Вертикально-осевой ветрогенератор

Полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую с обеспечением технического результата - повышения коэффициента использования энергии ветра и производимой мощности, посредством следующей совокупности существенных признаков. Вертикально-осевой ветрогенератор, имеющий средства взаимодействия с воздушным потоком, включающие соединенные с установленными в каркасе с возможностью вращения на подшипниковых опорах, связанные с электрогенератором, средствами передачи момента вращения, рабочие пластины, изогнутые в вертикальной и горизонтальной плоскости, причем в вертикальной плоскости рабочие пластины изогнуты по спирали, при этом средства взаимодействия с воздушным потоком выполнены в виде дополнительно введенных, соединенных со свободными концами рабочих пластин и разнесенных в осевом направлении, по меньшей мере, четырех парных колец, с образованием, по меньшей мере, двух секций, таким образом, что каждая из рабочих пластин в секции, размещена между двумя кольцами, электрогенератор размещен между встречно вращающимися секциями, средства передачи момента вращения выполнены в виде соединяющих ротор и статор электрогенератора с рабочими пластинами встречно вращающихся секций, валов, при этом рабочие пластины, изогнуты в горизонтальной плоскости таким образом, что образуют в любом горизонтальном сечении один период синусоиды, угол поворота по спирали каждой из 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 каждой из секций дополнительно соединены между собой введенными в устройство стойками. 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 [http://www.windside.com/products/ws030], ветротурбины S-594. Данные устройства отличаются в основном, формой изгиба лопастей, размерами и мощностью (от 1 до 7 кВт).

Известен ветроэнергетический агрегат с вертикальной осью вращения, в котором генератор установлен между двумя блоками ветровой турбины и дополнительно снабжен валом на статоре. Ротор и статор генератора механически соединены с роторами блоков, пластины статора и лопатки ротора верхнего блока установлены в направлении вращения ротора турбины и соединенного с ним ротора генератора по часовой стрелке, а пластины статора и лопатки ротора нижнего блока установлены в положении вращения ротора турбины и соединенного с ним статора генератора против часовой стрелки. Изобретение обеспечивает расширение диапазона используемых для выработки энергии скоростей ветра в области малых значений, повышение коэффициента использования энергии ветра и снижение массогабаритных показателей, устанавливаемых на ветроэнергетических агрегатах электрогенераторов. [Патент РФ RU 2352810].

Однако данный агрегат имеет недостатки. В нем пластины статоров верхней и нижней ветровых турбин размещаются равномерно по периметру окружности статора с расстоянием между пластинами в пределах 0,6-60° в зависимости от его диаметра, т.е. количество пластин каждого статора составляет от 6 до 600. Чем больше пластин, тем уже каналы между ними, и тем больше аэродинамические потери энергии ветра в этих каналах. В то же время, эффективность собирания ветра при частом расположении пластин снижается, т.к. одни пластины всегда оказываются частично заэкранированы другими.

При сравнении с другими подобными агрегатами выявляется ряд недостатков таких как:

- большого количества различных деталей и сборочных единиц ведущих к технологической сложности изготовления, проблемам при сборке конструкции и вводе в эксплуатацию на месте;

- больший момент инерции из-за того, что значительная часть массы (многочисленные лопасти) сконцентрирована на достаточно большом расстоянии от оси. Поэтому для повышения эффективности и одновременно для снижения материалоемкости агрегата целесообразно отказаться от направляющих пластин, как это реализовано в следующем устройстве.

Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемой полезной модели можно считать изобретение «Роторный ветродвигатель» [Патент РФ RU 2210000].

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 установленными в каркасе с возможностью вращения на подшипниковых опорах, связанные с электрогенератором, средствами передачи момента вращения, рабочие пластины, изогнутые в вертикальной и горизонтальной плоскости, причем в вертикальной плоскости рабочие пластины изогнуты по спирали,

при этом средства взаимодействия с воздушным потоком выполнены в виде дополнительно введенных, соединенных со свободными концами рабочих пластин и разнесенных в осевом направлении, по меньшей мере, четырех парных колец, с образованием по меньшей мере двух секций,

таким образом, что каждая из рабочих пластин в секции, размещена между двумя кольцами, электрогенератор размещен между встречно вращающимися секциями, средства передачи момента вращения выполнены в виде соединяющих ротор и статор электрогенератора с рабочими пластинами встречно вращающихся секций, валов,

при этом рабочие пластины, изогнуты в горизонтальной плоскости таким образом, что образуют в любом горизонтальном сечении один период синусоиды,

угол поворота по спирали каждой из 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 каждой из секций 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.

