Портативный ветрогенератор
Изобретение относится к портативному ветрогенератору. Ветрогенератор содержит лопастную турбину 1 с вертикальной осью 2 вращения, расположенную внутри воздухонаправляющего аппарата, и электрогенератор 21, установленный по оси 2. Аппарат выполнен в виде равномерно распределенных по окружности ветронаправляющих экранов. Нижние края экранов соединены с нижней крышкой 7, а верхние края с верхней крышкой 8, образуя воздушные камеры сопла. На экранах установлены вертикальные поворотные пластины. Турбина 1 состоит из параллельных дисков 22, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом 23 и образующих пустотелый барабан, и жестко закрепленных между внутренней поверхностью дисков 22 вертикальных лопастей в виде раскручивающихся спиралей в сторону, противоположную вращению. Между крышками 7, 8 установлены несущие элементы 32, 33. Дальние по отношению к оси 2 концы пластин с помощью шарниров соединены с элементами 32, 33. На крышке 7 и/или крышке 8 установлены ограничители угла поворота пластин. Пластины односторонне прижаты к ограничителям. Элементы 32, 33 соединены с крышками 7, 8 и формируют каркас аппарата. Изобретение направлено на обеспечение эффективного преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.
Заявляемое изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, а именно к преобразованию кинетической энергии ветра в электрическую энергию для питания электроэнергией потребителей малой мощности (мобильный телефон, планшет, ноутбук, светодиодный фонарь, плеер и т.д.), и может быть применено как переносной автономный источник в тех районах, где отсутствует доступ к сетям электроснабжения.
Известен роторный ветродвигатель с ветронаправляющим экраном (пат. РФ № 2474725 С2, МПК F03D3/06, F03D7/06, опубл. 10.02.2013, Бюл. №4), содержащий вращающуюся ветротурбину, расположенную внутри экрана, состоящего из отдельных лопаток, поворачивающихся на своих осях и ориентированных на лопасти ветротурбины. Лопатки снабжены рычагами, концы которых объединены общей гибкой тягой, введена управляющая поворотная платформа, содержащая совмещенные в одном узле и закрепленные на оси платформы с возможностью поворота в вертикальной плоскости флюгер и стабилизатор с наклонной плоскостью, причем стабилизатор через упорный подшипник соединен дополнительной тягой с общей тягой рычагов лопаток экрана.
Недостатком известного роторного ветродвигателя является наличие сложного и громоздкого устройства регулирования угла поворота отдельных лопаток с помощью управляющей поворотной платформы, содержащей флюгер и стабилизатор с наклонной плоскостью, механически связанный с общей тягой рычагов лопаток экрана, что не позволяет применить данный роторный ветродвигатель как переносной, легко монтируемый, малогабаритный портативный ветрогенератор. К снижению эффективности преобразования приводит отсутствие верхней крышки, жестко соединённой с неподвижными частями ветронаправляющего экрана, вследствие чего ветровой поток, входящий в ветронаправляющий экран в зоне максимального сжатия, находящийся ближе к турбине, испытывает дополнительное сопротивление лопастей турбины, а часть сжатого воздушного потока изменяет направление и отводится вверх от установки, не совершая полезной работы.
Кроме того, известны аналогичные технические решения: ветродвигатель (пат. РФ №2074980, МПК F03D 3/04, опубл. 10.03.1997), ветродвигатель (пат. РФ №2237822, МПК F03D3/04, опубл. 10.10.2004), ветродвигатель (пат. РФ № 2280783, МПК F03D 3/04, опубл. 27.07.2006) с вертикальными осями вращения турбин, установленных внутри воздухонаправляющих аппаратов, где воздухонаправляющий аппарат выполнен в виде системы ветронаправляющих экранов, ветронаправляющих стен, системы поворотных ветронаправляющих экранов, в виде группы сопряженных друг с другом по боковым сторонам усеченных пирамид.
Общим недостатком известных технических решений является недостаточный коэффициент использования энергии ветра, связанный с отсутствием верхней крышки, жестко соединённой с неподвижными частями воздухонаправляющих аппаратов, поскольку ветровой поток, входящий в ветронаправляющий аппарат в зоне максимального сжатия, находящийся ближе к турбине, также испытывает дополнительное сопротивление лопастей турбины, а часть сжатого воздушного потока изменяет направление и отводится вверх от установок, не совершая полезной работы.
Известна ветроэнергетическая установка (пат. РФ № 2251022, МПК F03D3/00, F03D 3/04, опубл. 27.04.2005, Бюл. №12), содержащая ветряное колесо с лопастной ветровой турбиной с вертикальной осью вращения, расположенной внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси ветровой турбины, накопитель энергии и блок управления, установка дополнительно содержит фотоэлектрический преобразователь световой энергии, фотоэлектрические элементы которого установлены на верхней крышке воздухонаправляющего аппарата и связаны с накопителем энергии. В центре верхней крышки воздухонаправляющего аппарата установлена воздухоотводящая труба, в которой на верхнем конце оси вращения ветровой турбины установлен электрический генератор.
