Ветроэнергетическая установка ортогонального типа

Область использования: в конструкциях ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения, предназначенных для обеспечения электроэнергией электросетей бытового и промышленного назначения, потребляющих электроэнергию малой и средней мощности. Ветроэнергетическая установка ортогонального типа включает мачту с электрогенератором и ветроколесо в виде радиально отходящих от мачты траверс в соединении вала электрогенератора с вертикальными лопастями аэродинамического профиля, обращенного выпуклостью к оси вращения ветроколеса. Каждая лопасть ветроколеса снабжена дополнительной лопастью с таким же аэродинамическим профилем и величиной хорды, при этом дополнительная лопасть имеет типовой для дозвуковых скоростей предкрылок и установлена относительно лопасти выпуклостью к оси вращения со смещением к оси вращения на 1/3 хорды и на 2/3 хорды в сторону вращения ветроколеса. Ветроколесо расчленено на три части, крайние из которых вращаются в противоположную сторону относительно центральной части, высота лопастей которой в два раза больше высоты лопастей крайних участков. Торцы лопастей на всех трех участках ветроколеса снабжены барьерами, предупреждающими срыв воздушного потока, выполненными в виде колец. Ротор электрогенератора механически связан с крайними участками ветроколеса, а статор – с центральным участком ветроколеса для обеспечения вращения ротора и статора электрогенератора в противоположных направлениях. Электрогенератор размещен в центральной части ветроколеса. В роторе электрогенератора, выполненного в виде плоских параллельных дисков с кольцевыми рядами постоянных магнитов, полярность которых в ряду чередуется, на одном диске расположено четное число постоянных магнитов, а во втором диске - четное, увеличенное на пару или кратное паре постоянных магнитов, а также намотка обмоток на статоре выполнена наклонно, в соответствии со смещением магнитного поля, вызванного смещением постоянных магнитов в верхнем ряду относительно постоянных магнитов нижнего ряда. Техническим результатом изобретения является увеличение относительной скорости участков расчлененного ветроколеса; увеличение полезной площади лопастей ветроколеса; увеличение мощности ветроэнергетической установки; устранение эффекта «залипания» постоянных магнитов за счет наклона магнитного поля. 6 ил.

 

Изобретение относится к области нетрадиционной энергетики и может быть использовано в конструкциях ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения, предназначенных для обеспечения электроэнергией электросетей бытового и промышленного назначения, потребляющих электроэнергию малой и средней мощности.

Известен ветрогенератор с вертикальной осью вращения, включающей ротор, ветроколесо, статор, причем ось вращения ротора и ветроколеса совпадает с вертикальной осью вращения, а также ветроколесо содержит, по меньшей мере, три траверсы, каждая из которых прикреплена одним концом к ротору, на втором конце закреплена одна вертикально установленная лопасть, имеющая выпукло-вогнутый аэродинамический профиль, обращенный своей выпуклой частью наружу (от оси вращения ветроколеса). Лопасти могут быть выполнены из алюминия, стекловолокна, стеклотекстолита, текстолита, стеклопластика, эпоксидной смолы или комбинации, по меньшей мере, двух приведенных материалов [см. пат. Украины № 110606 по классам МПК²⁰¹⁶ F03D 3/00, F03D 7/00, Н02К 21/00, опубликованный 10.10.2016 г. в Бюл. № 19].

Основным недостатком данного технического решения является недостаточная эффективность использования энергии набегающего воздушного потока, что вызвано установкой лопастей выпуклой частью наружу, а вогнутой - вовнутрь. При вхождении такой лопасти в рабочую зону, воздушный поток сначала попадает на ее вогнутую часть и вызывает торможение лопасти, поскольку выпуклая часть еще находится «в тени» тела лопасти. И только лишь когда лопасть при повороте центральной оси ветроколеса установится параллельно воздушному потоку, в ней появляется подъемная сила, вызывающая тягу и принудительное вращение всего ветроколеса. Противоположная же лопасть на данном этапе никакого участия в обеспечении вращения ветроколеса не принимает. Из сказанного следует, что только одна лопасть обеспечивает вращение ветроколеса, то есть использование мощности ветрового потока оказывается минимальным.

