Мала вітроенергетична установка

1. Вітроустановка, що містить щоглу, вітродвигун з горизонтальною віссю вала, двоелементний концентратор зі зовнішнім у вигляді кільця, та внутрішнім у вигляді предмета обтічної форми, орієнтованої вздовж осі вала вітродвигуна, пристрій для виконання корисної роботи, розташований всередині внутрішнього елемента концентратора, яка відрізняється тим, що кінцівки лопатей вітродвигуна мають обтічну форму відразу в двох напрямках - вздовж потоку та в сторону їх руху під час свого обертання навколо осі вала вітродвигуна, розміщені всередині конденсатора в місці максимального звуження потоку, де внутрішній елемент концентратора в перпендикулярній до осі вала площині має розрив, що ділить елемент на дві частини - передню, яка прикриває собою від потоку лопаті крім їх кінцівок та створює разом зі зовнішнім елементом концентратора поступове звуження потоку, і задню, котра служить для U 2 (19) 1 3 швидкості цього потоку та зменшення його потужності, що робить саме використання концентратора неефективним. За сукупністю ознак найбільш близькою до корисної моделі є вітрова установка конструкції професора Альфреда Еверта (www.evert.de/eft.281.htm). Вона містить вітродвигун з горизонтальним валом, концентратор, який складається з двох елементів - зовнішнього у вигляді кільця певної довжини та внутрішнього у вигляді об'ємного предмету обтічної форми, орієнтованої в напрямку руху повітряного потоку, пристрій для використання корисної роботи, щоглу, на верхньому кінці котрої розташовані всі інші складові частини вітроустановки. Проблема вихорних збурень в повітряному потоці вирішується через наявність в конструкції двох елементів концентратора, їх форм, а також розміщення пристрою для виконання корисної роботи в середині внутрішнього елемента концентратора, а лопатей - за межами його зовнішнього елемента. Розташування лопатей в хвості установки і позаду концентратора, де швидкість та потужність потоку різко зменшується при його проходженні між зовнішнім та внутрішнім елементами концентратора, робить таку вітроустановку малоефективною. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення вітрової установки шляхом розташування лопатей вітродвигуна в середині концентратора, де потужність потоку є найбільшою, і надання їм форми, які дозволяють зберігати ламінарність потоку і при цьому збільшити величину генерації вітродвигуном енергії цього потоку. Поставлена задача вирішується тим, що у вітровій установці, яка містить вітродвигун з горизонтальним валом, двохелементний концентратор: зовнішній елемент у вигляді кільця і внутрішній - у вигляді об'ємного предмета обтічної форми, котрі разом забезпечують прискорення потоку та його плавне проходження крізь установку без утворення в ній вихорних процесів, пристрій для виконання корисної роботи, який знаходиться в середині внутрішнього елемента концентратора, щоглу, відповідно до корисної моделі лопаті вітродвигуна розташовані в місці максимального звуження потоку і де у внутрішньому елементі концентратора виконаний розрив, що ділить цей елемент на дві частини - передню та задню, внаслідок чого передня частина внутрішнього елемента концентратора прикриває собою від дії повітряного потоку лопаті вітродвигуна крім їхніх кінцівок, які мають обтічну форму відразу по двом напрямкам вздовж руху потоку та в сторону переміщення кожної окремої лопаті при їх обертанні навколо горизонтальної осі вала. Частина кожної лопаті, що прикрита від дії потоку внутрішнім елементом концентратора виконує роль лише як тримача верхньої кінцівки лопаті і тому може мати будь-яку форму, яка не викликає опір повітря при обертанні цієї частини навколо горизонтальної осі вала. Розташування лопатей в місці максимального звуження потоку дає можливість перебувати їм в зоні найбільшої потужності даного повітряного 48684 4 потоку і найбільшого його механічного впливу на лопаті вітродвигуна. Концентрована дія потоку лише на їх кінцівки та зменшення величини опору повітря при обертанні лопатей навколо осі вала вітродвигуна збільшує величину його обертового моменту, а значить і потужність вітроустановки. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На Фіг.1 зображено запропонований пристрій у розрізі по А-А вертикальною площиною вздовж осі вала вітродвигуна. На Фіг.2 показано вид даного пристрою спереду. Фіг.3 містить зображення кінцівки лопаті при її розгляді спереду установки в напрямку дії потоку, а Фіг.4 - теж, тільки при погляді зверху. Фіг.5 - перетин по В-В зФіг.4 Вітрова установка складається з вітродвигуна у вигляді горизонтального вала 1 з лопатями 2, зовнішнього 3 та внутрішнього 4 елементів концентратора, що з'єднані між собою перегородками 5, паралельними осі вала 1, пристрою 6 для виконання корисної роботи, розміщеного на валу 1, щогли 7 з вертикальним стержнем 8, на який опирається вал вітродвигуна в точці, котра може знаходитися перед лопатями, так і за ними, і навколо якого він обертається в горизонтальній площині в результаті зміни напрямку вітру, крила-стабілізатора 9 у вигляді вертикальних пластин, розташованих на зовнішньому елементі концентратора з метою здійснення орієнтування горизонтальної осі вала вітродвигуна по напрямку вітру. Задня частина внутрішнього елемента концентратора 4 має форму, яка забезпечує