К недостаткам известной установки следует отнести низкую эффективность использования энергии ветрового потока, обусловленную конструктивными особенностями воздухонаправляющего аппарата, приводящими к тому, что часть ветрового потока со всей боковой вертикальной площади установки отражается от профилированных направляющих лопастей в сторону, не совершая полезной работы, что снижает КПД преобразования ветрового потока. Сложность сборки и большое количество элементов конструкции уменьшает возможность применения установки как переносного портативного устройства генерации. Установка рассчитана только на стационарное применение.
Известен ветрогенератор с вертикальной осью вращения (пат. WO №2011098957 A1, МПК F03D3/04, F03D 3/06, опубл. 18.08.2011), который включает в себя, по меньшей мере, один ротор, содержащий вращающийся вал с вертикальной осью и две опорные плиты, которые установлены вокруг вала близко к его верхнему концу и его нижнему концу и является неотъемлемым с ним, и между которыми установлен ряд радиальных лопастей, которые продолжаются от центрального вала вращения до периферии, опорные пластины имеют непрерывную направляющую поверхность для ветрового потока от вращающегося вала до периферии указанных пластин, предотвращая радиальное пересечение ветром ротора. Между упомянутыми опорными пластинами находится ряд первых дефлекторов, установленных попеременно с указанными лопастями и вытянутых от периферии опорных пластин до промежуточной точки, между периферией пластин и центральным валом вращения.
Данное техническое решение обладает следующими недостатками: форма вторых вертикальных дефлекторов, обеспечивающих радиальное сжатие входящего ветрового потока не обеспечивает оптимальное направление с закручиванием ветрового потока на рабочие лопасти турбины, а часть сжатого воздушного потока, создающего положительный момент на лопасти турбины, стравливается через узкие проемы, образованные между радиальными лопастями и внутренними (первыми) дефлекторами турбины, что в совокупности снижает общую эффективность преобразования.
Известна гелиоветровая энергетическая установка (пат. РФ № 2714584, МПК F03D 3/04, F03D 3/06, H02S 10/12, опубл. 18.02.2020, Бюл. № 5), принятая за прототип, содержащая лопастную ветровую турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри ветронаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси лопастной ветровой турбины, фотоэлектрический преобразователь световой энергии, установленный на верхней крышке, лопастная ветровая турбина выполнена в виде параллельных дисков, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом, диски образуют пустотелые барабаны, между внутренними поверхностями дисков жестко закреплены вертикальные лопасти, турбина размещена в центре ветронаправляющего аппарата, выполненного в виде равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных спиралевидных ветронаправляющих экранов, выполненных в совокупности с лопастями ветровой турбины в виде раскручивающихся спиралей, начала которых закреплены на вертикальном поворотном валу ветровой турбины, а концы отведены к периферии ветронаправляющего аппарата, верхние края ветронаправляющих экранов соединены с верхней крышкой, нижние края соединены с нижней крышкой, образуя воздушные камеры сопла, в тело ветронаправляющих экранов встроены отсечные пластины, их концы, расположенные вблизи оси вращения турбины, установлены на ветронаправляющих экранах при помощи шарниров, выполненных с возможностью ограниченного поворота отсечных пластин вокруг вертикальной оси, а отсечные пластины односторонне прижаты к ветронаправляющим экранам прижимными механизмами.
К недостаткам прототипа следует отнести особенности конструкции верхней и нижней крышек, которые препятствуют увеличению входной площади воздушных камер сопел в осевом направлении, отсутствие эффекта естественного самоограничения скорости вращения ротора электрогенератора при максимальных скоростях ветрового потока ведет к необходимости использовать дополнительные устройства торможения, значительное количество элементов конструкции усложняют монтаж, что в совокупности снижает возможность применения установки как переносного портативного ветрогенератора, вследствие чего данная энергетическая установка допускает только стационарное размещение.
Техническими проблемами, решаемыми заявляемым изобретением, являются проблемы, связанные с невысокой эффективностью преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию, сложностью сборки, транспортировки и монтажа, и неудовлетворительными массогабаритными показателями.
Технический результат при реализации предлагаемого портативного ветрогенератора заключается в повышении эффективности преобразования энергии за счет увеличения входной площади воздушных камер сопел в осевом направлении и формирования низкого порога начала генерации электрической энергии, возможности работы в режиме естественного самоограничения скорости вращения ротора электрогенератора при максимальных скоростях ветрового потока, включая ураганные потоки ветра без отключения.
При этом заявляемый портативный ветрогенератор обладает высокими показателями эргономичности и компактности, обеспечиваемыми за счет простой сборки и установки его на ветровом потоке.
