Способ получения ветроэнергии и устройство для его осуществления

 

Использование: в ветроэнергетике, а именно относится к способам получения ветроэнергии и установкам для ее выработки, содержащим несколько ветроколес. Сущность изобретения: для выработки энергии применяют системы из двух соосно расположенных ветроколес, первое из которых выполняют меньшего диаметра и устанавливают в ветропотоке перед вторым ветроколесом, взаимное воздействие ветроколеc осуществляют за счет их аэродинамической связи в пределах ометаемых площадей по полным рабочим диаметрам каждого из колес путем создания дополнительных потоков воздуха с повышенной скоростью, создаваемых в периферийных зонах лопаток первого ветроколеса, направленных к второму и формируемых в виде вихревого тора. Режим формирования первым ветроколесом производят из условия вписывания создаваемого им расхода в номинальный наперед заданный закон изменения расхода в рабочем диапазоне скоростей ветра, соответственно, повышенный на низких скоростях ветра и уменьшенный на высоких, при этом угловую скорость первого ветроколеса в рабочем режиме задают переменной и определенно большей угловой скорости второго ветроколеса. Поток воздуха, поступающий на второе ветроколесо, дополнительно турбулизируют по сечению потока. Устройство для осуществления способа содержит два ветроколеса, соосно расположенные на нем, первое ветроколесо меньшего диаметра установленное с возможностью свободного вращения, а второе жестко связано с валом. Первое ветроколесо снабжено концевым вихреобразователем и турбулизаторами, его лопасть содержит мах, включающий в себя несущий элемент и турбулизатор, периферийную лопаточную часть, расширяющуюся по хорде от маха к вихреобразователю и связанную с последним в наиболее широкой части, турбулизатор выполнен в виде профиля углового сечения, ориентированного вершиной угла в направлении вращения ветроколеса, ветроколеса выполнены с различным числом лопастей, причем на первом меньше, чем на втором, а вихреобразователь и лопаточная часть лопастей имеют аэродинамические профили. Лопасти второго ветроколеса отклонены из полости вращения на угол 2...7^o по направлению ветра. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к регулируемым ветродвигателям, содержащим несколько соосно располагаемых ветроколес.

Известен способ получения ветроэнергии, реализованный в ветродвигателе по а. с. N 1078120 от 05.07.82, кл. F 03 D 1/00, заключающийся в том, что несколько ветроколес выполняют разных диаметров, устанавливают из соосно в порядке возрастания диаметров, помещают колеса в ветровой поток, преобразуют энергию последнего в ветроэнергию (электроэнергию).

Ветродвигатель по а.с. N 1078120, содержит башню с головкой и ветроколеса, установленные на концентрично расположенных в головке валах и имеющие каждое внутренний и наружный обод с размещенными между ними лопастями, причем наружные и внутренние ободы ветроколес имеют различные диаметры, а лопасти одинаковую длину, ветроколеса расположены соосно в порядке возрастания диаметров их ободов в направлении к башне, снабжены ступицами с подшипниками качения и установлены на валах с возможностью осевого перемещения.

Такой способ получения ветроэнергии имеет следующие недостатки: не решается задача получения ветроэнергии при низких скоростях ветра 2.4 м/с, а тем более при сверхнизких скоростях ветра 1.2 м/с, 0.1 м/с; в случае получения ветроэнергии в нижней части диапазона ветров, примыкающей к скорости 4.6 м/с, в верхней части диапазона получение энергии в промышленных количествах затруднено из-за снижения эффективности ветродвигателя; все ветроколеса преобразуют энергию ветропотока автономно по отношению друг к другу; нельзя воспринимать разнотипные условия высокоскоростной части ветродиапазона на одном ветроколесе и низкоскоростной части на другом (других) и тем более воздействовать ветроколесом, работающим в одной части диапазона, на ветроколесо, работающее в противоположной части диапазона ветров; способ даже не предусматривает влияния одного ветроколеса на другое; способ получения ветроэнергии не предусматривает взаимное регулирования мощности одного ветроколеса на другое и системы из таких колес в целом.

