Изобретение относится к ветроэнергетической турбине с вертикальной осью вращения ротора и может быть использовано в области возобновляемой энергетики, специализирующейся на использовании экологически чистой кинетической энергии ветра для преобразования ее в электрическую энергию в качестве автономного источника энергии в местах, где он отсутствует: в туристических лагерях, кемпингах, небольших кафе и отелях, коттеджах, тепличных фермерских хозяйствах, на высотных домах и тому подобное.

Во всем мире существует проблема создания высокоэффективных ветроэнергетических установок, которые могли бы использовать ветер переменного направления и различного диапазона скоростей: от слабого до сильного и штормового.

На успешное решение некоторых из указанных проблем и направлены исследования и разработки в области ветроэнергетики. Сегодня отсутствуют ветровые двигатели или ветровые турбины, которые бы полностью решали эти существующие проблемы. Несмотря на свое внешнее расхождение, турбины с вертикальной и горизонтальной осями вращения представляют собой схожие системы. Предлагаются разнообразные конструкции, в основе которых заложена способность улавливать ветры от слабого до умеренного, например в патентах США N22406268 2406268 (МПК F03D3/06; F03D3/00, 1946), NS4035658 (МПК2 F03D9/00, 1977) и N°4850792 (МПК F03D7/06; F03D7/00; F03D7/06, 1989). В другом устройстве, патент США, N°4834610 (Bond, МПК4 F03D7/06, 1989), осуществляется использование ветра со сменной скоростью с помощью современных регуляторов скорости. Много устройств сконструировано так, что при ветре достигающем определенного уровня, они складываются и/или переходят во флюгерный режим работы. Хотя при использовании этих технических приемов предусматривается сохранение конструктивной целостности ветряного двигателя, однако способность устройства производить энергию уменьшается.

В других устройствах, как например, в патенте США N25391926 (МПК F03D3/04; F03D3/06; F03D3/00; F03D3/04, 1995), для получения энергии предпринята попытка использования сильного ветра, поступающего с любого направления, однако ветры от слабого до умеренного не способны образовывать вращательный момент, достаточный для непрерывного надежного производства энергии, а разрушительные характеристики сильных ветров создают условия, при которых становится экономически не выгодным изготовление ветровой турбины, которая может производить механическую энергию только во время периодов сильного ветра.

Известны ветроэнергетические турбины, в которых ведущий вал ротора расположен вертикально, а лопасти - длинные, как правило дугообразные, прикреплены к верхней и нижней части башни и описаны в работах Гадайчук В. В., Косенко В. П. Динамка впроенергетичних установок п Д1ею вггрових та шерц них навантажень. Onip матер1ал1в i Teopifl споруд. 2008. N°82 с.31-38, патенте WO/2008/047238. МПК F03D 3/00 (2006.01)] и патенте RU N22322610, МПК F03D 3/00 (2006.01), 2008. Благодаря вертикальному расположению ведущего вала ротора такие турбины "захватывают" ветер, который дует в каком-либо направлении и для этого им не нужно изменять положение ротора при смене направления ветровых потоков. На работоспособность таких ветровых турбин влияют динамические нагрузки, вызванные аэродинамическим взаимодействием ветровых потоков и подвижных элементов конструкции и центробежные силы простого вращения ротора. .

Многие конструкции изготавливаются легкими, недостаточно закрепленными и из материалов, которые не удовлетворяют требованиям этих материалов. Ряд таких устройств имеют большое количество подвижных деталей, таких как роторы, статоры, флюгеры, экраны и т.п. Эти детали не только ухудшают целостность устройства, но и требуют непрерывного технического обслуживания, ремонта и/или замены. Для такого устройства, которое может вырабатывать только несколько киловатт энергии, затраты начинают превышать выгоду.

Известна и ветровая турбина, патент RU 2279567 (МПК7 F03D3/06, Заявка: 2004106624/06, 26.09.2001), которая использует большие столбы воздуха для преобразования энергии потока воздуха в механическую энергию благодаря использованию длинной вертикальной оси. Эта энергия может быть передана дальше от турбины для использования ее непосредственного действия на водяной насос либо для приведения в движение электрического генератора, либо устройства, использующего энергию. Турбина содержит некоторое количество роторов и статоров, которые во время работы взаимодействуют с ветровыми потоками сменных направлений. Лучший вариант изобретения имеет неподвижные статоры, предназначенные для более эффективного направления потоков в роторный клеточный узел, имеющий роторные лопасти.