Известна также ветроэнергетическая установка ортогонального типа (с вертикальной осью вращения), включающая мачту с электрогенератором и ветроколесо, выполненное в виде радиально отходящих от мачты траверс в соединении вала генератора с вертикальными лопастями аэродинамического профиля, обращенного выпуклостью к оси вращения ветроколеса [см. официальный сайт МАП Энергия - ветрогенераторы: ЭНЕРГИЯ ВЕТРА 220. 3) Вертикальные ветрогенераторы с самолетным профилем крыла, пятилопастные [Название с экрана]. - Электронный ресурс. - Режим доступа: www.vetrogenerator.ru. - Вход на сайт 25.12.2018 г. 10 ч 55 мин].

Несмотря на то, что разворотом лопастей на 180° (выпуклостью вовнутрь) авторам удалось несколько увеличить активную зону (сектор, в котором в лопасти возникает подъемная сила, вызывающая момент вращения ветроколеса), все же, известная ветроэнергетическая установка недостаточно использует мощность набегающего ветрового потока. Это связано с тем, что в данной конструкции выпуклая часть лопасти «работает» не полностью: в задней части лопасти происходит срыв воздушного потока, создается вакуум, который тормозит лопасть (тянет назад), тем самым снижая крутящий момент. В результате этого аэродинамического явления, данная ветроэнергетическая установка недостаточно использует энергию набегающего ветрового потока, следовательно, для дальнейшего увеличения установочной мощности ветроэнергетической установки необходимо либо увеличивать диаметр ее ветроколеса, либо количество лопастей. Однако увеличенное ветроколесо также будет терять часть энергии ветрового потока по той же причине - несовершенства конструкции лопастей: ограниченности их аэродинамических свойств, а простое увеличение лопастей, не только усложняет конструкцию ветроустановки и балансировку лопастей, но и не может быть бесконечным, поскольку каждая лопасть будет создавать воздушную тень для последующей, тем самым, практически полностью «выключая» из работы «затененную» лопасть.

Наиболее близкой по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемой за прототип, является ветроэнергетическая установка ортогонального типа, включающей мачту с электрогенератором и ветроколесо в виде радиально отходящих от мачты траверс в соединении вала электрогенератора с вертикальными лопастями аэродинамического профиля, обращенного выпуклостью к оси вращения ветроколеса. При этом каждая лопасть ветроколеса снабжена дополнительной лопастью с таким же аэродинамическим профилем и величиной хорды, при этом дополнительная лопасть имеет типовой для дозвуковых скоростей предкрылок и установлена относительно лопасти выпуклостью к оси вращения со смещением к оси вращения на 1/3 хорды и на 2/3 хорды в сторону вращения ветроколеса, а также каждая лопасть и дополнительная лопасть установлены на траверсе с возможностью изменения их угла атаки с фиксацией выбранного угла [см. пат. России № 2716635 по классам МПК²⁰¹⁸ F03D 3/062, F03D 7/06, опубликованный 13.03.2020 г. в Бюл. № 8].

Основным недостатком данного технического решения является низкая эффективность работы электрогенератора, вследствие того, что вращается только лишь его ротор, а статор всегда остается неподвижным, что вызвано несовершенством конструкции ветроприемного устройства: ветроколесо выполнено цельным (сплошные лопасти по высоте) с возможностью вращения только в одну сторону и его вертикальная ось связана с ротором электрогенератора.

Вторым недостатком известного технического решения является пониженная эффективность восприятия лопастями набегающего ветрового потока вследствие срыва воздушного потока с краев лопастей (с торцов лопастей) поскольку на торцах лопастей отсутствуют средства предупреждения срыва воздушного потока, в результате чего давление воздушного потока на лопасть неравномерно по ее высоте и снижается по краям, следовательно, реальная мощность такой ветроэнергетической установки всегда будет меньше расчетной мощности.