Технический результат достигается тем, что в портативном ветрогенераторе, содержащем лопастную ветровую турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри воздухонаправляющего аппарата, выполненного в виде равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных ветронаправляющих экранов, нижние края которых соединены с нижней крышкой, а верхние края с верхней крышкой, образуя воздушные камеры сопла, на ветронаправляющих экранах установлены вертикальные поворотные пластины, электрогенератор установлен по оси ветровой турбины, лопастная ветровая турбина состоит из параллельных дисков, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом, и образующих пустотелый барабан, и жестко закрепленные между внутренней поверхностью дисков вертикальные лопасти, выполненные в виде раскручивающихся спиралей в сторону, противоположную вращению, новым является то, что между верхней и нижней крышками установлены вертикальные несущие элементы, дальние по отношению к оси вращения турбины концы вертикальных поворотных пластин с помощью шарниров соединены с вертикальными несущими элементами, на нижней и/или верхней крышке установлены ограничители угла поворота вертикальных поворотных пластин, которые односторонне прижаты к ограничителям угла поворота, при этом вертикальные несущие элементы, соединенные с нижней и верхней крышками, формируют несущий каркас воздухонаправляющего аппарата.
Рационально в портативном ветрогенераторе верхнюю крышку выполнять в виде пустотелой правильной пирамиды с усеченной вершиной, концентричной оси вращения турбины, обращенной вершиной вниз.
Целесообразно в портативном ветрогенераторе нижнюю крышку выполнять в виде пустотелой правильной пирамиды с усеченной вершиной, концентричной оси вращения турбины, обращенной вершиной вверх.
Рекомендуется в портативном ветрогенераторе верхнюю и нижнюю крышки выполнять в виде параллельных многоугольников, концентричных оси вращения турбины.
Воздухонаправляющий аппарат в портативном ветрогенераторе может быть выполнен в виде жесткого каркаса и/или полужесткого каркаса.
Рационально в портативном ветрогенераторе элементы несущего каркаса связывать между собой пропитанными воздухонепроницаемыми тканями и/или эластичным материалом с низкой газопроницаемостью, которые формируют тело воздухонаправляющего аппарата.
Целесообразно в портативном ветрогенераторе вертикальные несущие элементы выполнять линейными, в виде стержней, трубок, полосок пластин.
В портативном ветрогенераторе статор электрогенератора может содержать две однофазные обмотки.
Рекомендуется в портативном ветрогенераторе статорные однофазные обмотки электрогенератора выполнять взаимно смещенными относительно друг друга на 0 и/или 90 и/или 180 электрических градусов.
Рационально в портативном ветрогенераторе шарниры выполнять с возможностью ограничения угла поворота вертикальных поворотных пластин вокруг вертикальной оси.
Совокупность признаков заявляемого портативного ветрогенератора неизвестна из уровня техники, имеет существенные отличия от прототипа, следовательно, заявленное решение может удовлетворять условиям патентоспособности изобретения «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявителем не выявлены также источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат.
Заявленная совокупность существенных признаков позволяет создать портативный ветрогенератор, обеспечивающий эффективное преобразование кинетической энергии ветра в электрическую энергию, простоту сборки и установки его на ветровом потоке и высокие показатели эргономичности и компактности.
Повышение эффективности достигается тем, что по сравнению с прототипом дальние концы поворотных пластин, соединенные с вертикальными несущими элементами, при высоких скоростях потока ветра обеспечивают переход ветрогенератора в режим самоограничения скорости турбины, а установленные на нижней и/или верхней крышке ограничители угла поворота вертикальных поворотных пластин, которые односторонне прижаты к ограничителям угла поворота, способствуют
увеличению входной площади воздушных камер сопел в осевом направлении. При этом заявляемый ветрогенератор позволяет использовать его в качестве легкого переносного малогабаритного генерирующего устройства с низким порогом начала генерации.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:
на фиг. 1 – осевой разрез портативного ветрогенератора;
на фиг. 2 – портативный ветрогенератор в сечении горизонтальной плоскостью;
на фиг. 3, 4, 5 – портативный ветрогенератор в сечении горизонтальной плоскостью, где стрелками показано направление движения воздушных потоков;
на фиг. 6 – осевой разрез облегченного варианта портативного ветрогенератора;
на фиг. 7 схематично изображена электрическая схема соединения электрогенератора с подключаемыми выпрямительными блоками.
Портативный ветрогенератор (фиг. 1), содержит лопастную ветровую турбину 1 с вертикальной осью вращения 2, расположенную внутри воздухонаправляющего аппарата (фиг.2), выполненного в виде равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных ветронаправляющих экранов 3, 4, 5, 6, нижние края которых соединены с нижней крышкой 7, а верхние края соединены с верхней крышкой 8, образуя воздушные камеры сопла 9, 10, 11, 12, электрогенератор 21 на оси 2 лопастной ветровой турбины 1. Лопастная ветровая турбина 1 состоит (фиг. 1) из параллельных дисков 22, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом 23, диски образуют пустотелый барабан, между внутренней поверхностью дисков жестко закреплены (фиг. 2) вертикальные лопасти 24, выполненные в виде раскручивающихся спиралей в сторону, противоположную вращению, начала которых закреплены на вертикальном поворотном валу 23 ветровой турбины 1. Вал 25 электрогенератора 21, через соединительную муфту 26 механически связан (фиг. 1) с валом 23 лопастной ветровой турбины 1, исключая круговое проскальзывание, при этом они имеют совмещенную ось вращения 2.