Статорные лопасти выполнены прямолинейными и наклоненными на оптимальный угол так, что они производят минимальное влияние на потерю кинетической энергии ветра. Усовершенствованием ветровой турбины является применение легких современных конструкционных материалов, таких как легкие композиционные многошаровые материалы, лучшими из которых являются сотовые многошаровые панели, которые, как правило, имеют сотовый сердечник изготовленный из арамидного волокна с разнообразными неметаллическими облицовочными шарами, например, эпоксидными, стекловолоконными, фенольными и кевларовыми.

В качестве альтернативы в конструкции сотового сердечника могут быть использованы легкие металлы, например, алюминий. Облицовочные шары могут быть ламинированными. Однако на работоспособность таких ветровых турбин влияют также такие основные факторы какими являются динамические нагрузки, вызванные аэродинамическим взаимодействием ветровых потоков и движущихся элементов конструкции, центробежные силы простого вращения ротора и кориоллисовы силы инерции взаимодействия вращательного и поворотного движения его элементов. К тому же форма лопастей такова, что ветровой поток оказывает дополнительное сопротивление на те лопасти, которые возвращаются в исходное положение для захвата ветрового потока. При этом тормозится вращательное движение турбины и порождается уменьшение использования полного ветрового потока через "сквозняк", который образуется при прохождении потока сверху, потоки гасятся и образуется обратный поток при сменном направлении ветра.

Указанная ветровая турбина работает на подшипниках и рассчитана на высокие обороты, поэтому она создает шум. При выходе из строя верхнего флюгера выравнивания и установления направления ветрового потока к. п. д. ветровой турбины имеет потери в мощности. При использовании ее на земле, теряется к.п.д. конструкции, ограничивается использование вследствие того, что она рассчитана для работы на высотных строениях и имеет маломощные генераторы.

Известен также ветродвигатель с вертикальной осью вращения, патент UA Ns 61447, МПК7 F03D3/00, F03D3/06, 2003, бюл. Nfl 11 , состоящий из закрепленного на штанге, с возможностью вращения, полостного ротора с рабочими элементами, выполненными в виде лопастей имеющих в плоскости перпендикулярной оси вращения ротора эвольвентную форму, ротор имеет непарное количество рабочих элементов, выполненных в виде лопастей, которые в плоскости параллельной оси вращения ротора имеют форму ротора Савониуса, переходящего в конический винтовой ротор, который в нижней части переходит в цилиндрическую эвольвентную форму.

Эта конструкция не соответствует нормам безопасности вследствие закрепления оси на тросовых растяжках, следовательно не имеет надежного рамочного каркаса; отсутствует защита вращающихся элементов ветродвигателя; геометрия лопастей подвергается разрушительным инерционным нагрузкам при обратном движении обтекаемой части лопасти по отношению к встречному потоку рабочего направления ветра, уменьшая тем самым к.п.д. ветродвигателя. Выполнение ротора ветродвигателя сплошным, с комбинированными элементами в виде лопасти сложной формы, создает неравномерное закручивание вихря и дополнительное сопротивление в каждом из участков лопастей ротора, а следовательно, низкую эффективность преобразования энергии ветрового потока в механическую. Тросовые растяжки не обеспечивают постоянной жесткости и статичности несущих конструкций. Их периодически необходимо подтягивать, а неправильное натяжение или перетяжка может привести к искривлению оси вращения ротора и затруднить его ход в зависимости от изменения направления ветровых потоков, что, в свою очередь, приводит к деформации и разрушению отдельных конструктивных элементов (подшипников, штанги, лопастей, оси). Кроме того, присутствует сложность в обслуживании и ремонте ветродвигателя, например, при выходе из строя подшипников возникает необходимость полной разборки ротора.

