Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в работающих от энергии ветра установках для выработки преимущественно электроэнергии.

Известны ветроэнергетические установки, содержащие ротор ветротурбины с преимущественно криволинейными лопастями и ветронаправляющий аппарат, полностью или частично охватывающий ротор ветротурбины и состоящий из преимущественно изогнутых отклоняющих пластин (лопаток), при этом обеспечивается плавное натекание ветрового потока на криволинейные лопасти ротора ветротурбины (SU 1721285A1, 1992; RU 2215898 Cl, 2003; US 6309172 Bl, 2001; DE 19739921, 1999; GB 2049066 А, 1980; FR 2811720 Al, 2002; EP 1096144 A2, 2001; WO 91/19093, 1991).

Недостатками известных установок являются невысокий коэффициент полезного действия, а также невозможность работы при малых значениях скорости ветра. Из известных установок наиболее близкой к заявленной является ветроэнергетическая установка, содержащая, по меньшей мере, один роторный ветрогенератор с вертикальной осью вращения, выполненный в виде модуля с возможностью вертикальной сборки модулей, включающий прикрепленные с зазором относительно вала модуля лопасти ротора ветротурбины, размещенного внутри выполненной соосно с ротором ветротурбины неподвижной системы ветронаправляющих экранов (статора), выполненной в виде вертикальных отклоняющих пластин (RU 2249722 Cl, 2005). В этой ветроэнергетической установке лопасти ротора ветротурбины выполнены в форме аэродинамических крыльев (изогнутыми). Вертикальные отклоняющие пластины также выполнены в форме аэродинамических крыльев так, что они своими вогнутыми поверхностями ориентированы в противоположном окружном направлении по отношению к вогнутым поверхностям лопастей ротора ветротурбины. В зазоре, образованном лопастями ротора, на валу модуля выполнен шнек со спиральными лопастями. В нижней части роторного ветрогенератора на валу, связанном с несущим цилиндром (валом модуля ветрогенератора), установлен блок электрогенераторов, при этом предусмотрена установка такого блока только на одном (нижнем) модуле.

Такая ветроэнергетическая установка обладает недостаточно высокой эксплуатационной эффективностью, в том числе из-за недостаточно высокого достигаемого коэффициента полезного действия и неэффективной работы установки при низких скоростях набегающего потока воздуха, а также из-за невозможности в полной мере реализовать преимущества модульного построения установки при ее использовании для выработки электроэнергии.

Конструкция такой ветроэнергетической установки не позволяет достичь высокого коэффициента полезного действия, в особенности при минимальном воздушном потоке, что связано с неэффективной работой неподвижной системы ветронаправляющих экранов и лопастей ротора ветротурбины. Наличие на валу модуля шнека со спиральными лопастями позволяет дополнительно закрутить воздушный поток для его отвода в атмосферу, но также не позволяет повысить эффективность работы установки при низких скоростях набегающего потока воздуха. Кроме того, в установке, состоящей из нескольких модулей (роторных ветрогенераторов) и предназначенной для выработки электроэнергии, наличие одного электрогенераторного блока только на одном (нижнем) модуле, ограничивает ее возможности и также не позволяет достичь высокого коэффициента полезного действия. Задачей изобретения является создание ветроэнергетической установки, лишенной недостатков прототипа. Технический результат, достигаемый за счет использования изобретения, заключается в повышении эксплуатационной эффективности ветроэнергетической установки, в том числе за счет повышения ее коэффициента полезного действия и обеспечения возможности работы при малых скоростях ветра.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ветроэнергетическая установка, содержащая основной энергетический модуль, включающий ротор с вертикальной осью вращения, образованный несущим цилиндром с прикрепленными к нему с образованием зазора лопастями, размещенный соосно внутри статора, образованного системой вертикально расположенных ветронаправляющих пластин, и выполненный с возможностью вертикальной установки, по меньшей мере, одного дополнительного энергетического модуля над основным, снабжена регулятором скорости вращения ротора, статор снабжен кольцами крепления ветронаправляющих пластин, каждая из которых снабжена подвижным сектором, установленным с возможностью телескопического изменения ее площади и связанным с регулятором скорости вращения ротора, лопасти ротора выполнены плоскими и снабжены завихрителями в виде изогнутых полосок, а зазор между лопастями ротора и несущим цилиндром выполнен в виде щелевого диффузора. А также, за счет того, что подвижный сектор вертикальных отклоняющих пластин может быть размещен внутри них или снаружи в прижатом к ним состоянии.