Верхняя 8 и нижняя 7 крышки жестко соединены с неподвижными вертикальными ветронаправляющими экранами 3, 4, 5, 6, и вместе с вертикальными поворотными пластинами 13, 14, 15, 16, (фиг. 2) формируют сжатие входящего ветрового потока в радиальном направлении, защищают от встречного воздушного потока нерабочие лопасти турбины, увеличивают давление воздушного потока на рабочие лопасти 24 лопастной ветровой турбины 1. Это достигается за счет уменьшения площади поперечного сечения воздушных камер сопел 9, 10, 11, 12.
На ветронаправляющих экранах 3, 4, 5, 6 установлены (фиг. 2) вертикальные поворотные пластины 13, 14, 15, 16, дальние концы которых по отношению к оси вращения 2 лопастной ветровой турбины 1 с помощью шарниров (на чертежах не показаны) соединены (фиг. 1) с вертикальными линейными несущими элементами 32, 33, которые формируют тело вертикальных неподвижных ветронаправляющих экранов 3, 4, 5, 6. Вертикальные поворотные пластины 13, 14, 15, 16, (фиг. 2) с помощью прижимных механизмов 17, 18, 19, 20, односторонне прижаты к ограничителям угла поворота 35, 37, 39, 41, установленным, на нижней и/или верхней крышке 7, 8. Направление вращающего момента прижатия прижимных механизмов изображено в виде дугообразных стрелок 17, 18, 19, 20. Площадь поверхности вертикальных поворотных пластин 13, 14, 15, 16, и усилие прижатия прижимных механизмов 17, 18, 19, 20, к ограничителям угла поворота 35, 37, 39, 41 устанавливается в соответствии с максимально допустимой скоростью вращения ротора 45, 46 электрогенератора 21. Угол открытия вертикальных поворотных пластин ограничен ограничителями поворота 34, 36, 38, 40, при этом (фиг. 1) вертикальные несущие элементы 32, 33, соединенные с нижней 7 и верхней 8 крышками, формируют несущий каркас воздухонаправляющего аппарата. Оси вращения шарниров 28, 29, 30, 31 вертикальных поворотных пластин 13, 14, 15, 16, показаны на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Прижимные механизмы в предпочтительном варианте могут быть выполнены в виде пружин кручения, где один конец пружины вставляется в отверстие на нижней 7 и/или верхней 8 крышке, а второй конец крепится на вертикальной поворотной пластине 13, 14, 15, 16.
В портативном ветрогенераторе верхняя крышка 8 выполнена в виде пустотелой правильной пирамиды с усеченной вершиной, концентричной оси вращения турбины, обращенной вершиной вниз, а нижняя крышка 7 выполнена в виде пустотелой правильной пирамиды с усеченной вершиной, концентричной вертикальной оси вращения 2 лопастной ветровой турбины 1, обращенной вершиной вверх, что в сравнении с прототипом увеличивает входную площадь воздушных камер сопел 9, 10, 11, 12 и обеспечивает сжатие входящего ветрового потока в осевом направлении, повышая давление ветра на рабочие лопасти 24 турбины 1, что приводит к увеличению КПД преобразования.
Вертикальные несущие элементы 32, 33 (фиг. 1) могут быть выполнены линейными, в виде стержней, трубок, полосок пластин и т.д. Они необходимы для повышения механической прочности конструкции воздухонаправляющего аппарата, обеспечивают необходимые зазоры между нижней 7 и верхней 8 крышками и параллельными дисками 22 лопастной ветровой турбины 1, а также являются несущими элементами для крепления шарниров вертикальных поворотных пластин 13, 14, 15, 16, и формируют жесткий и/или полужесткий каркас воздухонаправляющего аппарата.
Вертикальные несущие элементы 32, 33, при высокой скорости ветра допускают возможность применения портативного ветрогенератора в облегченном варианте исполнения (фиг. 6), без составных частей верхней 8 и нижней 7 крышек, обеспечивающих осевое сжатие входящего ветрового потока, а также без вертикальных неподвижных ветронаправляющих экранов 3, 4, 5, 6, при этом сохраняются режимы регулирования скорости турбины 1 и осуществляется надежная генерация электрической энергии. Вертикальные неподвижные ветронаправляющие экраны 3, 4, 5, 6 и составные части верхней 8 и нижней 7 крышек могут быть выполнены из пропитанных воздухонепроницаемых тканей и/или эластичных материалов с низкой газопроницаемостью для уменьшения массы ветрогенератора.
В облегченном варианте исполнения, верхняя 8 и нижняя 7 крышки состоят только из усеченных вершин пирамид, при этом поверхность усечения вершин пирамид образует параллельные многоугольники (квадрат, равносторонний пятиугольник, равносторонний шестиугольник), параллельные основаниям пирамид и концентричные оси вращения турбины.
Собранный ветронаправляющий аппарат (фиг.1) для жесткости соединяется с электрогенератором с помощью резьбового соединения 27, соединительного кольца 42 электрогенератора 21, при этом соединительная муфта 26 выполнена вставной.