Известна также ветроэнергетическая установка, которая содержит ветродвигатель с вертикальной осью вращения, патент UA на полезную модель N° 32145, МПК (2006), F03D1/00 F03D3/00, 2008, бюл. N° 9, состоящий из закрепленного на подшипниках пустотелого ротора с непарным количеством рабочих элементов, выполненных в виде лопастей, имеющих в плоскости перпендикулярной оси вращения закрученную на 120° вдоль ротора эвольвентную форму с вихревой ловушкой на конце, а ротор ветродвигателя установлен на магнитных подшипниках, закрепленных в стационарной опоре, и соединен с блоком преобразования энергии.

Захватывающая ветер эвольвента на конце лопасти создает дополнительные нагрузки на лопасти, что при сильном и штормовом ветре может повлечь за собой разрушение и отрыв самой рабочей пластины лопасти. Существует предрасположенность к разрушению установки при сильных ветрах. Из-за больших габаритов конструкции и высокую парусность существует проблема по ее установлению на крышах строений, а из-за технологически сложного изготовления и балансировки лопастей, а также большую стоимость конструкции она становится экономически не выгодной.

Наиболее близким по совокупности признаков и техническим результатом к изобретению, которое заявляется есть ветродвигатель с вертикальной осью вращения по патенту UA N213993 А, МПК (2006), F03D1 /00 F03D3/00, F03D3/06 (2007.01J, 1997, бюл. N ^Q 2. Ветродвигатель содержит пустотелый конический ротор с рабочими элементами, направленный вершиной вверх от установочной поверхности и закрепленный на штанге, снабжен приводом, связанным с ротором. Рабочие элементы ротора прикреплены к его оси и выполнены в виде лопастей, имеющих эвольвентную форму в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора.

Наличие конического ротора с углом при вершине и высотой, которая зависит от необходимой мощности, установка его на штанге и закрепление растяжками к установочной поверхности требует необходимости высокого поднятия ротора над установочной поверхностью и стационарного размещения его на определенном участке этой поверхности. Клиноременной привод не обеспечивает полной передачи вращательного момента к генератору, возможны проскальзывания при запуске генератора. Тросовые растяжки не обеспечивают постоянной жесткости и статичности. Периодически необходимо подтягивать клиноременной привод и тросовые растяжки, а их неправильное натяжение или перетяжка может привести к искривлению оси вращения ротора, лопастей и штанги, что приводит к деформации и разрушению отдельных конструктивных элементов (подшипников, штанги, лопастей, оси). Это требует дополнительных затрат как при обслуживании, так и при ремонте ветродвигателя.

В основу изобретения поставлена задача создания ветроэнергетической турбины (варианты) с вертикальной осью вращения ротора эффективной, легкой, универсальной, модульной с легко заменяемыми конструкционными элементами, которая может работать без дополнительных устройств при скоростях ветра разного диапазона и изменяемых направленностях через усовершенствование формы лопастей, которые могли бы значительно повысить коэффициент использования ветрового потока и конструктивное выполнение и размещение элементов предлагаемой конструкции.

Для решения поставленной задачи в ветроэнергетической турбине с вертикальной осью вращения, содержащей пустотелый конический ротор, направленный вершиной вверх, лопасти, имеющие в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, эвольвентную форму и закрепленные на оси ротора и привод, связанный с ротором, согласно изобретению, пустотелый конический ротор выполнен в виде усеченного конуса и размещен в центре четырехопорного жесткого каркаса имеющего форму пирамиды, к верхней части опоры которой с помощью крестовины присоединена ось ротора с каркасом, пирамида установлена на нижних, выполненных в форме треугольника, опорах каркаса, а лопасти выполнены в виде усеченного в развертке по острым углам прямоугольного треугольника, который выгнут по эвольвенте и по горизонтали дополнительно закреплен на диске, который выполняет роль маховика ротора и его несущей плиты, которая размещена в кольце, установленном на диске, кольцо с диском размещены на столе нижних опор каркаса, под которыми расположен зубчато-ременной привод, который соединяет ось ротора с генератором, который находится на установочной площадке генератора. Лопасть состоит из вертикальной и горизонтальной четырехслойных панелей и уголка. Ее внутренняя поверхность выполнена шероховатой. Панели лопасти выполнены из полимерных материалов. По периметру между нижними опорами каркаса ниже уровня генератора дополнительно установлены солнечные панели, которые сориентированы на положение солнца в продолжение светлой части суток. На крестовине дополнительно установлены импульсный маячок, который определяет положение турбины относительно иных объектов в продолжение темной части суток и громоотвод.

