ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2015 года по МПК F03D3/04 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам с вертикальной осью вращения ротора, используемым для получения механической и электрической энергии.

Известны различные технические решения в рассматриваемой области.

Так, известен ветродвигатель (патент РФ на изобретение №2168059, МПК F03D 3/04, опубл. 27.05.2001), содержащий ротор турбины с лопастями и направляющий аппарат, образованный из неподвижных осесимметричных направляющих створок, закрепленных верхней и нижней крышками. Входная и выходная кромки направляющих створок ориентированы по оси вращения ротора турбины. Турбина образована рядом радиальных профилированных осесимметричных лопастей и расположена внутри направляющего аппарата. Кромки лопаток турбины сориентированы так, чтобы обеспечить плавное перетекание воздуха с направляющих створок на лопатки турбины.

Основным недостатком известного изобретения является неполное использование энергии ветрового потока, из-за отсутствия отхода энергии потока, идущего вверх, вдоль оси модуля.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является роторная электростанция (патент РФ на изобретение №2215898, МПК F03D 3/04, опубл. 10.11.2003), которая выбрана в качестве прототипа. Роторная электростанция содержит электрогенератор, установленный на валу, ротор радиальной турбины с лопастями, вал которого связан с валом электрогенератора, и направляющий аппарат, включающий оболочки, между которыми расположены лопатки с прямолинейными входной и выходной кромками. Ротор радиальной турбины расположен внутри направляющего аппарата. Обе кромки лопаток направляющего аппарата ориентированы по оси вращения ротора турбины. Ветроэнергетическая установка выполнена, по меньшей мере, из одного модуля. При этом, вал модуля механически связан с валом электрогенератора.

Обеспечиваемая известным устройством схема движения ветрового потока внутри устройства повышает эффективность использования энергии ветра, однако, не в полной мере. К недостаткам устройства относится то, что полностью работает только часть лопаток турбины, расположенных внизу установки, так как с увеличением ее высоты, все большая часть воздуха, отходящего вверх по межлопаточным каналам турбины, не участвует в создании механической энергии, и препятствует в создании этой энергии воздуху, поступающему на лопатки турбины из направляющего аппарата. Особенно, потери энергии могут возрастать при количестве модулей больше одного.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является создание ветроэнергетической установки с улучшенными характеристиками, а именно с повышенной эффективностью использования энергии ветра.

Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии ветра, а именно в использовании энергии всего ветрового потока, поступающего на лопатки турбины из направляющего аппарата, для создания механической энергии.

Достигается технический результат за счет того, что в ветроэнергетической установке, содержащей электрогенератор, установленный на валу, ротор турбины с лопастями, вал которого связан с валом электрогенератора, и направляющий аппарат, включающий наружную и внутреннюю оболочки, между которыми расположены лопатки, с прямолинейными входной кромкой, ориентированной по оси вращения ротора турбины, и выходной кромкой, согласно изобретению направляющий аппарат выполнен сложной формы, наружная и внутренняя оболочки направляющего аппарата представляют собой круговые седлообразные поверхности вращения вокруг оси вращения ротора. Выходные кромки лопаток ориентированы перпендикулярно оси вращения, лопатки направляющего аппарата закручены от входной кромки, ориентированной по оси вращения ротора, как в осевом, так и окружном, относительно оси вращения ротора, направлениях. Причем, проходное сечение межлопаточных каналов уменьшается в направлении выхода - входа в турбину, выполненную осевой.

Дополнительным отличием предлагаемого изобретения является то, что электрогенератор расположен в полости, образованной внутренней оболочкой направляющего аппарата, или за ротором турбины.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой изображен общий вид установки, где:

1 - электрогенератор;

2 - вал электрогенератора 1;

3 - ротор турбины;

4 - лопасти;

5 - вал ротора 3;

6 - наружная оболочка направляющего аппарата;

7 - внутренняя оболочка направляющего аппарата;

8 - ось вращения;

9 - лопатки направляющего аппарата;

10 - входная кромка;

11 - выходная кромка;

12 - корпус ротора 3 турбины;

13 - входное отверстие корпуса 12;

14 - выход направляющего аппарата;

15 - первая стенка отверстия;

16 - вторая стенка отверстия;

17 - полость;

фиг.2, на которой изображен разрез установки по А-А;

фиг.3, на которой представлено изометрическое изображение лопаток 9 направляющего аппарата, где 18 - межлопаточные каналы.

