Результат интеллектуальной деятельности: ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ОРТОГОНАЛЬНОГО ТИПА

Изобретение относится к области нетрадиционной энергетики и может быть использовано в конструкциях ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения, предназначенных для обеспечения электроэнергией электросетей бытового и промышленного назначения, потребляющих электроэнергию малой и средней мощности.

Известен ветрогенератор с вертикальной осью вращения, включающей ротор, ветроколесо, статор, причем ось вращения ротора и ветроколеса совпадает с вертикальной осью вращения, а также ветроколесо содержит, по меньшей мере, три траверсы, каждая из которых прикреплена одним концом к ротору, на втором конце закреплена одна вертикально установленная лопасть, имеющая выпукло-вогнутый аэродинамический профиль, обращенный своей выпуклой частью наружу (от оси вращения ветроколеса). Лопасти могут быть выполнены из алюминия, стекловолокна, стеклотекстолита, текстолита, стеклопластика, эпоксидной смолы или комбинации, по меньшей мере, двух приведенных материалов [см. пат. Украины №110606 по классам МПК²⁰¹⁶ F03D 3/00, F03D 7/00, Н02К 21/00 опубликованный 10.10.2016 г. в Бюл. №19].

Основным недостатком данного технического решения является недостаточная эффективность использования энергии набегающего воздушного потока, что вызвано установкой лопастей выпуклой частью наружу, а вогнутой - вовнутрь. При вхождении такой лопасти в рабочую зону, воздушный поток сначала попадает на ее вогнутую часть и вызывает торможение лопасти, поскольку выпуклая часть еще находится «в тени» тела лопасти. И только лишь когда лопасть при повороте центральной оси ветроколеса установится параллельно воздушному потоку, в ней появляется подъемная сила, вызывающая тягу и принудительное вращение всего ветроколеса. Противоположная же лопасть на данном этапе никакого участия в обеспечении вращения ветроколеса не принимает. Из сказанного следует, что только одна лопасть обеспечивает вращение ветроколеса, то есть использование мощности ветрового потока оказывается минимальным.

Этот недостаток устранен в ветроэнергетической установке с вертикальной осью вращения, включающая ротор, ветроколесо, статор, причем ось вращения ротора и ветроколеса совпадает с вертикальной осью вращения, а также ветроколесо содержит две траверсы, каждая из которых прикреплена одним концом к ротору, на втором конце закреплена одна вертикально установленная лопасть, имеющая двояковыпуклый аэродинамический профиль, обращенный своей большей выпуклостью вовнутрь (к оси вращения ветроколеса) [см. Международную заявку № WO 2013/065927 по классу МПК²⁰⁰⁶ F03D 11/00, F03D 3/06 опубликованную 10.05.2013 года].

Из-за двояковыпуклости лопасти, несмотря на несимметричность выпуклостей, в ней практически отсутствует подъемная сила, «тянущая» лопасть вперед, вызывая вращающий момент, проворачивающий ветроколесо относительно вертикальной оси его крепления. В данной ветроэнергетической установке вращение ветроколеса обеспечивается за счет установки лопасти под углом (угол атаки), однако, скорость вращения лопастей в такой ветроэнергетической установки не превышает скорость набегающего ветрового потока, то есть, такие установки считаются тихоходными и используются в качестве ветровых водоподъемников, а для выработки электроэнергии они не приспособлены (из-за тихоходности).

Наиболее близкой по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемой за прототип, является ветроэнергетическая установка ортогонального типа (с вертикальной осью вращения), включающая мачту с электрогенератором и ветроколесо, выполненное в виде радиально отходящих от мачты траверс в соединении вала генератора с вертикальными лопастями аэродинамического профиля, обращенного выпуклостью к оси вращения ветроколеса [см. официальный сайт МАП Энергия - ветрогенераторы: ЭНЕРГИЯ ВЕТРА 220. 3) Вертикальные ветрогенераторы с самолетным профилем крыла, пятилопастные [Название с экрана]. - Электронный ресурс. - Режим доступа: www.vetrogenerator.ru. - Вход в сайт 25.12.2018 г. 10 ч 55 мин].

Несмотря на то, что разворотом лопастей на 180° (выпуклостью вовнутрь) авторам удалось несколько увеличить активную зону (сектор, в котором в лопасти возникает подъемная сила, вызывающая момент вращения ветроколеса), все же, известная ветроэнергетическая установка недостаточно использует мощность набегающего ветрового потока. Это связано с тем, что в данной конструкции выпуклая часть лопасти «работает» не полностью: в задней части лопасти происходит срыв воздушного потока, создается вакуум, который тормозит лопасть (тянет назад), тем самым снижая крутящий момент. В результате этого аэродинамического явления, данная ветроэнергетическая установка недостаточно использует энергию набегающего ветрового потока, следовательно, для дальнейшего увеличения установочной мощности ветроэнергетической установки необходимо либо увеличивать диаметр ее ветроколеса, либо количество лопастей. Однако, увеличенное ветроколесо также будет терять часть энергии ветрового потока по той же причине - несовершенства конструкции лопастей: ограниченности их аэродинамических свойств, а простое увеличение лопастей, не только усложняет конструкцию ветроустановки и балансировку лопастей, но и не может быть бесконечным, поскольку каждая лопасть будет создавать воздушную тень для последующей, тем самым, практически полностью «выключая» из работы «затененную» лопасть.