А также, за счет того, что ветронаправляющие пластины могут быть выполнены в поперечном сечении дугообразными, при этом лопасти ротора расположены радиально к оси вращения ротора, или каждая из ветронаправляющих пластин может быть выполнена плоской с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, проходящей по внешней кромке статора параллельно оси вращения ротора, и снабжена двумя ограничительными фиксаторами, расположенными у внутренней кромки статора, при этом лопасти ротора расположены по касательной к несущему цилиндру.

А также за счет того, что основной энергетический модуль в нижней части снабжен связанным с несущим цилиндром основным электроэнергетическим узлом.

Предпочтительно, что установка снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным электроэнергетическим узлом, связанным с несущим цилиндром, при этом один из дополнительных электроэнергетических узлов установлен в верхней части основного энергетического модуля, а другие установлены в нижней и верхней частях каждого дополнительного энергетического модуля, а в качестве электроэнергетического узла используют магнитоэлектрический генератор с распределенными обмотками статора, в частности, магнитоэлектрический генератор выполнен в виде ряда электромагнитных катушек, закрепленных вместе с выполненным с разомкнутым контуром магнитопроводом на кольце крепления ветронаправляющих пластин, и постоянных магнитов-индукторов, закрепленных на торцах ротора.

Модули ветроэнергетической установки в сборке могут быть выполнены с общей осью вращения или с раздельными осями вращения. Технический результат достигается также за счет того, что установка может быть снабжена блоком контроля скорости ветра, в качестве которого используют тахогенератор, связанный с регулятором скорости вращения ротора, предохранительным тормозным узлом, установленным на оси вращения ротора, а также крышкой-обтекателем . Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг.l показан внешний вид варианта выполнения ветроэнергетической установки из двух модулей. На Фиг.2 показана в разрезе ветроэнергетическая установка с изогнутыми вертикальными отклоняющими пластинами, а на Фиг.З - с плоскими. Фиг.4 иллюстрирует выполнение на лопастях ротора ветрогенератора завихрителей. Фиг.5 иллюстрирует выполнение вертикальных отклоняющих пластин с подвижным сектором, размещенным внутри них, а Фиг.6 — выполнение вертикальных отклоняющих пластин с подвижным сектором, размещенным снаружи в прижатом к ним состоянии. На Фиг.7 показана структурная схема ветроэнергетической установки с магнитоэлектрическими генераторами с распределенными обмотками статора. На Фиг.8 показан фрагмент магнитоэлектрического генератора.

Для большей наглядности соотношение размеров между отдельными узлами и элементами на чертежах изменено.

Ветроэнергетическая установка содержит энергетический модуль 1, включающий ротор с вертикальной осью вращения, выполненный с возможностью вертикальной установки, по меньшей мере, одного дополнительного энергетического модуля (Фиг.l). Модули в сборке могут быть выполнены преимущественно с общей осью вращения, а также с раздельными осями вращения. Нижний из энергетических модулей 1 установлен преимущественно на штанге 2. Установка последующих модулей один на другой выполнена посредством колец крепления 3, выполненных , например, тороидальными. Верхний энергетический модуль 1 преимущественно снабжен в своей верхней части обтекателем (крышкой) 4. Энергетический модуль 1 включает прикрепленные к несущему цилиндру 5 (Фиг.2) лопасти ротора 6, который размещен соосно внутри статора, образованного системой вертикально расположенных ветронаправляющих пластин 7. Вертикальные ветронаправляющие пластины 7 закреплены между горизонтально расположенными кольцами крепления 3, например, тороидальными. Ветронаправляющие пластины 7 выполнены с возможностью изменения площади каждой из них за счет телескопического перемещения их подвижного сектора 8 (Фиг.5 и Фиг.6). Перемещение (выдвижение) подвижного сектора 8 может быть осуществлено, например, посредством электромагнитной червячной передачи, например с использованием направляющих полозьев (на чертежах не показаны). Лопасти ротора 6 выполнены плоскими и снабжены завихрителями 9, выполненными в виде изогнутых полосок (Фиг.4). Размещение лопастей ротора 6 относительно несущего цилиндра 5 выполнено с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром 5 щелевого диффузора 10 (Фиг.4). Энергетический модуль 1 может быть выполнен в двух вариантах. В первом из них вертикальные ветронаправляющие пластины 7 выполнены в поперечном сечении дугообразными, при этом лопасти ротора 6 размещены радиально к оси вращения ротора (Фиг.2).

