Роторна вітроенергетична установка

Реферат: UA 118472 U UA 118472 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вітроенергетики, а більш конкретно до вітроенергетичних установок роторного типу з горизонтальною віссю обертання, і може бути використана для вироблення електроенергії, механізації трудомістких процесів в сільському господарстві, підйому води на пасовищах та у інших галузях народного господарства. Відомі різні по конструкції вітродвигуни роторного типу, що містять опорну ферму, вітроколесо з вертикальною віссю обертання, трансмісію, механізм управління вітроколесом [див. книгу: Вітроенергетика: Пер. з англ. - М.: Енергоатоміздат, 1982. - 271 с.; АС СРСР № 1134772, МПК F03D 3/06, опубліковане 1985 року; АС СРСР № 1537885 СРСР. МПК F03D 3/00, опубліковане 1990 р.]. Основним технічним недоліком відомих вітродвигунів є порівняно малий обертаючий момент вітроколеса і непрацездатність при слабкому вітрі унаслідок необхідності в них подолання опору лопатей, рухомих назустріч вітровому потоку. Відома також вітроенергетична установка, що складається зі встановленого на опорній фермі багатолопатевого ротора з вертикальною віссю обертання, і пристрою орієнтації "на вітер". Цей пристрій містить два поворотні захисні кожухи, встановлені один в одному на одній вертикальній осі обертання, при цьому один з них - зовнішній кожух - виконаний у вигляді напівциліндра і жорстко пов'язаний з флюгером, а інший - внутрішній - у вигляді кругового сектора жорстко пов'язаний з кермом, причому флюгер і кермо розміщені у взаємноперпендикулярних площинах і взаємозв'язані пружинним амортизатором. При обертанні ротора вітровий потік діє лише на його відкриту від вітру частину, при цьому інша ж частина ротора, рухома назустріч вітру, закрита від нього захисним кожухом. При обертанні флюгер, під дією тиску вітру, поверне захисний кожух, тим самим автоматично перекриваючи відповідну половину вітроколеса. У разі посилення вітру кермо, долаючи опір пружинного амортизатора, повертає додатковий захисний кожух і вже велика частина ротора закривається від вітру [див. патент України № 58177, МПК F03D 3/00, опублікований у 2003 році]. Проте відома енергетична установка має малий обертаючий момент і непрацездатність при слабкому вітрі унаслідок малої парусності лопатей відкритої частини ротора. Найбільш близьким аналогом за своєю суттю та ефекту, що досягається, є роторна вітроенергетична установка, що містить встановлений на опорній фермі багатолопатевий ротор з центральною вертикальною віссю обертання і пристрій орієнтації "на вітер" у вигляді двох поворотних захисних кожухів, жорстко сполучених відповідно з взаємноперпендикулярними флюгером і кермом, а також кожна основна лопать ротора забезпечена додатковою поворотною лопаттю, сполучених між собою віссю обертання і пружним елементом [див. патент України № 11711, МПК F03D 3/00, опублікований 16.01.2006 року, Бюл. № 1 за 2006 рік]. Основним недоліком відомої роторної вітроенергетичної установки є низький ККД, що обумовлено вертикальним розташуванням осі обертання. Такий висновок ґрунтується на наступному. Пружні елементи на кожній лопаті притискують їхні додаткові поворотні лопаті до кожуху, що викликає, через тертя, опір обертанню вітроколеса. Знизити цей опір дозволяють опорні ролики, проте це ускладнює конструкцію. Ускладнюють конструкцію також й пружні елементи для розгинання додаткових поворотних лопатей, але без них (пружних елементів) додаткові поворотні лопаті взагалі не розгорнуться, а отже збільшити обертаючий момент ротора не вдасться, тобто задача, заради якої дана вітроенергетична установка й була винайдена, так і залишиться невирішеною. Таким чином невдале розташування осі обертання ротора, а саме вертикально, вимушує ускладнювати вітроенергетичну установку та втрачати частину обертового моменту на подолання тертя додаткових поворотних лопатей об кожух. Другим суттєвім недоліком відомої роторної вітроенергетичної установки є низька ефективність використання енергії вітрового потоку, що набігає. Наявність цього недоліку пояснюється невдосконаленістю конструкції захисного кожуха, зокрема його формою (напіциліндр), яка вкриває половину ротора. Така форма кожуха не може підсилити вітровий потік, а отже частка вітрової енергії невиправдано втрачається. У основу корисної моделі поставлена задача збільшення коефіцієнта корисної дії вітроенергетичної установки за рахунок використання сил гравітації лопатей шляхом просторової переорієнтації осі обертання ротора. Поставлена задача вирішується тим, що у роторній вітроенергетичній установці, що містить встановлений на опорній фермі багатолопатевий ротор з центральною віссю обертання та пристрій орієнтації "на вітер", виконаний у вигляді флюгера, причому половина ротора вкрита захисним кожухом, а також кожна основна лопать ротора забезпечена додатковою поворотною лопаттю, згідно з корисною моделлю, вісь обертання ротора розташована горизонтально та орієнтована перпендикулярно напряму вітрового потоку, захисний кожух виконаний у вигляді клина з нижньою похилою до осі обертання ротора площиною, а верхня площина кожуха 1 UA 118472 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 виконана плоскою та розташована горизонтально, крім того, кожна додаткова лопать оснащена щонайменше одним упором, що спирається на основну лопать, до якої прикріплена додаткова. Завдяки горизонтальному розташуванню осі обертання поперек вітровому потоку, додаткові поворотні лопаті розкриваються під дією власної ваги, а отже, відпадає необхідність для цього