Реализующее способ устройство имеет следующие недостатки: трудоемко в изготовлении; наличие громоздкой системы входных и выходных валов, шестерен и колес, форма валов, наличие большого количества подшипников свидетельствуют о высокой стоимости и невысокой надежности; имеет большие габариты, в том числе в осевом направлении.

Указанные недостатки ограничивают эффективность и применяемость данного технического решения.

Известен способ получения ветроэнергии от системы двух соосно располагаемых ветроколес, реализованный устройством по а.с. 1.286.804 от 13.08.85.

Первое колесо выполняют меньшего диаметра, устанавливают в ветропоток перед вторым с возможностью свободного вращения относительно вала, второе колесо выполняют большего диаметра, жестко связывают с валом и электрогенератором.

Между ветроколесами устанавливают муфту сцепления с возможностью механического взаимодействия ветроколес между собой.

Первое ветроколесо, выполненное многолопастным и механически связанное с вторым через муфту сцепления, выполняемым малолопастным, помещают в ветропоток первым.

На стадии разгона разгоняют первое колесо вместе с вторым до рабочей частоты вращения, при этом они имеют одну и ту же угловую скорость.

На рабочем режиме по достижении рабочей частоты вращения разъединяют связь между первым и вторым ветроколесами, переключают электрогенератор на рабочий режим и получают электроэнергию от вращения второго ветроколеса, соединенного через вал генератором. При этом на угловую скорость второго ветроколеса угловая скорость первого ветроколеса не влияет.

На стадии торможения, например, при увеличении скорости ветра и выходе частоты вращения на максимально допустимую оба колеса механическим путем за счет муфты сцепления соединяют вместе.

Ветроколеса в таком положении начинают вращаться совместно с одной и той же угловой скоростью. Такое двойное ветроколесо становится многолопастным, в результате чего оно обладает пониженной быстроходностью и аэродинамически тормозит ветродвигатель до уменьшенной новой рабочей частоты вращения.

Данное технические решение является наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту по способу получения ветроэнергии и поэтому принято за прототип в части способа.

Ветродвигатель (а.с. N 1286804 от 13.08.85, F 03 D 7/02), содержит вал, расположенные на нем многолопастное колесо меньшего диаметра и малолопастное колесо большего диаметра, первое колесо установлено с возможностью вращения относительно вала, а второе жестко связано с валом, установленную между ветроколесами муфту сцепления, выполненную с возможностью соединения-разъединения колес между собой, электрогенератор с цепью обмотки возбуждения, кинематически связанный с малолопастным колесом большего диаметра. Вал снабжен контактным выключателем, подсоединенным к цепи обмотки возбуждения, и центробежным грузом, взаимодействующим с выключателем.

По технической сущности и достигаемому результату такое устройство является наиболее близким к заявляемому и выбрано в качестве прототипа.

Известные по а.с. N 1286804 устройство и способ, реализуемый им при работе, имеют следующие недостатки.

Для достаточно большого количества географических местностей и районов как в самой России, так и за ее пределами, относящихся к центрально-материковым регионам континентов, преобладающими ветрами являются низкоскоростные. В них ветра со скоростью 0.1 м/с, 1.2 м/с, 2.4 м/с составляют нередко ≈ 80% от всех ветров, наблюдаемых в течении года в данной местности.

В ветроэнергетике и сегодня существует нерешенная задача: получение ветроэнергии с выработкой электроэнергии в диапазоне низких 1.2 м/с и крайне низких 0.1 м/с скоростей ветра.

Известные технические решения, в том числе анализируемые способ и устройство, его реализующее, не решают эту актуальную задачу.

В прототипе на рабочем режиме выработку энергии ведут при отрицательном воздействии первого (по ветру) многолопастного колеса из-за несовместимости рабочих характеристик обоих, разного типа колес.