Ветроэнергетическая установка содержит электрогенератор 1, установленный на валу 2, ротор 3 турбины с лопастями 4, вал 5 которого связан с валом 2 электрогенератора 1. Установка также содержит круговой направляющий аппарат сложной формы, имеющий наружную 6 и внутреннюю 7 оболочки, образующие которых представляют собой круговые седлообразные поверхности вращения вокруг оси вращения ротора 8. Между оболочками 6 и 7 расположены лопатки 9 направляющего аппарата. Входная 10 и выходная кромки 11 лопаток 9 выполнены прямолинейными, причем входная кромка 10 ориентирована по оси 8, а выходная кромка 11 - перпендикулярно оси 8. Лопатки 9 (фиг.2 и 3) закручены как в направлении вращения ротора 3 турбины, так и в направлении оси вращения 8 турбины, причем проходное сечение межлопаточных каналов 18 уменьшается в направлении выходной кромки 11. Лопатки 9 изменяют направление одновременно как от радиального к осевому, так и от радиального к окружному. Ротор 3 турбины установлен в корпусе 12, имеющем входное отверстие 13, сообщенное с выходом 14 направляющего аппарата, а стенки 15, 16 входного отверстия 13 корпуса 12 являются продолжением оболочек 6 и 7 направляющего аппарата.

Электрогенератор 1 может быть расположен за ротором 3 турбины или в полости 17, образованной внутренней оболочкой 7 направляющего аппарата.

Работа ветроэнергетической установки не зависит от направления ветра и не требует ориентации на ветер. Осуществляется работа установки следующим образом.

Поток ветра поступает в межлопаточные каналы 18 направляющего аппарата. Разогнавшийся в направляющих межлопаточных каналов 18 и изменивший направление поток под требуемым углом находит на всю поверхность рабочих лопастей 4 турбины и отдает им свою энергию. В результате, вся кинетическая энергия воздушного потока преобразуется в механическую энергию вращения, и, в дальнейшем, в электрогенераторе 1 - в электрическую энергию.

Таким образом, в предлагаемой установке, в отличие от известных аналогов, полностью работает вся поверхность лопастей 4 турбины. Максимальное использование энергии ветрового потока позволит повысить КПД преобразования энергии ветра в механическую энергию.

Ветроэнергетическая установка относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам с вертикальной осью вращения ротора, используемым для получения механической и электрической энергии. Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии ветра, а именно в использовании энергии всего ветрового потока, поступающего на лопатки турбины из направляющего аппарата, для создания механической энергии. Достигается технический результат тем, что направляющий аппарат выполнен сложной формы, наружная и внутренняя оболочки направляющего аппарата представляют собой круговые седлообразные поверхности вращения вокруг оси вращения ротора, выходные кромки лопаток ориентированы перпендикулярно оси вращения, лопатки направляющего аппарата закручены от входной кромки, ориентированной по оси вращения ротора, как в осевом, так и окружном, относительно оси вращения ротора, направлениях, причем проходное сечение межлопаточных каналов уменьшается в направлении выхода - входа в турбину, выполненную осевой. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая электрогенератор, установленный на валу, ротор турбины с лопастями, вал которого связан с валом электрогенератора, и направляющий аппарат, включающий наружную и внутреннюю оболочки, между которыми расположены лопатки, с прямолинейными входной кромкой, ориентированной по оси вращения ротора турбины, и выходной кромкой, отличающаяся тем, что направляющий аппарат выполнен сложной формы, наружная и внутренняя оболочки направляющего аппарата представляют собой круговые седлообразные поверхности вращения вокруг оси вращения ротора, выходные кромки лопаток ориентированы перпендикулярно оси вращения, лопатки направляющего аппарата закручены от входной кромки, ориентированной по оси вращения ротора, как в осевом, так и окружном, относительно оси вращения ротора, направлениях, причем проходное сечение межлопаточных каналов уменьшается в направлении выхода - входа в турбину, выполненную осевой.

2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что электрогенератор расположен в полости, образованной внутренней оболочкой направляющего аппарата.

3. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что электрогенератор расположен за ротором турбины.