Для облегчения установки портативного ветрогенератора на ветровом потоке электрогенератор по способу крепления выполнен комбинированным, для этого предусмотрены лапы 44 и соединительное кольцо 42. Лапы 44 необходимы для монтажа электрогенератора с использованием крепежных отверстий на любой доступной опоре, например, в качестве опоры могут быть применены небольшая мачта, обрезок металлической трубы, дерево, доска, бревно, столб, и т.д. Соединительное кольцо 42 электрогенератора 21 содержит уши 43 соединительного кольца для использования растяжек (на чертежах не показаны), обеспечивая при необходимости дополнительную горизонтальную устойчивость.
На Фиг. 7 изображена электрическая схема соединения электрогенератора 21 с подключаемыми выпрямительными блоками 52 или 53. Электрогенератор 21 может быть выполнен с одним или с двумя роторами 45, 46, статор состоит из двух однофазных статорных обмоток 47, 48, выводы однофазных обмоток статора U1 - U2 и W1 - W2, подключаются к разъему 49. Рационально номинальное выходное напряжение переменного тока каждой обмотки установить равным 6V. С помощью разъема 50 к электрогенератору 21 может быть подключен выпрямительный блок 52, состоящий из двух гальванически развязанных групп, каждая группа подключается к своей фазной обмотке U1 - U2 или W1 - W2 электрогенератора 21 и содержит последовательно соединенные преобразователи AC/DC 54, стабилизаторы напряжения 55, 56, каждый выход которых соединен с параллельно подключенными разъемами USB-A 58. Это повышает надежность и обеспечивает гарантированный заряд при неисправности одной статорной обмотки 47, 48 электрогенератора 21или одной группы выпрямительного блока 52, обеспечивая резервирование генерации.
Предпочтительный вариант исполнения портативного ветрогенератора
Усеченные вершины верхней 8 и нижней 7 крышек, имеющие форму плоских квадратов, содержат в центральных частях подшипниковые узлы (на рисунках не показаны) и совместно с вертикальными поворотными пластинами 13, 14, 15, 16, выполнены из пластика или авиационного алюминия. В углах плоских квадратов усеченных вершин расположены отверстия для крепления вертикальных несущих элементов 32. 33. Вертикальные несущие элементы 32, 33 выполнены в виде стержней, на концах которых нарезана резьба или прорезаны пазы, или отверстия для фиксации их положения. Вертикальные поворотные пластины 13, 14, 15, 16 скомбинированы с шарнирами и вертикальными несущими элементами 32, 33 и с прижимными механизмами 17, 18, 19, 20, выполненными в виде пружин кручения. Лопастная ветровая турбина 1 выполнена из пластика, нижний конец вала турбины 1 имеет форму шестигранника для соединения с соединительной муфтой 26, которая служит для соединения вала лопастной ветровой турбины 1 с валом 25 электрогенератора 21 и выполнена в виде трубки. Для соединения с поворотным валом 23 лопастной ветровой турбины 1 внутренняя поверхность трубки с одного конца образует шестигранник, а со стороны электрогенератора 21 внутренняя поверхность трубки образует также шестигранник, но большего размера. Конец вала 25 электрогенератора 1 также выполнен в виде шестигранника. Несущий каркас соединен между собой пропитанной воздухонепроницаемой тканью и формируют тело остальных частей верхней 8 и нижней 7 крышек, обеспечивающих осевое сжатие входящего в аппарат потока воздуха и направляющую поверхность всех неподвижных ветронаправляющих экранов 3, 4, 5, 6. Во время переноса портативного ветрогенератора в разобранном состоянии весь каркас, соединенный пропитанной воздухонепроницаемой тканью, складывается и скручивается в рулон.
Работа портативного ветрогенератора осуществляется следующим образом.
Сборка составных частей портативного ветрогенератора осуществляется в следующем порядке. В отверстия квадрата нижней крышки 7, расположенные в углах, вставляются концы стержней вертикальных несущих элементов 32, 33, которые скомбинированы с пружинами прижимных механизмов 17, 18, 19. 20, шарнирами и с вертикальными поворотными пластинами 13, 14, 15, 16. Далее конец каждого вертикального несущего элемента фиксируется на нижней крышке резьбовым соединением или фиксирующим элементом (на чертежах не показаны). Эта операция повторяется в круговом направлении до полного формирования поверхностей, составляющих тело нижней крышки. Концы вертикальных несущих элементов 32, 33 вставляются в отверстия квадрата верхней крышки, одновременно в подшипниковые узлы вставляются концы вала 23 турбины 1. Концы вертикальных несущих элементов 32, 33 фиксируются аналогичным образом на верхней крышке 8, далее операция повторяется в круговом направлении до полного формирования поверхностей, составляющих тело верхней крышки 8 и неподвижных ветронаправляющих экранов 3, 4, 5, 6. В соединительную муфту 26 вставляется вал 25 электрогенератора 21, затем соединительная муфта 26 вставляется в вал лопастной ветровой турбины 1. Путем вращения корпуса электрогенератора 25 вокруг оси, соединяется электрогенератор 25 и квадрат усеченной вершины нижней крышки 7 за счет резьбы 27 соединительного кольца 42 электрогенератора 21.