Третьим существенным недостатком известного технического решения является несовершенство конструкции электрического генератора. Наличие этого недостатка поясняется тем, что количество постоянных магнитов в верхней и нижней частях ротора одинаково, что и вызывает эффект «залипания» и, соответственно момент страгивания ветроколеса. Попытки снизить это негативное свойство специальной укладкой обмоток статора, не приводит к существенному снижению магнитного сопротивления постоянных магнитов, только лишь смещение магнитов в рядах относительно верхнего и нижнего ряда в роторе может кардинально исключить эффект «залипания» в электрогенераторе, тем самым снизить напор ветра, необходимый для начала работы ветроэнергетической установки ортогонального типа.

Четвертым существенным недостатком известного технического решения является выполнение лопастей с регулируемым углом атаки. Как правило, ветроэнергетическая установка проектируется под определенные ветровые условия региона, где она будет эксплуатироваться. Поэтому в регулировке установки лопастей она не нуждается, но, если такая регулировка присутствует, она снижает надежность эксплуатации, заключающаяся в том, что разъемное соединение может ослабнуть, лопасть развернуться, тем самым снижая свои аэродинамические свойства, а в случае отрыва от ветроколеса, полностью разбалансирует ветроколесо, и летит в непредсказуемом направлении с непредсказуемой скоростью, что может иметь непредсказуемые последствия для окружающей среды в районе эксплуатации ветроэнергетической установки и, даже, привести к травматизму людей и животных, вплоть до летального исхода. Если лопасти закрепить неразъемным соединением, они автоматически становятся нерегулируемым.

В основу изобретения поставлена задача дальнейшее увеличение мощности ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения без увеличения ее габаритных размеров путем увеличения скорости вращения ротора электрогенератора за счет расчленения ветроколеса на части, каждая из которых вращается в противоположную сторону от соседней части расчлененного ветроколеса и изменение конструкции ротора электрогенератора для исключения эффекта магнитного «залипания», особенно, в момент страгивания ветроколеса.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в ветроэнергетической установке ортогонального типа, включающей мачту с электрогенератором и ветроколесо в виде радиально отходящих от мачты траверс в соединении вала электрогенератора с вертикальными лопастями аэродинамического профиля, обращенного выпуклостью к оси вращения ветроколеса, причем каждая лопасть ветроколеса снабжена дополнительной лопастью с таким же аэродинамическим профилем и величиной хорды, при этом дополнительная лопасть имеет типовой для дозвуковых скоростей предкрылок и установлена относительно лопасти выпуклостью к оси вращения со смещением к оси вращения на 1/3 хорды и на 2/3 хорды в сторону вращения ветроколеса, согласно предложению, ветроколесо расчленено на три части, крайние из которых вращаются в противоположную сторону относительно центральной части, высота лопастей которой в два раза больше высоты лопастей крайних участков, а также торцы лопастей на всех трех участках ветроколеса снабжены барьерами, предупреждающими срыв воздушного потока, выполненными в виде колец, а ротор электрогенератора механически связан с крайними участками ветроколеса, а статор с центральным участком ветроколеса для обеспечения вращения ротора и статора электрогенератора в противоположных направлениях, при этом электрогенератор размещен в центральной части ветроколеса, а также, в роторе электрогенератора, выполненного в виде плоских параллельных дисков с кольцевыми рядами постоянных магнитов, полярность которых в ряду чередуется, на одном диске расположено четное число постоянных магнитов, а во втором диске - четное, увеличенное на пару или кратное паре постоянных магнитов, а также намотка обмоток на статоре выполнена наклонно, в соответствии со смещением магнитного поля, вызванного смещением постоянных магнитов в верхнем ряду относительно постоянных магнитов нижнего ряда.

Благодаря расчленению ветроколеса на три части, крайние из которых механически связаны со статором (или ротором - не имеет значения) электрогенератора, в центральная часть ветроколеса механически связана с ротором (статором - соответственно) электрогенератора, относительная скорость вращения ротора и статора возрастает в два раза, следовательно, и выработка электроэнергии увеличивается в два раза без увеличения габаритных размеров ветроколеса.