При этом энергия ветра, приходящаяся на площадь, образуемую первым многолопастным ветроколесом, фактически потеряна для второго ветроколеса или приводит к резкому уменьшению вырабатываемой им энергии.

В рабочем режиме энергия ветропотока на первом ветроколесе теряется или уменьшает выработку энергии, осуществляемую за счет второго ветроколеса.

При этом способ выработки энергии имеет низкий коэффициент использования энергии ветра, номинально приходящей на систему из двух ветроколес.

В известном устройстве, реализующем этот способ, заложена муфта сцепления, предопределяющая его низкую надежность, малую долговечность, повышенную трудоемкость при изготовлении и повышение стоимости как ветродвигателя, так и удельной стоимости единицы вырабатываемой энергии или электроэнергии.

Целью способа и реализующего его устройства является:
получение ветроэнергии в диапазонах низких и крайне низких скоростей ветра;
обеспечение регулирования мощности в расширенном диапазоне скоростей ветра;
повышение коэффициента использования энергии ветра;
обеспечение безударного взаимодействия ветроколес;
упрощение конструкции, повышение надежности и долговечности, снижение стоимости и материалоемкости конструкции;
уменьшение удельной стоимости единицы вырабатываемой энергии.

Цель достигается следующим образом.

В способе взаимное воздействие ветроколес осуществляют за счет их аэродинамической связи в пределах ометаемых площадей по полным рабочим диаметрам каждого из колес путем создания первым ветроколесом дополнительных потоков воздуха с повышенной скоростью в направлении второго колеса, формируемых в виде вихревого тора в периферийных зонах его лопаток, режим формирования потока поддерживают из условия вписывания создаваемого первым ветроколесом расхода в номинальный наперед заданный закон изменения расхода в рабочем диапазоне скоростей ветра, повышенный при низких и уменьшенный при высоких скоростях ветра, при этом в рабочем режиме угловую скорость первого ветроколеса задают переменной и определенно большей угловой скорости второго ветроколеса. Дополнительно турбулизуют поток воздуха, поступающий на второе ветроколесо по сечению потока.

В ветродвигателе первое ветроколесо снабжено вихреобразователями и турбулизаторами, лопасть первого ветроколеса содержит мах, конструктивно включающий в себя турбулизатор, а также лопаточную часть, расширяющуюся по хорде от маха к вихреобразователю и связанную с последним в наиболее широкой периферийной части, турбулизатор выполнен в виде профиля углового сечения, ориентированного острым углом в направлении вращения ветроколеса, оба ветроколеса выполнены малолопастными с числом лопастей на первом ветроколесе, меньшим, чем на втором, а вихреобразователь и лопаточная часть имеют аэродинамические профили.

Второе ветроколесо установлено на расстоянии L (0,5.1,0)D₁ от первого ветроколеса, где D₁ диаметр первого ветроколеса, а его лопасти отклонены от плоскости вращения по ветру на угол 2.7^o.

Ветродвигатель дополнительно снабжен торсионными механизмами, которые установлены на лопастях первого ветроколеса в периферийных зонах лопаточных частей с возможностью поворота вихреобразователя в плоскости ветроколеса вокруг оси торсиона, перпендикулярной оси лопасти, при этом ось торсиона вынесена вперед по вращению ветроколеса относительно центра масс вихреобразователя.

Лопаточная часть лопасти связана с вихреобразователем посредством оси с возможностью его поворота и фиксации в задаваемом относительно оси положении в плоскости вращения ветроколеса.