Время сборки ветрогенератора составляет 1-2 минуты, так как фактически процесс сборки сводится к свинчиванию восьми резьбовых соединений или фиксирующих элементов и соединению электрогенератора 21 с лопастной ветровой турбиной 1 и воздухонаправляющем аппаратом с помощью резьбы соединительного кольца 42 электрогенератора 21.
Установленный на ветровом потоке (фиг.1) воздухонаправляющий аппарат, за счет формы верхней 8 и нижней 7 крышек, выполненных в виде пустотелых правильных пирамид с усеченными вершинами, обеспечивает сжатие входящего ветрового потока в осевом направлении, направление движения ветрового потока изображено (фиг. 1, 3, 4, 5) стрелками.
На фиг. 3, ветровой поток со всей боковой площади установки поступает в воздушную камеру сопла 11, образованную жестко соединёнными верхней 8 и нижней крышкой 7 с неподвижными вертикальными ветронаправляющими экранами 4, 5, и поворотными пластинами 14, 15, осуществляя сжатие входящего воздушного потока в радиальном направлении. При этом увеличивается давление воздушного потока на рабочие лопасти 24 турбины, за счет уменьшения площади поперечного сечения воздушной камеры сопла 11, что приводит к увеличению скорости вращения лопастной ветровой турбины 1. В воздушных камерах 10 и 12, сопряженных с воздушной камерой 11, за счет отражения воздушных потоков от неподвижных вертикальных ветронаправляющих экранов 4, 5 и поворотных пластин 14, 15 образуются безветренные разреженные области с более низким давлением.
Под действием вращающего момента, создаваемого давлением сжатых воздушных масс (фиг. 3) на рабочие лопасти 24 в воздушной камере 11, лопастная ветровая турбина 1 начинает вращение вокруг вертикальной оси 2. Сжатые воздушные массы воздушной камеры 11, находящиеся в зоне лопастной ветровой турбины 1, при вращении турбины попадают в воздушную камеру 12 с более низким давлением и, расширяясь, отталкиваются от лопасти и придают дополнительное ускорение лопастной ветровой турбине 1, совершая полезную работу.
Отходящий от лопастной ветровой турбины 1 поток повышает давление в воздушной камере 12, и, сталкиваясь с потоком ветра, огибающим установку слева, изменяет направление с образованием вихревых эффектов и закручиванием его в правую сторону. Перенаправленный поток отражается от ветронаправляющего экрана 6 и поворотной пластины 16 и отводится из воздушной камеры 12 в сторону от установки, где объединенный ветровой поток продолжает свое движение, огибая установку слева.
Кроме того, объединенные массы потоков ветра, огибающие установку слева, справа, сверху и снизу с образованием отходящего ветрового потока, формируют в воздушной камере 9 область низкого давления за счет отражения ветровых потоков от неподвижных ветронаправляющих экранов 6, 3, и энергии массы объединенного отходящего ветрового потока. Это формирует перепад давлений между сопряженными воздушными камерами 12 и 9, вследствие чего перепад статических давлений создает отрицательное давление, которое взаимодействует с лобовой площадью лопасти турбины 24, уходящей из воздушной камеры 12 в воздушную камеру 9, формируя тягу и способствующее притоку воздушных масс из воздушной камеры 12 в воздушную камеру 9, что создает дополнительный положительный вращающий момент на уходящую лопасть 24 и увеличивает скорость вращения турбины, повышая эффективность преобразования.
Величина создаваемого вращающего момента на лопасти 24 имеет прямую зависимость от скорости ветра: чем больше скорость ветра, тем меньше величина давления в воздушных камерах 9, 10, и больше вращающий момент от давления приращенной массы в воздушной камере 12 и, соответственно, больше перепад давлений между сопряженными воздушными камерами 12 и 9. Одновременно снижается лобовое сопротивление вертикальных лопастей 24 турбины 1 воздушным потокам, проходящим через воздушные камеры 9 и 10, за счет увеличения разреженности в связи с возрастанием скорости отходящих воздушных масс. Процесс образования суммарных моментов силы, приложенных к вертикальным лопастям 24 турбины 1, увеличивает ее скорость вращения и обеспечивает значительное повышение КПД установки.
Вращающий момент лопастной ветровой турбины 1 (фиг. 1), через поворотный вал 23 турбины 1 и соединительную муфту 26 передается валу 25 электрогенератора 21, ротор 45, 46 которого, вращаясь, наводит ЭДС в обмотках статора 47, 48 и преобразует механическую энергию вращения ротора 45, 46 в электрическую энергию.
При увеличении скорости ветрового потока (фиг. 4), возрастает давление в воздушной камере 11 сопла. В воздушной камере 10, сопряженной с камерой 11 за счет отражения воздушного потока от ветронаправляющего экрана 4 и поворотной пластины 14 образуется безветренная область с более низким давлением. Вращающий момент прижатия (направление изображено на фиг. 3, 4, 5 в виде дугообразных стрелок), всех прижимных механизмов 17, 18, 19, 20 поворотных пластин 13, 14, 15, 16 к ограничителям 35, 37, 39, 41 (фиг.2) отрегулирован на срабатывание, при котором скорость вращения электрогенератора 21 приближается к максимально допустимой.