Благодаря тому, что центральная часть расчлененного ветроколеса превышает по высоте ровно в два раза крайние его части, создаются равные динамические условия вращения всех трех частей в противоположные стороны, отсутствует дисбаланс и не возникает изгибающий момент, который обязательно появляется во всех остальных случаях изменения высоты частей ветроколеса, следовательно, увеличивается ресурс работы электрогенератора по причине отсутствия преждевременного износа его вращающихся ротора и статора.

Благодаря тому, что торцы лопастей на всех трех участках ветроколеса снабжены барьерами, исключается срыв воздушного потока, в выполнение барьеров в виде колец, технологически проще всего, а также наличие на крайних торцах крайних секций ветроколеса таких же колец, появляется универсальность: крайние участки ветроколеса идентичны по конструкции и являются взаимозаменяемыми.

Благодаря тому, что диски ротора электрогенератора содержат разное количество постоянных магнитов, магнитное поле, генерируемое этими магнитами, оказывается несимметричным, что исключает появление эффекта «залипания» ротора.

Благодаря тому, что витки обмоток в статоре электрогенератора выполнены наклонно в соответствии со смещением магнитного поля, ЭДС в обмотки генерируется без потерь на тангенциальную составляющую, как это имело бы место при прямой навивке обмоток.

Таким образом, совокупность существенных признаков, полученных в результате изменения конструкции ветроколеса, позволяет достичь положительного технического результата, сформулированного в постановке задачи, заключающегося в повышении мощности ветроэнергетической установки ортогонального типа без увеличения габаритных размеров за счет увеличения технической возможности увеличения частоты вращения подвижного ротора электрогенератора относительно его подвижного статора, а также исключение «залипания» ротора, благодаря смещению постоянных магнитов в каждом ряду относительно друг друга.

Дальнейшая сущность предложенного технического решения поясняется совместно с иллюстрационным материалом, на котором изображено следующее: фиг. 1 - вид в плане на расчлененное ветроколесо; фиг. 2 - конструкция составной лопасти ветроколеса, вид сверху, разрез; фиг. 3 - общий вид сбоку на предложенную ветроэнергетическую установку; фиг. 4 - конструкция электрогенератора, конструктивная схема в разрезе; фиг. 5 - конструкция ротора и статора электрогенератора в развернутом виде; фиг. 6 - схема навивки обмотки на статоре электрогенератора, фрагмент.

Предложенная ветроэнергетическая установка ортогонального типа содержит расчлененное на три участка 1, 2, 3 ветроколесо. Средний участок 2 ветроколеса имеет высоту, превышающую высоту крайних участков 1 и 3 в два раза. На всех трех участках 1, 2 и 3 ветроколеса лопасти 4 имеют выпукло-вогнутый аэродинамический профиль, обращенный своей выпуклостью вовнутрь ветроколеса. При этом носки лопастей 4 крайних участков 1 и 3 ветроколеса повернуты в одну сторону, а носки лопастей 4 центрального участка 2 ветроколеса, развернуты в противоположную сторону, что обеспечивает вращение крайних участков 1 и 3 ветроколеса в одну сторону, а центрального участка - в противоположную. Чтобы исключить дисбаланс вращающихся участков 1, 2, 3 ветроколеса, средний участок 2 и выполнен по высоте в два раза выше крайних участков 1 и 3 при равных диаметрах всех трех участков 1, 2 и 3 ветроколеса. Лопасти 4 каждого участка 1, 2 и 3 ветроколеса соединены с помощью траверс 5 с осью вращения ветроколеса. Как и в прототипе, каждая лопасть 4 расчлененного ветроколеса со стороны выпуклой своей части снабжена дополнительной лопастью 6 также аэродинамического профиля, смещенной вперед в сторону вращения данного участка 1, 2 и 3 ветроколеса на 2/3 хорды и на 1/3 хорды к оси вращения ветроколеса. В свою очередь, каждая дополнительная лопасть 6 снабжена предкрылком 7, установленным на некотором расстоянии от носовой части каждой дополнительной лопасти 6. Необходимость такой конструкции лопасти 4 с дополнительной лопастью 6 и предкрылком 7 будет пояснено позже.

