ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2003 года по МПК F03D1/00 

Изобретение относится к области ветроэнергетики и касается двигателей с осью вращения, совпадающей с направлением ветра.

Известен реактивный ветродвигатель с вертикальной осью, содержащий установленный на опоре ротор с вертикальными S-образными лопастями, жестко закрепленными между торцевыми дисками, при этом ротор имеет по меньшей мере две установленные параллельно S-образные лопасти. Он снабжен двумя роторами, установленными поярусно, причем лопасти одного ротора расположены под углом 90^o относительно лопастей другого (пат. РФ 2006664, F 03 D 03/00).

К недостаткам данного устройства можно отнести следующее:
1. При данном расположении лопастей будет работать только 50% лопасти.

2. Устройство требует дополнительного устройства для приведения роторов по ветру.

3. В этом случае, если один из роторов приведен по ветру, то другой вне зоны воздействия ветра. Следовательно, низкий коэффициент полезного действия (КПД).

4. Установка металлоемка и не работает на ветрах малых скоростей.

Известна ветровая установка, состоящая из башни и расположенных на ней валов, размещенных в горизонтальной плоскости по углом к друг к другу и с установленными на отдельных валах ветровыми колесами, при этом каждый вал сочленен со своим электрогенератором, а ветроколеса выполнены двойными из упругой бесконечной ленты, разделенной в указанных участках на 180^o и закрепленные на рассекателях со скошенной плоскостью (пат. РФ 2002104, F 03 D 01/06).

К недостаткам данного устройства можно отнести следующее:
Установка работает только на высокой опоре и при большой скорости ветра. Сложность конструкции и высокая металлоемкость.

Наиболее близким аналогом является ветроэнергетический агрегат, содержащий ветроколесо, установленное на горизонтальной оси, связанное с постоянными магнитами ротора, который окружает круговой статор с обмотками, поворотную втулку, на которой с противоположенных сторон закреплены ось ветроколеса и направляющее на ветер устройство. При этом статор с ротором размещены на опоре вертикально и соосно с ней, а над ними установлена угловая передача от ротора к ветроколесу. Кроме этого агрегат содержит тормозные колодки и фиксатор, установленные у основания опоры, охватывающие по внешней поверхности нижнюю часть ротора. Фиксатор установлен под нижним краем лопасти ветроколеса. Направляющее на ветер устройство выполнено с возможностью поворота у втулки в подвижной связи (пат. РФ 2000466, F 03 D 01/00).

Отрицательными моментами данного изобретения является следующее:
Сложность конструкции, следовательно, низкая надежность. Большая металлоемкость, низкий КПД использования энергии ветра, высокая акустическая напряженность. Устройство не способно работать на низких скоростях ветра.

Задача изобретения - повышение КПД ветроэнергетической установки с возможностью ее на слабых ветрах от 2 м/с со снижением ее металлоемкости и повышением универсальности использования.

Поставленная задача решается за счет того, что в ветроэнергетической установке, содержащей ветровоспринимающие рабочие органы, установленные на горизонтальном валу, являющимся и валом ротора генератора, расположенные на несущем элементе, ветровоспринимающие рабочие органы состоят из двух симметричных и идентичных лопастей, серединное сечение которых имеет вид синусоиды, а их горизонтальные оси совпадают с центральной горизонтальной осью установки, при этом вертикальное сечение лопастей имеет каплевидную форму, тупые концы которого направлены в сторону формирования ветрового потока, а развертки лопастей выполнены в виде прямоугольника, длинные стороны которого заменены на вогнутые дуги одинакового радиуса с обоих направлений и с центрами, находящимися на центральной оси прямоугольника, при этом площадки, на которые установлены лопасти, повернуты на 90^o относительно друг друга, а центральные оси оснований лопастей, установленных с противоположенных сторон одной площадки, образуют между собой острый угол. Сами площадки через подшипниковый узел установлены на опорной дуге, которая опирается на другой подшипниковый узел, ось которого проходит через центр тяжести ветроэнергетической установки.

Новыми существенными признаками являются:
1. Ветровоспринимающие рабочие органы состоят из двух симметричных идентичных лопастей.

2. Средний линии лопастей имеют вид синусоиды, горизонтальные оси последних совпадают с центральной горизонтальной осью установки.

3. Вертикальное сечение лопастей имеет каплевидную форму.

4. Развертка лопасти выполнена в виде прямоугольника, длинные стороны которого заменены на вогнутые дуги с одинаковыми радиусами и с центрами, расположенными на центральной оси прямоугольника.

5. Площадки, на которые установлены основания лопастей, повернуты на 90^o относительно друг друга.

6. Центральные оси оснований лопастей, установленных с противоположенных сторон одной площадки, образуют между собой острый угол.

7. Площадки через подшипниковые узлы установлены на опорной дуге.

8. Дуга опирается на подшипниковый узел, ось которого проходит через центр тяжести ветроэнергетической установки.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Технический результат.

Установка работает с КПД от 52 до 86 процентов, что достигается двойным использованием ветрового потока и уменьшением индуцированного сопротивления лопастей вследствие их каплевидной формы, с использованием возникающей от этого подъемной силы как разгружающей подшипниковые узлы.

Конструкция и взаиморасположение лопастей позволяет использовать ветровые потоки от 2 м/с и не требует предварительного запуска.