Для решения поставленной задачи предлагается конструкция вертикально осевого ветрогенератора, содержащего в себе четыре (по меньшей мере) соосных, горизонтально расположенных плоских кольца 1, 2, 3 и 4 (фиг.4) с закрепленными между ними парой одинаковых по форме и размеру пластинами 5 и 6, расположенными зеркально-симметрично друг относительно друга, и электрогенератором встречного вращения 20 (ротор 28 и статор 29 вращаются встречно). При этом нижние углы 7 и 8 пластины 5, прикреплены к верхней поверхности кольца 2, а ее верхние углы 9 и 10 - к нижней поверхности кольца 1. В свою очередь кольцо 2 жестко связано с ротором 28 электрогенератора 20, статор которого 29 жестко связан с верхней поверхностью кольца 3, нижняя поверхность которого закреплена на верхних углах 13 и 14 пластины 6.

Кольца 1 и 2, пластина 5 вместе с ротором 28 закреплены на валу 30.

Кольца 3 и 4 вместе со статором 29 закреплены на полом валу - 15, который крепится с помощью подшипниковых опор 16 в каркас 17. Оси валов 15 и 30 совпадают друг с другом, а также с геометрическими центрами колец 1, 2, 3 и 4 и осями симметрии пластин 5 и 6. Внутри полого вала 15 проходят токопроводящие провода (на рисунках не показаны), которые через скользящие контакты (щетки, на рисунках не показаны) обеспечивают передачу электроэнергии с обмоток статора к потребителю.

Пластина 6 может состоять из двух симметричных фрагментов 18 и 19, которые независимо крепятся к валу 15, с противоположных его сторон, что повышает технологичность изготовления узла. Либо пластина 6 может быть цельной, а вал 15 в этом случае выполняется составным: в виде двух полуцилиндров, между которыми зажимается пластина 6, что повышает технологичность изготовления пластины. В обоих случаях зазоры между половинками 18 и 19 пластины 6 отсутствуют. Точно также пластина 5 может состоять из двух симметричных фрагментов либо быть цельной и зажатой между полуцилиндрическими фрагментами вала 30. Пластины 5 и 6 в любом горизонтальном сечении А-А имеют волнообразную форму, близкую к одному периоду синусоиды.

Смещение углов 9 и 10 относительно углов 7 и 8 пластины 5 на угол =30-45 градусов обеспечивает винтообразную, близкую к геликоидной форму рабочей пластины 5.

Пластина 6 выполнена аналогичным образом, являясь при этом точной «зеркальной» копией пластины 5 для обеспечения создания встречного момента при взаимодействии с набегающим воздушным потоком 22.

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 5. На фиг.3 схематически стрелками показано направление вращения 27 верхней секции и направление набегающего воздушного потока 22 и уходящего воздушного потока 26. Аналогично выглядит и нижняя секция, включающая кольца 3 и 4 и пластину 6, с тем отличием, что уходящий воздушный поток 25 (фиг.3) в ней отклоняется вниз, а не вверх. Кольца 1, 2, 3 и 4 дополнительно усилены спицами 23 (фиг.1 и 2) и попарно в каждой из секций соединены стойками 24 в количестве 3-5 шт.(фиг.1). Это создает необходимую жесткость всей конструкции, что препятствует деформации пластин 5 и 6 при шквалистом ветре, а так же способствует сохранению формы пластин 5 и 6 на протяжении всего периода эксплуатации.

На фиг.2 показано поясняющее компьютерное изображение (вид сверху) верхней секции ветрогенератора, включающей кольцо 1, пластину 5, спицы 23 и вал 15.