Торцы всех лопастей 4 всех трех участков 1, 2 и 3 ветроколеса снабжены заградительными барьерами, выполненными в виде колец 8, предназначенными для предупреждения срыва с концов лопастей 4 набегающего воздушного потока. Благодаря наличию этих колец 8 воздушный поток, оказывающий давление на лопасти 4, например, центрального участка 2 ветроколеса, не будет оказывать негативного влияния на лопасти 4 крайних участков 1 и 3, вызывая завихрение воздушных потоков, то есть на каждую лопасть 4 на любом участке 1, 2 и 3 ветроколеса, набегающий воздушный поток будет равномерно оказывать давление, создавая максимальный крутящий момент, благодаря уравновешиванию масс крайних участков 1, 3 с массой среднего участка 2 ветроколеса, и их крутящих моментов. Это важно для предупреждения биения расчлененного ветроколеса.

Ось вращения ветроколеса состоит из двух коаксиальных частей: внешней трубчатой части 9 и внутренней части 10. Крайние участки 1 и 3 расчлененного ветроколеса прикреплены через траверсы 5 к внутренней части оси 10, а центральный участок 2 ветроколеса через траверсы 5 - в внешней трубчатой части 9 оси расчлененного ветроколеса.

Ветроколесо, со всеми вращающимися узлами, включая электрогенератор, установлено на неподвижной мачте 11 ветроэнергетической установки.

Внешняя трубчатая часть оси 9 механически, через траверсы 5, связана с разъемным корпусом 12 электрогенератора. Корпус 12 расположен в центре среднего участка 2 ветроколеса. Такое расположение корпуса 12 электрогенератора технически сделать проще, когда имеются центральный 2 и вращающиеся крайние участки 1, 3 ветроколеса, кроме того, электрогенератор, имея некую массу и определенные габариты, находясь в центре ветроколеса, не будет создавать изгибающие моменты, тем самым, не создавать препятствий для нормальной работы ветроэнергетической установки.

Внутренняя часть оси 10 механически прикреплена к ротору электрогенератора и поэтому является одновременно валом ротора электрогенератора. Ротор электрогенератора выполнен в виде двух параллельных дисков 13 и 14, закрепленных на внутренней части оси 10. Диски 13 и 14 изготовлены из электротехнической стали. На обращенных друг к другу поверхностях дисков 13 и 14 аксиально размещены кольцеобразные ряды постоянных магнитов 15 и 16 соответственно. В каждом ряду постоянные магнита 15 и 16 расположены аксиально и таким образом, что их полярность в каждом ряду чередуется. При этом полюса постоянных магнитов (15) одного ряда обращены к одноименным полюсам постоянных магнитов (16) другого ряда, как это показано на фиг. 4. При этом количество постоянных магнитов 15 и 16 в каждом ряду различно, например, если их в верхнем ряду 15 четное число, то в нижнем ряду 16 четное число, но увеличенное на пару постоянных магнитов или увеличенное еще на большее количество парных магнитов. Это позволяет сместить магнита 15 и 16 относительно друг друга для получения смещенного (наклоненного) магнитного поля между рядами магнитов 15 и 16 и, тем самым, исключить эффект «залипания» электрогенератора, что обеспечивает начало его работы (выработки тока) даже при малых скоростях вращения ветроколеса, поскольку не возникает электромагнитных сил, препятствующих такому вращению.

