дополнительно введенных, соединенных со свободными концами рабочих пластин и разнесенных в осевом направлении, по меньшей мере тремя кольцами, таким образом, что рабочие пластины, размещены между смежными кольцами, при этом рабочие пластины, изогнуты в горизонтальной плоскости таким образом, что образуют в любом горизонтальном сечении один период синусоиды, причем рабочие пластины соединены с валом с угловым смещением друг относительно друга на угол от 45 до 90 градусов, а угол поворота по спирали рабочих пластин в вертикальной плоскости составляет не менее 30 градусов. 3 з.п. ф-лы. 4 илл

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

Известны ветроэлектрические генераторы, состоящие из генерирующего узла, на роторе которого в подшипниковой опоре установлена ветротурбина с вертикальной осью вращения. К вертикальному валу ветротубины крепятся ветровоспринимающие элементы в виде винтообразно изогнутых лопастей (см. например, ветроэнергетические установки WS-0.30 [ 30], ветротурбины S-594. Данные устройства отличаются в основном, формой изгиба лопастей, размерами и мощностью (от 1 до 7 кВт).

Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемой полезной модели можно считать изобретение «Роторный ветродвигатель» [Патент РФ RU 221000].

Агрегат представляет собой каркас, в котором размещена система из двух рабочих лопастей с переменной толщиной и шириной, которые в вертикальной плоскости изогнуты по спирали, а в горизонтальной по дуге, с помощью коромысел и стяжек они жестко закреплены на валу, который в свою очередь закреплен с помощью подшипников в каркасе.

Особенностью данного устройства является наличие зазора между внутренними (ближайшими к валу) кромками лопастей. Набегающий поток воздуха взаимодействует с вогнутой поверхностью одной из двух лопастей, приводя ее в движение, после чего направление потока меняется почти на 180 градусов, и воздух проходит через упомянутый межлопастной зазор в направлении противоположном направлению набегающего. После зазора поток попадает на вогнутую поверхность второй лопасти, взаимодействует с ней и снова меняет направление почти на 180 градусов, т.е. покидает турбину в направлении набегающего потока, а также приобретя вертикальную составляющую скорости. Недостатками данного прототипа являются то, что протекание потока воздуха между лопастями согласно уравнению Бернулли создает в зазоре пониженное давление. Это пониженное давления воздуха со стороны вогнутой поверхности второй лопасти не может уравновесить динамический напор набегающего потока на противоположную (выпуклую) поверхность этой же лопасти, в результате чего на лопасть действует суммарная тормозящая сила, противодействующая аэродинамической силе, действующей на первую лопасть. Т.е. суммарный момент сил, а с ним коэффициент использования энергии ветра и производимая мощность снижаются.

Техническим результатом - Технической Задачей, на решение которой направлено заявляемое решение (Полезная модель) является повышение коэффициента использования энергии ветра и производимой мощности.

Реализация указанного технического результата обеспечена следующей совокупностью существенных признаков.

Вертикально-осевой ветрогенератор, имеющий средства взаимодействия с воздушным потоком, включающие соединенные с установленным в каркасе с возможностью вращения на подшипниковых опорах, связанным с ротором электрогенератора, валом, рабочие пластины, изогнутые в вертикальной и горизонтальной плоскости, причем в вертикальной плоскости рабочие пластины изогнуты по спирали,

причем средства взаимодействия с воздушным потоком выполнены в виде дополнительно введенных, соединенных со свободными концами рабочих пластин и разнесенных в осевом направлении, по меньшей мере тремя кольцами, таким образом, что рабочие пластины, размещены между смежными кольцами, при этом рабочие пластины, изогнуты в горизонтальной плоскости таким образом, что образуют в любом горизонтальном сечении один период синусоиды, причем рабочие пластины соединены с валом с угловым смещением друг относительно друга на угол от 45 до 90 градусов, а угол поворота по спирали рабочих пластин в вертикальной плоскости составляет не менее 30 градусов,

при этом

- каждая рабочая пластина состоит из двух фрагментов, расположенных диаметрально противоположно относительно вала;

- кольца дополнительно соединены с валом введенными в устройство спицами;

- кольца дополнительно соединены между собой введенными в устройство стойками.

Предложение поясняют графические материалы:

Фиг.1 - компьютерное изображение внешнего вида верхней секции ветрогенератора.