В другом варианте для решения поставленной задачи в ветроэнергетической турбине с вертикальной осью вращения, содержащей пустотелый конический ротор, направленный вершиной вверх, лопасти, имеющие в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, эвольвентную форму и закрепленные на оси ротора и привод, связанный с ротором, согласно изобретению, пустотелый конический ротор выполнен в виде усеченного конуса и размещен на штанге в центре жесткого каркаса имеющего форму пирамиды, к верхней части опоры которой с помощью крестовины присоединена ось ротора с каркасом, опоры каркаса в нижней части соединены между собой балками, лопасти выполнены в виде усеченного в развертке по острым углам прямоугольного треугольника, который выгнут по эвольвенте и по горизонтали дополнительно закреплен на диске, который выполняет роль маховика ротора и его несущей плиты, установленном на штанге с пятой, а между балкой и диском на стойках платформы расположена панель, под которой на площадке генератора расположен зубчато-ременной привод, который закреплен на штанге кронштейном. Лопасть состоит из вертикальной и горизонтальной четырехслойных панелей и уголка. Внутренняя поверхность лопасти выполнена шероховатой. Панели лопасти выполнены из полимерных материалов. На крестовине дополнительно установлен импульсный маячок, который определяет положение турбины относительно иных объектов в продолжение темной части суток. На крестовине дополнительно установлен громоотвод.

Выполнение пустотелого конического ротора в виде усеченного конуса и размещение его в центре четырехопорного жесткого каркаса в форме пирамиды, установление ее на нижних опорах каркаса и соединение с каркасом оси ротора с диском, который выполняет роль маховика ротора и его несущей плиты для крепления лопастей, позволяет обеспечить стабильность и плавность хода рабочей части ротора ветроэнергетической турбины, повышает ее работоспособность за счет обеспечения жесткой металлической конструкцией, которая увеличивает надежность, стабильность и безаварийный срок работы, исключает вибрации при вращении ротора, увеличивает к.п.д.

Выполнение четырех лопастей ротора в виде усеченного в развертке по острым углам прямоугольного треугольника, который выгнут по эвольвенте и по горизонтали дополнительно закреплен на диске, который выполняет роль маховика ротора и его несущей плиты, позволяет обеспечить эффективный забор ветрового потока. Каждая из лопастей конического ротора имеет форму усеченного конуса, выгнутого по эвольвенте по следующей формуле:

πά

а =—

т , где

d - диаметр окружности,

m - число частей, на которые разделена окружность.

Геометрия эвольвенты лопасти создана в форме усеченного конуса цилиндрической формы, что, в свою очередь, позволяет турбине без хлопков и шумов преодолевать встречные воздушные потоки, создавая смерчевое завихрение по оси ротора, разряжая и снимая механическое напряжение на ось турбины, что немаловажно для ветроэнергетической турбины данного типа (влияет на долговечность работы). Этот эффект не наблюдается в мировых аналогах устройств данного типа.

При вращении ротор создает спирально-вихревой поток, который создает разрежение по спирали вокруг оси, что ослабляет нагрузки на основную рабочую часть ветродвигателя, а закрытое основание ветроэнергетической турбины, собирающее ветер, увеличивает рычаг, крутящий момент ротора и, соответственно, его к. п. д.

Лопасти изготовлены из прочных и эластичных полимерных материалов, что при вращении ротора придает конструкции скользящее обтекание воздушным потоком. Внутренняя поверхность лопасти специально выполнена шероховатой для более сильного захвата встречного потока ветра, что увеличивает к.п.д. ветроэнергетической турбины.

Ось ветроэнергетической турбины закреплена на четырехгранной трубчатой раме, собранной в форме пирамиды, что придает конструкции особую прочность и надежность.