Вторым недостатком известной ветроэнергетической установки является то, что на каждой траверсе закреплено одинарная лопасть, размер (хорда) которой определяет размер активной зоны (сектор, в котором лопасть «работает»). В известной установке этот сектор довольно узкий. Увеличить его невозможно, поскольку для этого необходимо увеличивать хорду лопасти, а она, в свою очередь, находится в функциональной зависимости с диаметром ветроколеса: при малом диаметре ветроколеса задняя часть широкой лопасти будет тормозить, сводя на «нет» тянущие свойства передней части лопасти, поскольку задняя часть широкой лопасти не будет располагаться параллельно воздушному потоку.

Вторым недостатком известной ветроэнергетической установки является то, что ее лопасти не имеют возможность изменять угол атаки. Если возникнет необходимость, например, изменился профиль или размер лопасти или имеется специфика ветрового потока, необходимость изменения мощности ветроэнергетической установки, понятно, гораздо экономичнее изменить угол атаки лопасти, чем менять все ветроколесо. Но эта техническая возможность в известном техническом решении упущена.

В основу изобретения поставлена задача дальнейшего увеличения мощности ветроэнергетической установки с вертикальной остью вращения без увеличения ее габаритных размеров за счет увеличения крутящего момента путем изменения конструкции лопастей ветроколеса.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в ветроэнергетической установке ортогонального типа, включающей мачту с электрогенератором и ветроколесо в виде радиально отходящих от мачты траверс в соединении вала электрогенератора с вертикальными лопастями аэродинамического профиля, обращенного выпуклостью к оси вращения ветроколеса, согласно предложению, каждая лопасть ветроколеса снабжена дополнительной лопастью с таким же аэродинамическим профилем и величиной хорды, при этом дополнительная лопасть имеет типовой для дозвуковых скоростей предкрылок и установлена относительно лопасти выпуклостью к оси вращения со смещением к оси вращения на 1/3 хорды и на 2/3 хорды в сторону вращения ветроколеса, а также каждая лопасть и дополнительная лопасть установлены на траверсе с возможностью изменения их угла атаки с фиксацией выбранного угла.

Благодаря тому, что дополнительная лопасть «прикрывает» и своей вогнутостью изменяет направление воздушного потока, происходит прижатие этого воздушного потока к выпуклой части лопасти, в результате чего рабочий угол атаки (угол атаки без срыва потока) лопасти становится в несколько раз больше, чем у одиночного крыла (прототипа). Благодаря тому, что предкрылок направляет набегающий воздушный поток на выпуклую часть дополнительной лопасти, эффективность работы последней также увеличивается по той же причине. Таким образом, дополнительная лопасть с предкрылком, в совокупности с лопастью, увеличивают сектор активной работы лопасти без увеличения диаметра ветроколеса, обеспечивая увеличение крутящего момента, а значит - и установочную мощность предложенной ветроэнергетической установки. Смещение дополнительной лопасти на 1/3 хорды к оси вращения и на 2/3 хорды лопасти в сторону вращения ветроколеса является оптимальным и подобрано опытным путем. Любые другие уровни смещения, даже незначительные, заметно снижают скорость вращения ветроколеса, а значит, и крутящий момент. Установка лопастей с возможностью изменения угла атаки расширяет технико-функциональные возможности предложенной ветроэнергетической установки.

Дальнейшая сущность изобретения поясняется совместно с иллюстрационным материалом, на котором изображено следующее: фиг. 1 - внешний вид предложенной ветроэнергетической установки ортогонального типа; фиг. 2 - фрагмент ветроколеса, в частности, расположение в пространстве лопасти, дополнительной лопасти и предкрылка, вид сверху.

Предложенная ветроэнергетическая установка ортогонального типа содержит ветроколесо с траверсами 1, каждая из которых прикреплена одним концом к оси вращения 2. На втором (консольном) конце траверсы 1 закреплена вертикально установленная лопасть 3, имеющая выпукло-вогнутый аэродинамический профиль, обращенный своей выпуклой частью вовнутрь ветроколеса. Лопасть 3 ветроколеса снаружи снабжена дополнительной лопастью 4 аэродинамического профиля, смещенной вперед в сторону вращения ветроколеса на 2/3 хорды и на 1/3 хорды к оси вращения 2. В свою очередь, дополнительная лопасть 4 снабжена предкрылком 5 (типичной формы и размеров для предкрылков), установленным на некотором расстоянии от носовой части этой дополнительной лопасти 4.