На фиг. 1 схематически изображен ветродвигатель, реализующий способ; на фиг. 2 совместно первое (малое) с вихреобразователями и турбулизаторами и второе (большое) ветроколеса; на фиг.3 лопасть первого ветроколеса, вид сверху, со стороны вихреобразователя; на фиг.4 общая электромеханическая схема ветроэлектрического устройства; на фиг.5 график расхода воздуха на втором ветроколесе в диапазоне скоростей ветропотока и мощности N₂(V) для различных законов изменения расхода Q₂(V); на фиг.6 эпюры скоростей потока по сечениям кругов, ометаемых первым и вторым ветроколесами; стрелками обозначено движение потока в вихревом торе (динамическом конфузоре); на фиг.7 вариант выполнения тормозного механизма для первого ветроколеса (относительно основания); на фиг. 8 вариант выполнения торсионного механизма вихреобразователя; M(ϕ) график момента, развиваемого торсионом при повороте вихреобразователя на угол ϕ; на фиг.9 вариант выполнения торсионного механизма, обеспечивающего поворот лопаточной части лопасти при увеличении скорости ветра.

Способ осуществляют следующим образом.

Для выработки ветроэнергии применяют систему из двух соосно установленных ветроколес, первое из которых выполняют меньшего, чем второе ветроколесо, диаметра и устанавливают в ветропотоке перед вторым, и осуществляют взаимное воздействие первого ветроколеса на второе за счет их аэродинамической связи в пределах ометаемых площадей по полным рабочим диаметрам каждого из колес путем создания дополнительных потоков воздуха с увеличенной скоростью, создаваемых в периферийных зонах лопаток первого ветроколеса, направленных к второму и формируемых в виде вихревого тора. Режим формирования потока первым ветроколесом производят из условия вписывания создаваемого им расхода в номинальный наперед заданный закон изменения расхода в рабочем диапазоне скоростей ветра, соответственно повышенный на низких скоростях ветра и уменьшенный на высоких, а угловую скорость первого ветроколеса в рабочем режиме задают переменной и определенно большей угловой скорости второго ветроколеса.

При этом дополнительно турбулизуют поток воздуха, поступающий на второе ветроколесо по сечению потока.

Ветродвигатель содержит вал 1, соосно расположенные на нем два ветроколеса, первое ветроколесо 2 меньшего диаметра выполнено малолопастным и установлено на ступице 3 с возможностью свободного вращения, второе ветроколесо 4 большего диаметра выполнено также малолопастным, при этом число лопастей на первом ветроколесе 2 меньше, чем на втором 4, например 2 и 3, 3 и 4, 2 и 4 и т.д.

Первое ветроколесо 2 снабжено вихреобразователями 5 и турбулизаторами 6, его лопасть 7 содержит мах 8, включающий в себя турбулизатор 6, лопаточную часть 9, расширяющуюся по хорде от маха 8 к вихреобразователю 5 и связанную с последним в периферийной части 10, имеющей наибольшую хорду, турбулизатор 6 выполнен в виде профиля углового сечения 11, ориентированного острым углом 12 в направлении вращения ветроколеса 2, а вихреобразователь 5 и лопаточная часть 9 имеют аэродинамические профили 13 и 14. Вал 1 связан с электрогенератором 15 непосредственно или через муфту, электрогенератор соединен с преобразователем 16, который связан с выходными коммутационными устройствами.

Ветродвигатель установлен на башне 17 с возможностью поворота при изменении направления ветропотока.

Второе ветроколесо для усиления положительного эффекта установлено на расстоянии L от первого ветроколеса, определяемом из соотношения
L (0,5.1,0)D₁,
где D₁ диаметр первого ветроколеса,
при этом лопасти второго ветроколеса отклонены из плоскости вращения на угол 2.7^o по направлению ветра.

Ветродвигатель снабжен тормозным механизмом 18, установленным с возможностью взаимодействия с первым ветроколесом или основанием 19 (фиг. 7).

Первое ветроколесо ветродвигателя дополнительно может быть снабжено механизмом поворота лопастной части совместно с вихреобразователем относительно оси маха оси лопасти (фиг. 8, 9).

Устройство может быть снабжено как самостоятельным (в классическом исполнении) механизмом поворота лопастей, когда они поворачиваются как целое, либо снабжено механизмом поворота, совмещенным с конструктивными элементами устройства. Так, механизм поворота лопаточной части совместно с вихреобразователем может быть выполнен в виде торсионного механизма, вал 20 которого совмещен с махом 8 лопасти (фиг. 9).