В конструкции ветроэнергетической турбины дополнительно предусмотрена возможность установки солнечных панелей сориентированных на положение солнца в продолжение светлой части суток, импульсного маячка, который определяет положение турбины относительно иных объектов в продолжение темной части суток, громоотвода для защиты высотных строений от поражения молнией, а также установка иных осветительных и рекламных устройств.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 - приведен общий вид четырехопорной каркасной конструкции ветроэнергетической турбины; на Фиг. 1а, Фиг. 16 и Фиг. 1 в - позиции поэтапной сборки четырехопорной каркасной конструкции ветроэнергетической турбины; на Фиг. 2 - общий вид четырехопорной каркасной конструкции ветроэнергетической турбины; на Фиг. 2а - то же самое, вид сверху, где А, В, С, D касается верхних опор каркаса; на Фиг. 3 - схема работы ротора ветроэнергетической турбины при взаимодействии с воздушным потоком, где V - направление вращения ротора, W - зона захвата ветрового потока, F - зона обтекания ветрового потока; на Фиг. 4 - общий вид четырехопорной ветроэнергетической турбины; на Фиг. 5 - общий вид варианта четырехопорной ветроэнергетической турбины; на Фиг. 5а - то же самое, вид сверху.

Ветроэнергетическая турбина, фигуры 1 - 2а, состоит из пустотелого конического ротора, выполненного в виде усеченного конуса и размещенного в центре четырехопорного жесткого каркаса, который имеет форму пирамиды, к верхней части опоры (2) которой с помощью крестовины (1) присоединена ось (6) ротора. Пирамида установлена на нижних, выполненных в форме треугольника, опорах (9) каркаса. Лопасти (3) выполнены в виде усеченного в развертке по острых углах прямоугольного треугольника, который выгнут по эвольвенте и по горизонтали дополнительно закреплен на диске (4), который выполняет роль маховика ротора и его несущей плиты, которая размещена в кольце (5), установленном на диске (4). Кольцо (5) с диском (4) размещены на столе (7) нижних опор (9) каркаса, под которыми расположен зубчато-ременной привод (1 1), который соединяет ось (6) ротора с генератором (8), который находится на установочной площадке (10) генератора (8).

Лопасть (3) состоит из вертикальной и горизонтальной четырехслойных панелей и уголка, а внутренняя поверхность лопасти (3) выполнена шероховатой. Панели лопасти (3) выполнены из полимерных материалов. По периметру между нижними опорами (9) каркаса ниже уровня турбины дополнительно установлены солнечные панели, которые сориентированы на положение солнца в продолжение светлой части суток. На крестовине (1) дополнительно установлены импульсный маячок, который определяет положение турбины относительно иных объектов в продолжение темной части суток и громоотвод. (На чертеже не показаны). В другом варианте ветроэнергетическая турбина с вертикальной осью вращения, Фигуры 5 - 5а, состоит из пустотелого конического ротора, выполненного в виде усеченного конуса и размещенного на штанге (7) в центре жесткого каркаса, который имеет форму пирамиды, к верхней части опоры (3) которой с помощью крестовины (1) присоединена ось (2) ротора. Опоры (3) каркаса в нижней части соединены между собой балками (10). Лопасти (4) выполнены в виде усеченного в развертке по острых углах прямоугольного треугольника, который выгнут по эвольвенте и по горизонтали дополнительно закреплен на диске (1 1). Диск (1 ) установлен на штанге (7) с пятой (8). Между балкой (10) и диском (11) на стойках платформы (5) расположена верхняя панель (12), под которой на площадке генератора (9) установлен зубчато-ременной привод (на чертеже не показан), который соединяет ось (2) ротора с генератором (9), который закреплен на штанге (7) кронштейном (6).

Лопасть (4) состоит из вертикальной и горизонтальной четырехслойных панелей и уголка. Внутренняя поверхность лопасти (4) выполнена шероховатой. Панели лопасти (4) выполнены из полимерных материалов, таких как, стеклоткань Parabeam, стеклопластик, стекло материал рубленый, стекло материал фирмы «SPHERETEX», смолы полиэфирные ненасыщенные по ГОСТ 27952. На крестовине (1 ) дополнительно установлены импульсный маячок, который определяет положение турбины относительно иных объектов в продолжение темной части суток и громоотвод. (На чертеже не показан).