Если вращающий момент (фиг. 4), создаваемый давлением ветрового потока на поворотную пластину 14 в воздушной камере 11, превысит вращающий момент прижатия прижимного механизма 18 поворотной пластины 14 к ограничителю 37, поворотная пластина 14 под действием силы давления ветрового потока ограниченно поворачивается вокруг вертикальной оси шарнира 29, направляет часть массы сжатого воздушного потока на лобовую площадь нерабочих лопастей турбины 1, тем самым формируя момент торможения лопастной ветровой турбины 1 – эффект стабилизирующего вращения, за счет образовавшегося компенсирующего давления, который обеспечивает работу ветрогенератора при высоких скоростях ветрового потока, вплоть до ураганных, повышая надежность генерации. При этом снижается скорость вращения лопастной ветровой турбины 1 и, соответственно, уменьшается скорость вращения ротора 45, 46 электрогенератора 21.
Перенаправление потока ветра на нерабочие лопасти турбины 1 переводит портативный ветрогенератор в режим работы с естественным самоограничением скорости вращения ротора 45, 46 электрогенератора 21 при максимальных скоростях ветрового потока, включая ураганные потоки ветра без отключения. Вращение лопастной ветровой турбины 1 в режиме самоограничения скорости, происходит за счет формы лопастей 24, но с большим коэффициентом использования энергии ветра за счет перенаправления части сжатого потока ветра на рабочие лопасти 24 турбины 1 от ветронаправляющего экрана 5 и поворотной пластины 15, а также за счет энергии массы отходящего ветрового потока. Портативный ветрогенератор становится устойчивым к порывам ветра, обеспечивается эффективная работа при большой максимальной скорости ветра и высокая устойчивость к разрушающему воздействию ветра.
Далее, перенаправленный ветровой поток на лобовую площадь нерабочих лопастей турбины 1, отражаясь от них, попадает в воздушную камеру 10, где отражается от ветронаправляющего экрана 3 и поворотной пластины 13, не совершая полезной работы, отводится в правую сторону от ветрогенератора. При этом давление воздушного потока в воздушной камере 11 уменьшится, снижается давление на рабочие лопасти 24 турбины, что суммарно приводит к снижению скорости вращения ротора 45, 46 электрогенератора 21.
Уменьшение скорости ветрового потока снижает давление в воздушной камере 11 до величины, при которой момент сопротивления прижимного механизма 18 превысит момент давления ветрового потока на отклонённую поворотную пластину 14. Поворотная пластина 14 под действием вращающего момента прижимного механизма 18, поворачиваясь вокруг вертикальной оси шарнира 29, прижимается к ограничителю поворота 37, восстанавливает основную функцию воздушной камеры сопла 11 (фиг. 3), обеспечивая сжатие входящего ветрового потока за счет уменьшения площади поперечного сечения и защиту от ветрового потока лобовой площади нерабочих лопастей турбины 1, возвращая портативный ветрогенератор в начальное состояние.
В случаях, когда ветровой поток (фиг. 5) входит в воздухонаправляющий аппарат параллельно неподвижному вертикальному ветронаправляющему экрану 5, поток ветра сталкивается в воздушной камере 12 с перпендикулярно расположенными по отношению к потоку неподвижному вертикальному ветронаправляющему экрану 6 и поворотной пластине 16, при этом ветровой поток разделится на две части, одна часть отводится в левую сторону от ветрогенератора не совершая полезной работы, другая часть направляется на рабочие лопасти турбины 1. Одновременно поток ветра сталкивается в воздушной камере 11 с перпендикулярно расположенными по отношению к потоку неподвижному вертикальному ветронаправляющему экрану 4, и поворотной пластине 14, при этом ветровой поток также разделится на две части, одна часть отводится в правую сторону от ветрогенератора не совершая полезной работы, другая часть направляется на лобовую площадь нерабочих лопастей турбины 1, тем самым формирует момент торможения турбины – эффект стабилизирующего вращения, за счет образовавшегося компенсирующего давления. Портативный ветрогенератор переводится в режим работы с естественным самоограничением скорости вращения ротора электрогенератора.
Электрогенератор 21 портативного ветрогенератора должен удовлетворять основным требованиям переносного источника генерации, которым не в полной мере соответствует генератор постоянного тока. Рационально применять для микро-генерации синхронный электрогенератор, с ротором, оснащенным постоянными магнитами, так как по сравнению с генератором постоянного тока, синхронный генератор переменного тока имеет ряд значимых преимуществ: упрощенная конструкция обеспечивает повышенную надежность, улучшенные массогабаритные характеристики, более высокую мощность, меньшую стоимость, простоту эксплуатации.
Для повышения функциональности и надежности с обеспечением резервирования генерации рационально применять электрогенератор переменного тока с двумя статорными однофазными обмотками 47, 48 и номинальным выходным напряжением 6V. Статорные однофазные обмотки 47, 48 электрогенератора 1 могут быть конструктивно смещенными относительно друг друга на 0, и/или 90, и/или 180 электрических градусов.