Внешняя трубчатая часть оси 9 неразъемно связана с разъемным корпусом 12, который, в свою очередь, неразъемно связан с траверсами 5 среднего участка 2 ветроколеса. Поэтому корпус 12 вращается вместе со средним участком 2 ветроколеса. В корпусе 12 смонтирован статор электрогенератора (для удобства размещения в корпусе 12 статора он и выполнен разъемным). Статор электрогенератора расположен с технологическими зазорами между рядами постоянных магнитов 15 и 16 и представляет собой кольцевой магнитопровод 17 с однослойными обмотками 18. При этом обмотки 18 расположены на магнитопроводе 17 эквидистантно с шагом, равным половине шага постоянных магнитов 15 и 16 и намотаны «до заполнения» длиной, равной минимальной ширине постоянных магнитов 15 и 16, причем направление намотки обмоток 18 попарно меняется на противоположное (правая намотка «П» через две обмотки 18, на две обмотки 18 с левой намоткой «Л» и т.д.). Принципиальная схема электрического соединения обмоток 18 показана на фиг. 5. При намотке обмоток 18, наматываемая проволока имеет наклон на угол α, равный углу смещения постоянных магнитов 15 и 16 в верхнем и нижнем рядах см. фиг. 6.

Благодаря тому, что корпус 12 вращается вместе со статором в сторону, противоположную вращению ротора электрогенератора, относительная скорость вращения этих двух основных узлов электрогенератора возрастает в два раза, следовательно, увеличивается и выработка электрического тока электрогенератором возрастает в два раза.

Поскольку статор электрогенератора выполнен вращающимся электрический ток снимается со статора с помощью щеток 19 любой известной конструкции. Чтобы статор не опускался в корпусе 12 вниз под действием своей массы, он установлен на радиально-упорный подшипник 20.

Предложенная ветроэнергетическая установка ортогонального типа работает следующим образом.

Набегающий воздушный поток воздействует на лопасти 4 всех трех участков 1, 2 и 3 ветроколеса. Поскольку носки лопастей 4 на крайних участках 1, 3 ветроколеса ориентированы в другую сторону, чем носки лопастей 4 центрального участка 3 ветроколеса, крайние участки 1 и 3 ветроколеса вращаются в одну сторону, а центральный участок 2 ветроколеса - в другую. Принцип воздействия воздушного потока на лопасти 4 на всех участках 1, 2 и 3 одинаков. Благодаря аэродинамическому профилю, набегающий воздушный поток огибает выпуклую часть лопасти 4, вызывая появление подъемной силы, которая толкает лопасть 4 вперед, обеспечивая вращение каждого участка 1, 2 и 3 ветроколеса в свою сторону в соответствии с ориентацией носков лопастей 4 на них. В обычной (одинарной) лопасти 4, на нисходящей части ее выпуклости возникает разряжение (вакуум), из-за которого эта часть лопасти 4 «не работает», поскольку в ней не возникает подъемная сила. Это негативное явление предупреждает дополнительная лопасть 6, которая своей вогнутой частью направляет воздушный поток на хвостовую часть лопасти 4, благодаря чему, в последней появляется подъемная сила по всей длине выпуклой части лопасти 4, обеспечивая получение дополнительного вращающего момента ветроколесу. Поскольку дополнительная лопасть 6 конструктивно выполнена также выпукло-вогнутой, на ее выпуклой части также возникает подъемная сила, обеспечивающая дополнительный вращающий момент ветроколесу.

Таким образом, дополнительная лопасть 6 своей вогнутой частью обеспечивает увеличение подъемной силы в лопасти 4, а своей выпуклой часть создает дополнительную подъемную силу. Предкрылок 7 защищает дополнительную лопасть 6 от срыва воздушного потока, что обеспечивает «работу» ее выпуклой части. К тому же, предкрылок 7 направляет воздушный поток на выпуклую часть дополнительной лопасти 6, обеспечивая в ней возникновение дополнительной подъемной силы. Лопасть 4, дополнительная лопасть 6 и предкрылок 7, работая совместно, увеличивают активную (рабочую) зону (сектор) и суммарную аэродинамическую силу, поэтому общая мощность такой ветроэнергетической установки ортогонального типа возрастает без увеличения диаметра ветроколеса и количества лопастей 4 по его диаметру. Учитывая, что крайние участки 1 и 3 ветроколеса вращаются в одну сторону, а центрального участка 2 - в противоположную, относительная скорость вращения этих участков относительно друг друга возрастает в два раза, следовательно, в два раза возрастает выработка электроэнергии электрогенератором.