Во втором варианте каждая из ветронаправляющих пластин 7 выполнена плоской с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, проходящей по внешней кромке статора параллельно оси вращения ротора, и снабжена двумя ограничительными фиксаторами (стопорами) 11, расположенными у внутренней кромки статора (Фиг.З), при этом лопасти ротора 6 расположены по касательной к несущему цилиндру 5. На каждом из торцов энергетических модулей 1 может быть установлен магнитоэлектрический генератор 12 с распределенными обмотками статора (Фиг.7). Каждый из них представляет собой ряд электромагнитных катушек 13, которые вместе с разомкнутым контуром магнитопровода закреплены на кольцах крепления 3, при этом на верхнем и нижнем торцах ротора энергетического модуля 1 установлены постоянные магниты-индукторы 14 (Фиг.8). Энергетические модули 1 ветроэнергетической установки в сборке могут быть выполнены с общей осью вращения или с раздельными осями вращения. Ветроэнергетическая установка может быть снабжена блоком контроля скорости ветра, в качестве которого используют тахогенератор, связанный с регулятором скорости вращения ротора, а также тормозным узлом (механическим или электромеханическим), установленным на оси вращения ротора (на чертежах не показаны).

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Ветровой поток поступает на ветронаправляющие пластины 7, ускоряется на них и перетекает на лопасти ротора 6, в результате чего энергетический модуль 1 совершает полезную работу за счет вращения ротора. Ветронаправляющие пластины 7 изменяют вектор скорости потока воздуха, оптимизируя угол его подачи на лопасти ротора 6. Выполнение ветронаправляющих пластин с изменяемой площадью позволяет понизить разгонную скорость воздушного потока и дополнительно оптимизировать скорость вращения ротора. В случае пониженной скорости ветрового воздушного потока подвижной сектор 8 выдвигается, увеличивая эффективную площадь ветронаправляющих пластин 7, в результате чего захватывается более значительная масса потока воздуха (увеличивается «плoщaдь oмeтaния») и возрастает скорость вращения ротора. Это позволяет обеспечить эффективную работу установки уже при скорости воздушного потока от 3 м/с. После изменения направления воздушного потока ветронаправляющими пластинами 7 он оказывает прямое давление на лопасти ротора 6, между которыми создается зона повышенного давления, на которой воздушный поток может «cpывaтьcя», уменьшая эффективную площадь работы лопастей ротора 6. Избежать этого позволяет создание щелевого диффузора 10 вдоль основания лопастей ротора 6, который позволяет постоянно удалять уплотнение воздуха из области межлопастного пространства. Через щелевой диффузор 10 происходит переток воздушного потока из области повышенного давления в залопастное пространство в область пониженного давления с образованием вихревой области. Это сопровождается повышением эффективности отбора энергии набегающего потока воздуха и соответственно повышением коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки. Размер щелевого диффузора 10 для конкретных конструкций установок подбирается экспериментальным путем, например, посредством опытного стенда. Для дополнительно отбора, энергии механического движения потока воздуха, в том числе той его части, которая соскальзывает с лопастей 6 ротора ветротурбины после их поворота на некоторый угол, служат завихрители 9. При этом на изогнутых полосках завихрителей 9 на плоских лопастях ротора 6 происходит закручивание набегающего на них потока воздуха, что приводит к торможению потока, и, как следствие, к отбору дополнительной энергии от воздушного потока и передаче его ротору, что также вносит вклад в повышении коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки. Схемы движения воздушных потоков показаны стрелками на Фиг.4, 5, 6. В случае использования ветроэнергетической установки для выработки электроэнергии, она снабжается магнитоэлектрическими генераторами 12 с распределенными обмотками статора, которые при простоте своей конструкции наиболее приспособлены для реализации модульного принципа построения ветроэнергетической установки. При этом каждый ее модуль самостоятельно вырабатывает электрическую энергию, которая суммируясь, позволяет увеличить мощность генерации электроэнергии одной ветроэнергетической установкой. Выполнение ветроэнергетической установки в соответствии с изобретением, позволяет повысить ее эксплуатационную эффективность. По сравнению с известными аналогичными установками обеспечивается повышение коэффициента полезного действия на 10-15% и возможность работы при скорости воздушных потоков от 3 м/с. Функционирование ветроэнергетической установки не зависит от направления ветра, она устойчива к резким его порывам и требует минимальной площади для установки. Реализованный в ней модульный принцип построения упрощает конструкцию и позволяет легко наращивать ее суммарную мощность.