С помощью разъема 51 (фиг. 7) к электрогенератору 1 также можно подключить выпрямительный блок 53, фазные обмотки U1 - U2 и W1 - W2 электрогенератора, каждая из которых электрически соединена со своим преобразователем AC/DC 54, а выходы преобразователей 54 соединены последовательно для суммирования величины напряжения постоянного тока и электрически соединены с входом стабилизатора напряжения 57, на выходе которого значение напряжения будет составлять 12V – 15V, что увеличивает функциональность и допускает использование его для питания/заряда 12-вольтовых устройств (светодиодных фонарей, ноутбуков, машинных аккумуляторов и т.д.).
Реализации предлагаемого портативного ветрогенератора обеспечивает высокие показатели эргономичности и компактности, простоту сборки и установки его на ветровом потоке, работу в режиме естественного самоограничения скорости вращения ротора электрогенератора при максимальных скоростях ветрового потока, включая ураганные потоки ветра без отключения. Увеличение входной площади воздушных камер сопел в осевом направлении, обеспечивает низкий порог начала генерации и повышает эффективность преобразования энергии ветрового потока, осуществляя круглосуточную эксплуатацию.
Основными преимуществами портативного ветрогенератора являются упрощенная транспортировка (с легкостью помещается в переносном чемоданчике или дорожном рюкзаке), упрощенная конструкция повышает надежность и долговечность, простота сборки составных частей и облегченная установка его на ветровом потоке на любую доступную крепежную опору - небольшая мачту, обрезок металлической трубы, дерево, бревно, доска, столб, и т.д.), возможна работа ветрогенератора в облегченном варианте без составных элементов верхней или нижней крышки, формирующих осевое сжатие входящего потока ветра, низкий порог начала генерации. Повышенная эффективность преобразования энергии ветрового потока обеспечивает круглосуточную эксплуатацию, возможность функционирования без применения емкостных накопителей электрической энергии. Хорошие массогабаритные характеристики предопределяют основное назначение предлагаемого технического решения, использование его как эффективного переносного малогабаритного источника электрической энергии, относящегося к устройствам микрогенерации, для питания электроэнергией потребителей малой мощности (мобильный телефон, планшет, ноутбук, светодиодный фонарь, плеер и т.д.), в тех районах, где отсутствует доступ к сетям электроснабжения.
Из приведенного выше описания заявляемого изобретения для специалиста в данной области очевидна возможность его реализации, что позволяет считать его соответствующим условию патентоспособности "промышленная применимость".
Заявляемое изобретение способствует созданию портативного ветрогенератора, обеспечивающего эффективное преобразование кинетической энергии ветра в электрическую энергию, высокие показатели эргономичности и компактности, простоту сборки, транспортировки и монтажа, обладающего высокими массогабаритными характеристиками.
1. Портативный ветрогенератор, содержащий лопастную ветровую турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри воздухонаправляющего аппарата, выполненного в виде равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных ветронаправляющих экранов, нижние края которых соединены с нижней крышкой, а верхние края – с верхней крышкой, образуя воздушные камеры сопла, на ветронаправляющих экранах установлены вертикальные поворотные пластины, электрогенератор, установленный по оси ветровой лопастной турбины, лопастная ветровая турбина состоит из параллельных дисков, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом и образующих пустотелый барабан, и жестко закрепленных между внутренней поверхностью дисков вертикальных лопастей, выполненных в виде раскручивающихся спиралей в сторону противоположную вращению, отличающийся тем, что между верхней и нижней крышками установлены вертикальные несущие элементы, дальние по отношению к оси вращения турбины концы вертикальных поворотных пластин с помощью шарниров соединены с вертикальными несущими элементами, на нижней и/или верхней крышке установлены ограничители угла поворота вертикальных поворотных пластин, вертикальные поворотные пластины односторонне прижаты к ограничителям угла поворота, при этом вертикальные несущие элементы, соединенные с нижней и верхней крышками, формируют несущий каркас воздухонаправляющего аппарата.
2. Портативный ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что верхняя крышка выполнена в виде пустотелой правильной пирамиды с усеченной вершиной, концентричной оси вращения турбины, обращенной вершиной вниз.
3. Портативный ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что нижняя крышка выполнена в виде пустотелой правильной пирамиды с усеченной вершиной, концентричной оси вращения турбины, обращенной вершиной вверх.
4. Портативный ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что верхняя и нижняя крышки выполнены в виде параллельных многоугольников, концентричных оси вращения турбины.
5. Портативный ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что каркас воздухонаправляющего аппарата выполнен жестким или полужестким.
6. Портативный ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что элементы несущего каркаса связаны между собой пропитанными воздухонепроницаемыми тканями и/или эластичным материалом с низкой газопроницаемостью.
7. Портативный ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что вертикальные несущие элементы выполнены линейными в виде стержней, трубок или полосок пластин.
8. Портативный ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что статор электрогенератора содержит две однофазные обмотки.
9. Портативный ветрогенератор по п. 8, отличающийся тем, что статорные однофазные обмотки электрогенератора взаимно смещены относительно друг друга на 0, или 90, или 180 электрических градусов.
10. Портативный ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что шарниры выполнены с возможностью ограничения угла поворота.