Фиг.2 - вид сверху верхней секции ветрогенератора (поясняющее компьютерное изображение).

Фиг.3 - схематичная иллюстрация взаимодействия рабочих пластин с набегающим воздушным потоком и взаимного расположения основных узлов.

Фиг.4 - вертикально-осевой ветрогенератор, общий вид.

Предлагаемая конструкция вертикально осевого ветрогенератора, содержит три соосных, горизонтально ориентируемых при эксплуатации плоских кольца 1, 2 и 3 (фиг.1-4) с закрепленной между ними парой зеркально симметричных по форме и одинаковых по размеру изогнутых рабочих пластин (лопастей) 4 и 5. Нижние углы 6 и 7 одной из пластин, а именно - верхней 3, прикреплены к верхней поверхности среднего кольца 2, а ее верхние углы 8 и 9 - к нижней поверхности верхнего кольца 1.

Прямая линия, соединяющая углы 8 и 9, повернута против часовой стрелки (если смотреть на устройство сверху - см. фиг.3) на угол =30-45 градусов относительно прямой линии, соединяющей углы 6 и 7.

Аналогично, нижние углы 10 и 11 другой (нижней) пластины 5 прикреплены к верхней поверхности нижнего кольца 3, а ее верхние концы 12 и 13 - к нижней поверхности среднего кольца 2.

Прямая линия, соединяющая углы 12 и 13, повернута по часовой стрелке (если смотреть на устройство сверху - см. фиг.3) на угол =30-45 градусов относительно прямой линии, соединяющей углы 10 и 11.

Прямая линия, соединяющая углы 6 и 7 повернута по часовой стрелке (если смотреть на устройство сверху - см. фиг.3) на угол =45-90 градусов относительно прямой линии, соединяющей углы 12 и 13. Для наглядности пересечение линий условно показано выносными линиями пунктиром.

Кольца 1, 2 и 3 в свою очередь закреплены на вертикальном валу- 14, который крепится с помощью подшипниковых опор 15 в каркас 16 и соединен с ротором электрогенератора 17. Ось вала 14 совпадает с геометрическими центрами колец 1, 2 и 3 и с осью симметрии пластин 4 и 5.

Каждая из пластин 4 и 5 может состоять из двух симметричных фрагментов 18 и 19, которые независимо крепятся к валу 14, с противоположных его сторон, что повышает технологичность изготовления узла. Либо пластины 4 и 5 могут быть цельными, а вал 14 в этом случае выполняется составным: в виде двух полуцилиндров, между которыми зажимаются пластины 4 и 5,что повышает технологичность изготовления пластины. В обоих случаях зазоры между половинками 18 и 19 пластины 5, а также между половинками пластины 4 отсутствуют. Пластины 4 и 5 в любом горизонтальном сечении А-А имеют волнообразную форму, близкую к одному периоду синусоиды. Смещение углов 8 и 9 (соединяющих их условных линий) относительно углов 6 и 7 пластины 4 на угол =30-45 градусов обеспечивает винтообразную, близкую к геликоидной форму рабочей пластины 4. Аналогично, смещение углов 12 и 13 относительно углов 10 и 11 на угол =30-45 градусов обеспечивает винтообразную, близкую к геликоидной форму рабочей пластины 5.

Форма пластин более наглядно показана на фиг.1-3.

На фиг.1 показано компьютерное изображение внешнего вида верхней секции ветрогенератора, включающей только кольца 1 и 2 и пластину 4. Там же схематически стрелками показано направление вращения 20 и направление уходящего воздушного потока 25.

Направление набегающего воздушного потока 21 показано на фиг.3. Аналогично выглядит и нижняя секция, включающая кольца 2 и 3 и пластину 5, с тем отличием, что уходящий воздушный поток 24 (фиг.3) в ней отклоняется вниз, а не вверх. Кольца 1, 2 и 3 дополнительно усилены спицами 22 (фиг.1) и соединены стойками 23 в количестве 3-5 шт.(фиг.1). Это создает необходимую жесткость всей конструкции, что препятствует деформации пластин 4 и 5 при шквалистом ветре, а так же способствует сохранению формы пластин 4 и 5 на протяжении всего периода эксплуатации.

На фиг.2 показано поясняющее компьютерное изображение (вид сверху) верхней секции ветрогенератора, включающей кольцо 1, пластину 4, спицы 22 и вал 14.