Фиг.3 - схематически иллюстрирует взаимодействие пластин 5 и 6 с набегающим воздушным потоком 22 и показывает направление вращения 21 и 27 и направления уходящих воздушных потоков 25 и 26. Кольца на этом рисунке не показаны, а секции для наглядности разнесены по высоте.

Предлагаемый ветрогенератор в целом схематически показан на фиг.4.

Он состоит из двух описанных выше секций, жесткозакрепленных на генераторе встречного вращения 20, статор которого 29 в свою очередь жестко закреплен на валу 15. Вал 15 установлен в каркасе 17 с помощью подшипниковых узлов 16.

Работает устройство следующим образом:

Поток набегающего воздуха 22, набегая на поверхность воспринимающих пластин 5 и 6, благодаря их винтообразной форме, создает вращающие моменты относительно вертикальных осей валов 15 и 30. Моменты возникают потому, что динамический напор воздуха на вогнутые части пластин 5 и 6 существенно больше давления на их выпуклые части, т.к. последние более обтекаемые. Эти моменты, приводят во встречное вращение валы 15 и 30, которые в свою очередь вызывают встречное вращение соответственно статора 29 и ротора 28 электрогенератора 20. Винтообразная форма пластины 5 обеспечивает отвод большей части достигших ее поверхности воздушных масс вверх, параллельно оси вала 30 и способствует поступлению новых воздушных масс независимо от направления ветра. Аналогично, винтообразная форма пластины 6 обеспечивает отвод большей части достигших ее поверхности воздушных масс вниз, параллельно оси вала 15 и способствует поступлению новых воздушных масс независимо от направления ветра. Встречное вращение обеспечивается за счет того, что пластина 6, закрепленная на статоре 29 генератора 20, расположена зеркально-симметрично относительно пластины 5, закрепленной на роторе 28 генератора 20. Нижняя пластина 6, закрепленная на статоре 29 генератора будет вращаться, например, против часовой стрелки, а верхняя пластина 5, закрепленная на роторе 28 будет вращаться встречно, например, по часовой стрелке. Суммарная площадь боковых поверхностей колец 1, 2, 3 и 4, спиц 23 и стоек 24 невелика, поэтому они не оказывают заметного аэродинамического сопротивления потоку. Набегающий воздушный поток 22, передав пластинам 5 и 6 часть своей кинетической энергии, уходит вверх и вниз в зависимости от расположения пластины, не мешая тем самым поступлению новых воздушных масс. Благодаря этому скорость вращения ротора и статора, и коэффициент использования энергии ветра увеличиваются.

Технические преимущества использования предлагаемого вертикально-осевого ветрогенератора состоят в следующем.

1. Спиральная форма и зеркально-симметричное расположение пластин 5 и 6 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. Закрепленные на роторе 28 и статоре 29 генератора встречного вращение 20 рабочие пластины 5 и 6 позволяют примерно в два раза увеличить относительную скорость движения обмоток статора и постоянных магнитов ротора, что позволяет повысить удельную (по отношению к объему генератора) мощность.

1. Вертикально-осевой ветрогенератор, имеющий средства взаимодействия с воздушным потоком, включающие соединенные с установленными в каркасе с возможностью вращения на подшипниковых опорах, связанные с электрогенератором средствами передачи момента вращения 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, четырех парных колец, с образованием по меньшей мере двух секций, таким образом, что каждая из рабочих пластин в секции размещена между двумя кольцами и сориентирована таким образом, что, по меньшей мере, две из секций вращаются встречно, электрогенератор размещен между встречно вращающимися секциями, средства передачи момента вращения выполнены в виде соединяющих ротор и статор электрогенератора с рабочими пластинами встречно вращающихся секций, валов, рабочие пластины изогнуты в горизонтальной плоскости таким образом, что образуют в любом горизонтальном сечении один период синусоиды, угол поворота по спирали каждой из рабочих пластин в вертикальной плоскости составляет не менее 30º.

2. Вертикально-осевой ветрогенератор по п.1, отличающийся тем, что 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 каждой из секций дополнительно соединены между собой введенными в устройство стойками.