Работа установки не зависит от ее месторасположения. Для непрерывности использования ветрового потока установлены две симметричные идентичные лопасти, а их конфигурация позволяет снизить акустическую напряженность работы установки (40 dB (децибел) при 1400 об/мин), так как в любых двух равноудаленных от оси симметрии вертикальных сечениях возникающие вращательные моменты равны. Это позволяет эксплуатировать установку в густо населенных районах.

При изменении направления ветра установка самоустанавливается в оптимальном направлении.

Графический материал представлен следующим:
Фиг.1 - схема ветроэнергетической установки.

Фиг.2 - развертка лопасти.

Фиг.3 - вертикальное сечение лопасти.

Фиг.4 - взаимное расположение площадок крепления лопастей.

Фиг.5 - проекция оснований лопастей на площадку их крепления.

Ветроэнергетическая установка состоит из опорной дуги 1, которая опирается на подшипниковый узел 2, центральная ось 3 которого проходит через центр тяжести установки 4. На опорной дуге 1 с двух сторон через подшипниковые узлы 5 установлены вал 6 с площадкой 7 крепления лопастей 8 и 9, со средней линией 10 и формирователем потока 11 с одной стороны и вал 12 с площадкой 13 крепления лопастей 8 и 9 и ротором генератора 14 с другой стороны. Лопасти 8 и 9 идентичны и симметрично расположены относительно горизонтальной центральной оси установки. Средние линии 10 лопастей 8 и 9 имеют вид синусоиды, горизонтальные оси которых совпадают с центральной горизонтальной осью установки. Вертикальное сечение лопастей 8 и 9 имеют каплевидную форму, тупые концы которых направлены в сторону формирователя потока 11. Развертка лопастей 8 и 9 выполнена в виде прямоугольника, длинные стороны которого заменены на вогнутые дуги 15 одинакового радиуса R с центрами, расположенными на центральной оси прямоугольника. Площадки 7 и 13, на которых установлены основания лопастей 8 и 9, повернуты на 90^o относительно друг друга. Центральные оси 16 и 17 основания лопастей 8 и 9, установленные с противоположенной стороны на площадке 7, образуют между собой острый угол Y. Установка оснований лопастей 8 и 9 на площадке 13 - аналогично.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Ветровой поток набегает на формирователь потока 1l, который направляет его на лопасти 8 и 9. При обтекании воздушным потоком лопастей 8 и 9, поперечное сечение которых имеет каплевидную форму, создаются зоны повышенного и пониженного давлений, следствием чего является возникновение вращательного момента, приводящего лопасти во вращение. Полученное вращательное движение вала 12 преобразуется в электрическую энергию в генераторе 14. При изменении направления ветрового потока ветроэнергетическая установка без дополнительных приспособлений посредством формирователя потока 11 и формы лопастей самоориентируется навстречу ветровому потоку. При прохождении ветрового потока лопастей возникает подъемная сила, которая способствует снижению нагрузки на подшипниковые узлы установки.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в ветродвигателях с осью вращения, совпадающей с направлением ветра. Технический результат, заключающийся в повышении КПД установки, снижении ее металлоемкости и повышении универсальности использования, обеспечивается за счет того, что в ветроэнергетической установке, содержащей ветровоспринимающие рабочие органы, установленные на горизонтально расположенном валу, являющимся и валом генератора, и установленные на несущем элементе, согласно изобретению ветровоспринимающие рабочие органы состоят из двух симметрично расположенных идентичных лопастей, средние линии которых имеют вид синусоиды, горизонтальные оси последних совпадают с центральной горизонтальной осью установки, вертикальное сечение лопастей имеет каплевидную форму, с тупыми концами, направленными в сторону формирователя потока, а развертка лопасти выполнена в виде прямоугольника, длинные стороны которого заменены на вогнутые дуги с одинаковыми радиусами из центров, расположенных на центральной оси прямоугольника, при этом площадки, на которых установлены основания лопастей, повернуты на 90^o относительно друг друга, а оси оснований лопастей, установленных с противоположных сторон одной площадки, образуют между собой острый угол, при этом площадки через подшипниковые узлы установлены на опорной дуге, которая опирается на другой подшипниковый узел, ось которого проходит через центр тяжести установки. 5 ил.

Ветроэнергетическая установка, содержащая ветровоспринимающие рабочие органы, установленные на горизонтально расположенном валу, являющимся и валом генератора, и установленные на несущем элементе, отличающаяся тем, что ветровоспринимающие рабочие органы состоят из двух симметрично расположенных идентичных лопастей, средние линии которых имеют вид синусоиды, горизонтальные оси последних совпадают с центральной горизонтальной осью установки, вертикальное сечение лопастей имеет каплевидную форму, с тупыми концами, направленными в сторону формирователя потока, а развертка лопасти выполнена в виде прямоугольника, длинные стороны которого заменены на вогнутые дуги с одинаковыми радиусами из центров, расположенных на центральной оси прямоугольника, при этом площадки, на которых установлены основания лопастей, повернуты на 90° относительно друг друга, а оси оснований лопастей, установленных с противоположных сторон одной площадки, образуют между собой острый угол, при этом площадки через подшипниковые узлы установлены на опорной дуге, которая опирается на другой подшипниковый узел, ось которого проходит через центр тяжести ветроэнергетической установки.