«Чистота» восприятия набегающего воздушного потока каждым из трех участков 1, 2 и 3 обеспечивается заградительными барьерами, выполненными в виде колец 8, установленных на всех торцах всех лопастей 4, для предупреждения стекания воздушных потоков с торцов лопастей 4 на соседние участки 1, 2 и 3 ветроколеса. Кольца 8 устраняют горизонтальную составляющую набегающего воздушного потока на торцах лопастей 4, поэтому давление воздуха на лопасти 4 всегда будет одинаковым (равномерным) по всей их плоскости, без образования завихрений, что создает условия для формирования максимального крутящего момента всех участков 1, 2 и 3 расчлененного ветроколеса.

Поскольку ось расчлененного ветроколеса состоит из двух соосных частей: внешней трубчатой части 9 и внутренней части 10, а лопасти 4 с помощью траверс 5, соединены с этими частями 9 и 10 оси ветроколеса, появляется техническая возможность прикрепить эти части 9 и 10 оси к ротору и статору электрогенератора, вращая их в разные стороны, тем самым увеличивая относительную скорость этих узлов электрогенератора (ротора и статора) в два раза, следовательно, увеличивается в два раза и выработка электроэнергии электрогенератором.

Электрогенератор работает следующим образом. При вращении ротора магнитосиловые линии постоянных магнитов 15 и 16 с помощью магнитопровода 17, вращающегося в обратную сторону (статор) пересекают витки обмоток 18 и индуцируют в них ЭДС. Благодаря тому, что полюса рядов постоянных магнитов 15 и 16 обращены одноименными полюсами друг к другу, в каждой обмотке 18, согласно «Правилу правой руки», индуцируется однонаправленная ЭДС. Принципиально, как и прототип, электрогенератор представляет собой синхронную машину двухфазного переменного тока без «залипания», благодаря различному количеству постоянных магнитов 15 и 16 в каждом ряду, что приводит к наклону магнитных силовых линий, но с удвоенным к.п.д. и, как минимум, в несколько раз большей удельной мощностью. Значительное повышение удельной мощности электрогенератора (Вт/кг) объясняется более эффективным использованием магнитного потока постоянных магнитов 15 и 16 ротора, так как витки обмоток 18 имеют наклон, равный шагу смещения постоянных магнитов 15 и 16 относительно друг друга, следовательно, отсутствует бесполезная потеря тангенциальной составляющей ЭДС, не принимающая участия в создании крутящего момента.

Опытный образец предложенной ветроэнергетической установки ортогонального типа был изготовлен и испытан в реальных условиях. Расчлененное ветроколесо на три участка, благодаря вращению его участков в разные стороны, обеспечило увеличение относительной скорости вращения участков в два раза, чем ветроколесо, взятое за прототип, при этом, в случае отсутствия заградительных колец на торцах лопастях, относительная скорость вращения участков расчлененного ветроколеса, снижалась на 35-40%. В предложенной конструкции ветроэнергетической установки отсутствуют узлы и детали, которые невозможно было бы воспроизвести с учетом последних достижений науки и техники, в частности, в ветроэнергетике, следовательно, предложенное технической решение промышленно применимо. Анализ патентной документации и научно-технической литературы показал, что информационной базе отсутствуют подобные ветроэнергетические установки ортогонального типа, с совокупностью предложенных существенных признаков, следовательно, предложенная ветроэнергетическая установка обладает новизной, поэтому ей может быть предоставлена правовая защита как объекту интеллектуальной собственности.