Ось вращения 2 одновременно является валом ротора электрогенератора 6. Статор электрогенератора 6 неподвижен и связан с мачтой 7 ветроэнергетической установки. Ротор электрогенератора 6 связан с ветроколесом через ось вращения 2 и вращается вместе с ним. При вращении ветроколеса, вращается ось 2, вместе с ней и ротор электрогенератора 6, вырабатывая электроэнергию.

Каждая лопасть 3 и дополнительная лопасть 4 установлены на траверсе 1 с возможностью изменения их угла атаки, для чего они могут поворачиваться относительно осей 8 по пазам 9 с фиксацией в выбранной положении.

Предложенная ветроэнергетическая установка ортогонального типа работает следующим образом.

Набегающий воздушный поток воздействует на лопасть 3 ветроколеса. Благодаря ее аэродинамическому профилю, воздушный поток огибает выпуклую часть лопасти, вызывая появление подъемной силы, которая тянет лопасть вперед, обеспечивая вращение ветроколеса. В обычной лопасти, на нисходящей части ее выпуклости возникает разряжение (вакуум), из-за которого эта часть лопасти «не работает», поскольку в ней не возникает подъемная сила. Это негативное явление предупреждает дополнительная лопасть 4, которая своей вогнутой частью направляет воздушный поток на хвостовую часть лопасти 3, благодаря чему, в последней появляется подъемная сила по всей длине выпуклой части лопасти 3. Поскольку дополнительная лопасть выполнена также выпукло-вогнутой, на ее выпуклой части также возникает подъемная сила, обеспечивающая дополнительный вращающий момент ветроколесу. Таким образом, дополнительная лопасть 4 своей вогнутой частью обеспечивает увеличение подъемной силы в лопасти 3, а своей выпуклой частью создает дополнительную подъемную силу. Предкрылок 5 защищает дополнительную лопасть 4 от срыва воздушного потока, что обеспечивает работу ее выпуклой части. К тому же, предкрылок 5 направляет воздушный поток на выпуклую часть дополнительной лопасти 4, обеспечивая в ней возникновение дополнительной подъемной силы. Лопасть 3, дополнительная лопасть 4 и предкрылок 5, работая совместно, увеличивают активную (рабочую) зону (сектор) и суммарную аэродинамическую силу, поэтому общая мощность ветроэнергетической установки возрастает без увеличения диаметра ветроколеса и количества лопастей по его диаметру.

Опытный образец предложенной ветроэнергетической установки был изготовлен и испытан. Ветроколесо с такими (спаренными) лопастями вращается в два раза быстрее, чем ветроколесо, взятое за прототип (размеры и площадь образцов одинаковы). Активный сектор работы лопастей в предложенной ветроэнергетической установке стал шире примерно в два раза. Если лопасти и предкрылок сблизить или отдалить, сместить вперед или назад от найденных опытным путем размеров, аэродинамическая подъемная сила резко снижается, что заметно сказывается на скорости вращения ветроколеса, следовательно, и на мощности ветроэнергетической установки.

Существенное отличие заявленного технического решения, от ранее известных, заключается в том, что лопасть ветроколеса снабжена дополнительной лопастью, установленной от нее со смещением в двух направлениях, и дополнительная лопасть, в свою очередь, снабжена типовым предкрылком. Указанная система лопастей, в совокупности, дополняя друг друга, обеспечивают расширение активной зоны работы лопастей за счет максимально возможного использования их аэродинамического профиля. В результате этого, скорость вращения и мощность ветроэнергетической установки возрастает без увеличения размеров ветроколеса и количества лопастей. Ни одна из известных ветроэнергетических установок ортогонального типа не могут обладать указанными свойствами, поскольку не содержат в своем составе всей совокупности существенных признаков, присущих заявленному техническому решению.

К техническим преимуществам заявленного технического решения, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:

- увеличение крутящего момента лопасти за счет отсутствия на гораздо больших углах атаки срыва воздушного потока;

- увеличение мощности ветроэнергетической установки за счет увеличения суммарной подъемной силы лопастей без увеличения размеров установки и количества лопастей;

- расширение технических возможностей за счет возможности регулировки угла атаки лопастей и дополнительных лопастей;

- снижение вибрации и аэродинамического шума за счет уравновешенности системы лопастей.

Экономический эффект от внедрения предложенного технического решения по сравнению с использованием прототипа, получают за счет универсальности рабочих органов (все лопасти имеют одинаковый аэродинамический профиль), а также за счет того, что для получения большей электрической мощности, нет необходимости увеличивать размеры ветроэнергетической установки или усложнять ее конструкцию.