використовувати пружні елементи, що дозволяє знизити опір обертанню та спростити конструкцію. Завдяки виконанню кожуха у вигляді клина, з'являється технічна можливість перерозподілити вітровий потік, спрямовуючи його частину, що потрапляє на кожух, на відкриту частину ротору і, таким чином, посилити сумарний вітровий потік, який викликає більш потужний обертовий момент ротора. Водночас виконання верхньої частини кожуха прямолінійною та горизонтально розташованою, дозволяє надійно вкрити половину ротору без контакту з ним, що взагалі виключає тертя лопатей об кожух, а отже збільшити ККД вітроенергетичної установки. Крім цього похило спрямований вітровий потік, який забезпечує нижня частина кожуха, сприятиме розгортанню додаткових поворотних лопатей, а отже збільшиться коефіцієнт використання вітрового потоку ротором. Завдяки наявності хоча б одного виступу на додатковій поворотній лопаті, вона не буде складатися у небажаний бік відносно основної лопаті, а отже, надійно сприймати навіть дуже сильний вітровий потік. Таким чином, уся сукупність суттєвих ознак, отриманих завдяки внесенню конструктивних змін у вузли вітроенергетичної установки, дозволяє підвищити її потужність з одночасним спрощенням конструкції через використання сил гравітації, а отже, й досягти певного технічного результату, сформульованого у постановці задачі. Подальша суть пропонованої корисної моделі пояснюється спільно з ілюстративним матеріалом, на якому зображено поперечний переріз запропонованої роторної вітроенергетичної установки. Запропонована роторна вітроенергетична установка містить багатолопатевий ротор 1 з горизонтально розташованим валом обертання 2, до якого жорстко закріплені основні лопаті 3. Ротор 1 розміщений в захисному кожусі 4, виконаному у вигляді клина, нижня площина 5 якого розташована похило у бік вала обертання 2, а верхня площина 6 - розташована горизонтально та вкриває зверху ротор 1. У кінці верхній площини 6 кожуха 4 розташований флюгер 7 (безпосередньо на клині 4 чи на стрижні - значення немає, оскільки ця обставина не вливає на досягнення результату). Кожна додаткова поворотна лопать 8 прикріплена до відповідної основної лопаті 3 за допомогою шарніра 9, а також кожна додаткова поворотна лопать 8 наділена ззаду упором 10, який впирається у основну лопать 3, для обмеження повертання додаткової поворотної лопаті 8 за основну лопать 3. Запропонована роторна вітроенергетична установка працює в такий спосіб. Вітровий потік, впливаючи на лопаті відкритої частини ротора 1, приводить його в обертання навколо вала обертання 2. При цьому решта ротора 1 закрита від дії вітрового потоку захисним кожухом 4. У відкритій частині ротора основні лопаті 3 і додаткові поворотні лопаті 8 утворюють єдине вітрило, утримуване в розкритому (робочому) стані упорами 10 і силою вітру. При входженні вітрила в захисний кожух 4 додаткові поворотні лопаті 8 складаються, спираючись при цьому на упор 10 наступної додаткової поворотної лопаті 8. Що дозволяє "згорнути" ротор 1 під захисним кожухом 4, та саме так зменшити його діаметр, а отже, знизити опір вітру з боку вкритої частини ротора 1. При виході додаткових поворотних лопатей 8 із захисного кожуха 4, вітровий потік з похилої нижньої площини 5 потрапляє у щілину поміж упором 10 та кінцем попередньої додаткової лопаті 8 що сприяє пришвидшенню її розгортання, яка дедалі розгортається під дією власної ваги до впирання упору 10 у основну лопать 3 та саме так відновлюється єдність вітрила складених лопатей. При зміні напряму і сили вітру флюгер повернуть захисний кожух 4, автоматично орієнтуючи вітроенергетичну установку "на вітер". До технічних переваг запропонованої корисної моделі, у порівнянні з найближчим аналогом, можна віднести наступне: - використання сил гравітації для розгортання додаткових поворотних лопатей за рахунок розташування вала обертання ротора у горизонтальному напрямі перпендикулярно напряму вітрового потоку; - спрощення конструкції за рахунок використання для розгортання додаткових поворотних лопатей їхньої ваги а не пружних елементів; - збільшення обертаючого моменту ротора за рахунок додаткового спрямування вітрового потоку похилою площиною захисного кожуха; - збільшення коефіцієнта використовування вітру з цієї ж причини. 2 UA 118472 U 5 Економічний ефект від впровадження запропонованої корисної моделі, у порівнянні з використанням найближчого аналога, отримують за рахунок зниження вартості вітроенергетичної установки внаслідок спрощення її конструкції, а також збільшення встановленої потужності при таких же ж самих габаритних розмірах внаслідок спрямування на лопаті додаткового вітрового потоку та зменшення опору обертання ротора. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 Роторна вітроенергетична установка, що містить встановлений на опорній фермі багатолопатевий ротор з центральною віссю обертання та пристрій орієнтації "на вітер", виконаний у вигляді флюгера, причому половина ротора вкрита захисним кожухом, а також кожна основна лопать ротора забезпечена додатковою поворотною лопаттю, яка відрізняється тим, що вісь обертання ротора розташована горизонтально та орієнтована перпендикулярно напряму вітрового потоку, захисний кожух виконаний у вигляді клина з нижньою похилою до осі обертання ротора площиною, а верхня площина кожуха виконана плоскою та розташована горизонтально, крім того, кожна додаткова лопать оснащена щонайменше одним упором, що спирається на основну лопать, до якої прикріплена додаткова. Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3