плавне відведення повітряного потоку від установки без утворення вихорів. Випукла форма його передньої частини разом зі зовнішнім елементом концентратора 3 дають змогу забезпечувати механічну дію потоку виключно на кінцівки лопатей, а також виконання закону згідно формули: S =const, де S - площа поперечного січення потоку; - його швидкість в даному січенні. Зовнішній елемент концентратора представляє собою кільце такої довжини, котра необхідна для виконання даного закону і отримання ефективно діючої вітрової установки, зручної в практичному використанні. Товщина стінок кільця може бути як постійною, так і плавно змінюватися. Закриті частки лопатей від попадання на них повітряного потоку передньою частиною внутрішнього елемента концентратора можуть бути виконані, наприклад, у вигляді стрижнів, смуг, спиць чи суцільного та спільного для всіх лопатей круглого диска 10. Відкриті для потоку частки лопатей представляють собою крило 11, що має випуклу вздовж його основи та плоску вздовж хорди поверхні, які обтікає рухоме повітря повз точки а, в, е, с, що зображені на Фіг.3 і Фіг.4. До крайньої лінії кінцівки лопаті по а-с під'єднана вигнута назовні пластина 12 і відведена в бік наступної лопаті проти ходу їх обертання. Таким чином, плоска частина крила, розташована між точками а-в-с, опиняється в середині утвореної фігури на кінцівці лопаті, а частина крила з криволінійною поверхнею з точкою е - ззовні неї зі сторони попередньої лопаті по ходу обертання. 5 Кут атаки потоку на лопать вибирається з урахуванням забезпечення ламінарності цього потоку та максимального значення рівнодіючої сили лобового напору та аеродинамічної сили, котрі разом спричиняють виникнення поворотного моменту лопатей навколо осі вала вітродвигуна. Площа живого січення потоку поступово зменшується від початку конденсатора до місця розташування лопатей. Внаслідок цього збільшується швидкість потоку, причому в стільки разів, в скільки разів зменшилася площа його живого січення. Оскільки потужність потоку N визначається за формулою: S 3 N 2 , де - густина повітря; S - площа живого січення потоку; - швидкість потоку в цьому січенні, то при зменшенні площі живого січення в n разів отрима2 ємо збільшення величини потужності потоку в n разів. Таким чином, розміщення лопатей в середині концентратора в найвужчому місці проходження повітряного потоку дає потенційну можливість генерування його енергії, потужність котрої є більшою за потужність вітру в поперечному січенні у вигляді круга з радіусом рівним радіусу зовнішнього елемента концентратора в місці розташування лопатей. Кут атаки повітря на лопать разом з її формою дозволяють зберегти ламінарність потоку без появи вихорних явищ. Таким чином, гальмування швидкості потоку через присутність в середині концентратора лопатей вітродвигуна тут не обумовлене. Тому є підстави вважати, що конструкція вітрової установки забезпечує виконання відміченого раніше закону: S =const. Оскільки кут атаки повітря на лопать є гострим, то сили напору порівняно з аеродинамічною силою буде незначною. Остання відіграє значно більшу роль в здійсненні обертового руху вітродвигуна, ніж сила напору. Тому можна стверджувати, що забезпечення ламінарного руху потоку повітря в даній конструкції посилює механічну дію цього потоку на лопаті, оскільки аеродинамічна сила залежить від величини швидкості потоку, яка в нашому випадку є збільшена в порівнянні з прототипом. Обертання лопатей спричиняє рівнодіюча F аеродинамічної сили Fa та сили FH , котрі діють на лопаті одночасно: F=Fa+FH Сила F створює обертовий момент M для моделі установки, що заявляється, коли потік повітря діє лише на кінці лопатей, M=Fl, 48684 6 де l - довжина лопаті, а моделі прототипу, при дії потоку відразу на всю довжину кожної лопаті обертовий момент становить: l Ml F 2 Таким чином, із відношення M 2 Ml Встановлюємо, що обертовий момент вітродвигуна буде збільшений в 2 рази в порівнянні з прототипом завдяки попаданню повітряного потоку лише на кінці лопатей. При своєму обертанні лопаті зазнають опору з боку повітря. Оскільки значна їх частина замінена на загальний для всіх лопатей диск, який при обертанні в своїй площині цього опору не відчуває, то через це зменшиться сила опору повітря F O процесові обертання лопатей. Момент цієї сили: S 2l Mo Fol , 2 де S - сумарна площа кінцівок лопатей. Для установки, обраної за прототип, де сила F Fl цього опору o буде більшою за силу o , аналогічний момент: Slv 2l l l Ml , o Fol 2 2 2 l де S - сумарна площа всіх лопатей вітродвигуна прототипу. Із відношення Ml o Sl l Mo S 2 робимо висновок, що при умові: Sl 2 S маємо: Ml o l Mo Тобто, в даному разі при цій умові опір повітря процесові обертання лопатей у запропонованій установці буде менший від опору повітря, що зазнають такої ж довжини лопаті у прототипі. А це також призводить до збільшення кутової швидкості вітродвигуна за рахунок фактора дії потоку лише на кінцівки лопатей. Те саме забезпечується ще й шляхом надання кінцівкам лопатей обтічної форми в напрямку їх переміщення навколо осі вала, що зі своєї сторони збільшує основні показники роботи вітродвигуна - його кутову швидкість та потужність. 7 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 48684 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601