Существенное отличие предложенного технического решения, от ранее известных, заключается в том, что ветроколесо расчленено по высоте на три участка, крайние из которых вращаются в одну сторону, а центральный участок - в противоположную, причем, высота центрального участка ветроколеса в два раза больше крайних его участков, а также в том, что все торцы всех лопастей всех участков ветроколеса, снабжены заградительными кольцами для предупреждения срыва набегающего воздушного потока для эти участки ветроколеса, кроме того, ряды постоянных магнитов ротора имеют различное количество и витки выполнены наклонными в соответствии со смещением постоянных магнитов относительно друг друга. Указанные отличия, в совокупности, позволяют увеличить относительную скорость вращения расчлененного ветроколеса и ликвидировать горизонтальную составляющую воздушного потока на торцах лопастей, обеспечив одинаковые условия воздействия воздушного потока на всю лопасть по ее высоте, тем самым создать самые благоприятные условия для возникновения крутящего момента в ветроколесе, следовательно, и максимальную выработку электроэнергии электрогенератором без увеличения габаритов и числа лопастей в ветроколесе. Ни одна из известных ветроэнергетических установок ортогонального типа не может обладать указанными полезными свойствами, поскольку не содержат в своем составе всей совокупности существенных признаков, присущих заявленному техническому решению.

К техническим преимуществам предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:

- увеличение относительной скорости участков расчлененного ветроколеса за счет того, что они вращаются в разные стороны;

- увеличение полезной площади лопастей ветроколеса за счет наличия заграждающих колец на их торцах, предупреждающих срыв воздушного потока;

- увеличение мощности ветроэнергетической установки за счет возможности вращения ротора и статора в разные стороны;

- снижение вибрации, аэродинамического шума и радиального биения всех участков ветроколеса за счет соотношения их высоты: вентральный участок выше крайних в два раза;

- устранение эффекта «залипания» постоянных магнитов за счет наклона магнитного поля, благодаря использования в каждом ряду разного количества постоянных магнитов и за счет наклона обмоток в соответствии со смещением постоянных магнитов в рядах относительно друг друга.

Экономический эффект от внедрения предложенной ветроэнергетической установки, по сравнению с использованием прототипа, получают за счет увеличения удельной мощности установки вследствие расчленения ветроколеса по высоте и вращения этих частей в разные стороны, а также за счет повышения коэффициента использования энергии ветра, вследствие исключения потерь части воздушных потоков на торцах лопастей и за счет изменения конструкции электрогенератора, что позволило исключить появление «залипания» и максимально использовать магнитную силу для создания ЭДС вследствие выполнения обмоток наклонными.

Ветроэнергетическая установка ортогонального типа, включающая мачту с электрогенератором и ветроколесо в виде радиально отходящих от мачты траверс в соединении вала электрогенератора с вертикальными лопастями аэродинамического профиля, обращенного выпуклостью к оси вращения ветроколеса, причем каждая лопасть ветроколеса снабжена дополнительной лопастью с таким же аэродинамическим профилем и величиной хорды, при этом дополнительная лопасть имеет типовой для дозвуковых скоростей предкрылок и установлена относительно лопасти выпуклостью к оси вращения со смещением к оси вращения на 1/3 хорды и на 2/3 хорды в сторону вращения ветроколеса, отличающаяся тем, что ветроколесо расчленено на три части, крайние из которых вращаются в противоположную сторону относительно центральной части, высота лопастей которой в два раза больше высоты лопастей крайних участков, а также торцы лопастей на всех трех участках ветроколеса снабжены барьерами, предупреждающими срыв воздушного потока, выполненными в виде колец, а ротор электрогенератора механически связан с крайними участками ветроколеса, а статор – с центральным участком ветроколеса для обеспечения вращения ротора и статора электрогенератора в противоположных направлениях, при этом электрогенератор размещен в центральной части ветроколеса, а также в роторе электрогенератора, выполненного в виде плоских параллельных дисков с кольцевыми рядами постоянных магнитов, полярность которых в ряду чередуется, на одном диске расположено четное число постоянных магнитов, а во втором диске - четное, увеличенное на пару или кратное паре постоянных магнитов, а также намотка обмоток на статоре выполнена наклонно, в соответствии со смещением магнитного поля, вызванного смещением постоянных магнитов в верхнем ряду относительно постоянных магнитов нижнего ряда.