В конструкции ветроэнергетической турбины и ее варианте дополнительно предусмотрена возможность установки солнечных панелей сориентированных на положение солнца в продолжение светлой части суток, импульсного маячка, который определяет положение турбины относительно иных объектов в продолжение темной части суток, громоотвода для защиты высотных строений от поражения молнией, а также установка иных осветительных и рекламных устройств.

Схема работы ротора ветроэнергетической турбины при взаимодействии с воздушным потоком одинакова в обоих вариантах устройства и наглядно иллюстрируется Фиг. 3, где V - направление вращения ротора, W - зона захвата ветрового потока, F - зона обтекания ветрового потока. В ветроэнергетической турбине с вертикальной ось вращения пустотелый конический ротор в виде усеченного конуса вращается и захватывает ветер при любом его направлении. При вращении ротор образует спирально-вихревой поток, который выходит вверх и создает разрежение по спирали вокруг оси (6) (в варианте - ось (2)). Это достигается благодаря геометрической форме ротора и его лопастей (3) (в варианте - лопасти (4)), что ослабляет нагрузку на основную рабочую часть ветроэнергетической турбины, а закрытое основание ветроэнергетической турбины, которое выполняет роль маховика ротора и его несущей плиты (лопасти (3), диск (4) и кольцо (5); в варианте - лопасти (4) и диск (12)), которое собирает ветер, увеличивает плечо, крутящий момент ротора и, соответственно, увеличивает его к.п.д. От ротора, который вращается, вращение передается через зубчато-ременной привод (1 1), который соединяет ось (6) ротора с генератором (8), который находится на установочной площадке (10) генератора (8). В варианте - от ротора, который вращается, вращение передается к генератору (10) через установленный на площадке (9) зубчато-ременной привод (на чертеже не показан), который соединяет ось ротора (2) с генератором (10).

Ветроэнергетическая турбина работает в диапазоне рабочих скоростей ветра от 2 м/с до 50 м/с (при остановке ротора), температуре эксплуатации - от минус 25°С до плюс 60°С, относительной влажности воздуха 98% при температуре 25°С, при интенсивности дождя 5 мм/мин., при снегопаде, при тумане, при выпадении росы, при иней, при обледенении, ее к.п.д. составляет 94 - 95,5 %.

Преимущества и уникальность ветроэнергетической турбины заключаются в том, что:

• четырехопорная пирамидальная конструкция придает надежности и прочности данному механизму;

• легкая сборка, монтаж, который не требует специальных навыков и сложных подъемных механизмов (простота конструкции и надежность);

• возможность установления на различных плоскостях: на крышах, технических строениях, на земле, на мачтах, стенах, и т.п.;

• полная бесшумность работы ротора (в сравнении с горизонтально- осевыми и вертикально-осевыми турбинами подобного типа);

• дополнительно при штормовых и ураганных ветрах применяются тросовые растяжки для страховки от механических повреждений ветроэнергетической турбины в экстремальных погодных условиях (защита от повреждений);

• ветроэнергетическая турбина соответствует всем существующим нормам и требованиям как электро-, так и механической безопасности вращающихся узлов и механизмов;

• геометрия эвольвенты лопасти создана в форме усеченного конуса цилиндрической формы, что позволяет турбине без хлопков и шума преодолевать встречные воздушные потоки, создавая смерчевое закручивание по оси ротора для разрежения и снятия механического напряжения на ось турбины, что является важным для ветроэнергетической турбины данного типа (влияет на долговечность работы);

• при определенных требованиях к монтажу и установлению ветроэнергетической турбины возможно изготовление пирамиды как четырех-, так и трехгранного типа, что не противоречит данному устройству относительно норм безопасности и надежности;

• в условиях пустыни и морских условиях предусмотрена защита от попадания песка и воды в основные механические и электрические части ветроэнергетической турбины (защита в виде кожуха).