Фиг.3 - схематически иллюстрирует взаимодействие пластин 4 и 5 с набегающим воздушным потоком 21 и показывает направление вращения 20 вала 14 и направления уходящих воздушных потоков 24 и 25. Кольца на этом рисунке не показаны, а секции для наглядности условно разнесены по высоте.

Предлагаемый ветрогенератор в целом схематически показан на фиг.4.

Он состоит из двух описанных выше секций, жестко закрепленных на валу 14. Вал 14 установлен в каркасе 16 с помощью подшипниковых узлов 15. Нижний конец вала 14 передает вращение ротору электрогенератора 17.

Работает устройство следующим образом:

Поток набегающего воздуха (ветер) 21, набегая на поверхность воспринимающих пластин 4 и 5, благодаря их винтообразной форме, создает вращающий момент относительно вертикальной оси вала 14. Он возникает потому, что динамический напор воздуха на вогнутые части пластин 4 и 5 (при ориентации их «к ветру») существенно больше давления на их выпуклые части, т.к. последние более обтекаемые. Момент вызывает вращение вала 14, которое в свою очередь передается ротору электрогенератора 17. Кроме того, винтообразная форма пластины 4 обеспечивает отвод большей части достигших ее поверхности воздушных масс вверх, параллельно оси вала 14 и способствует поступлению новых воздушных масс независимо от направления ветра. Аналогично, винтообразная форма пластины 5 обеспечивает отвод большей части достигших ее поверхности воздушных масс вниз, параллельно оси вала 14 и способствует поступлению новых воздушных масс независимо от направления ветра. Суммарная площадь боковых поверхностей колец 1, 2 и 3, спиц 22 и стоек 23 невелика, поэтому они не оказывают заметного аэродинамического сопротивления потоку. Набегающий воздушный поток 21, передав пластинам 4 и 5 часть своей кинетической энергии, уходит вверх или вниз в зависимости от расположения пластины, не мешая тем самым поступлению новых воздушных масс. Благодаря этому аэродинамическое сопротивление уменьшается, а скорость вращения ротора и коэффициент использования энергии ветра увеличиваются.

Технические преимущества использования предлагаемого ветрогенератора (с парусообразными рабочими пластинами) обеспечены техническими признаками и состоят в следующем.

1. Спиральная форма и зеркальное расположение рабочих пластин 4 и 5 друг относительно друга позволяют эффективно отводить достигшие их поверхности воздушные массы. За счет этого создается два вихревых потока воздуха, что повышает эффективность ветрогенератора при любых скоростях ветра.

2. Рабочие пластины 4 и 5 смещены (повернуты) друг относительно друга в горизонтальной плоскости на угол =45-90 градусов, что позволяет в любой момент времени иметь рабочую поверхность, обращенную к набегающему ветровому потоку и исключает возможность ветрогенератору оказаться в «мертвой» точке, когда вращательный момент аэродинамических сил близок к нулю.

1. Вертикально-осевой ветрогенератор, имеющий средства взаимодействия с воздушным потоком, включающие соединенные с установленным в каркасе с возможностью вращения на подшипниковых опорах, связанным с ротором электрогенератора валом рабочие пластины, изогнутые в вертикальной и горизонтальной плоскости, причем в вертикальной плоскости рабочие пластины изогнуты по спирали, отличающийся тем, что средства взаимодействия с воздушным потоком выполнены в виде дополнительно введенных, соединенных со свободными концами рабочих пластин и разнесенных в осевом направлении по меньшей мере тремя кольцами таким образом, что рабочие пластины размещены между смежными кольцами, при этом рабочие пластины изогнуты в горизонтальной плоскости таким образом, что образуют в любом горизонтальном сечении один период синусоиды, причем рабочие пластины соединены с валом с угловым смещением относительно друг друга на угол от 45 до 90°, а угол поворота по спирали рабочих пластин в вертикальной плоскости составляет не менее 30°.

2. Вертикально-осевой ветрогенератор по п.1, отличающийся тем, что каждая рабочая пластина состоит из двух фрагментов, расположенных диаметрально противоположно относительно вала.

3. Вертикально-осевой ветрогенератор по п.1, отличающийся тем, что кольца дополнительно соединены с валом введенными в устройство спицами.

4. Вертикально-осевой ветрогенератор по п.1, отличающийся тем, что кольца дополнительно соединены между собой введенными в устройство стойками.