Вихреобразователь 5 на лопаточной части 9 первого ветроколеса установлен на оси 20, параллельной или совпадающей с осью лопасти, с возможностью его поворота вокруг оси лопасти и фиксации в задаваемом положении относительно этой оси на угол j (фиг. 9).

На лопастях первого ветроколеса в периферийных зонах лопаточных частей дополнительно установлены торсионные механизмы 22, перпендикулярно оси 21 лопасти с возможностью поворота вихреобразователя 5 в плоскости вращения ветроколеса при закрутке торсиона 22 вокруг его оси. При этом ось торсиона расположена впереди по направлению вращения ветроколеса относительно центра масс вихреобразователя на величину L (фиг.8).

Ветродвигатель работает следующим образом.

При воздействии ветрового потока первое ветроколесо, свободно вращающееся на валу, разгоняется до угловой скорости w₁. Вихреобразователи 5, установленные на периферии лопаточной части 9, за счет разности давлений под и над аэродинамическим профилем вихреобразователя и в набегающем потоке при вращении ветроколеса формируют "динамический конфузор" торовое вихревое кольцо, направление движения воздуха в котором приводит к дополнительному притоку воздуха к первому ветроколесу из окружающего массива воздуха в ветропотоке (стрелками на фиг. 6 обозначены направления вихрей) и увеличению скорости ветропотока, проходящего через ометаемую первым ветроколесом площадь, преимущественно в периферийных зонах ветроколеса.

Под действием увеличенного расхода воздуха от первого ветроколеса, а также под действием набегающего потока в периферийных зонах второе колесо, связанное с нагрузкой-электрогенератором 15, разгоняется до рабочей скорости вращения.

При увеличении скорости ветропотока с помощью первого ветроколеса регулируют расход воздуха, поступающий на второе ветроколесо. Это осуществляют следующим образом:
торможением первого ветроколеса с помощью тормозного механизма 18, установленного с возможностью взаимодействия первого ветроколеса 2 с основанием 19 (фиг.7), или вторым ветроколесом;
поворотом лопастей первого ветроколеса совместно с вихреобразователем 5 для ограничения мощности, отбираемой от ветропотока и идущей на создание дополнительного потока воздуха, направляемого на второе ветроколесо, при работе механизма поворота лопастей; поворот лопасти может производиться также за счет закрутки вала 20 торсионного механизма при возрастании аэродинамического момента при увеличении скорости ветропотока;
поворотом вихреобразователей 5 в плоскости вращения ветроколеса относительно оси торсиона 22 при увеличении оборотов ветроколеса за счет закрутки торсионного механизма под действием центробежной силы F = mw²₁R₁, что, с одной стороны, снижает эффективность вихреобразования за счет ухода от оптимальных углов атаки профиля вихреобразователя при повороте на угол ϕ (фиг.8), а с другой, за счет увеличения сопротивления воздуха.

Образованный первым ветроколесом вихрь приводит к увеличению скорости воздуха в периферийных зонах лопастей. Расход при этом может быть увеличен в 2.3 раза (см. эпюру скорости V(R) на фиг.6).

За первым ветроколесом размер зоны, в которой скорость потока превосходит V^~, увеличивается за счет продолжения движения развития вихря в стороны и сноса расходящегося вихревого потока набегающим потоком в сторону второго ветроколеса.

Увеличенный диаметр D₂ второго ветроколеса D₂ > D₁ позволяет захватить практически весь дополнительный поток, сформированный первым ветроколесом, в том числе и в "расходящемся" вихревом потоке.

Приведенное выше соотношение диаметров D₂ и D₁ назначено из условия помещения второго ветроколеса 4 в зону местного увеличения скорости потока при развитии вихрей.

Выработанная электроэнергия с генератора 15 (фиг.4) поступает в преобразователь 16, который вырабатывает ток стандартной частоты и напряжения (а также качества в зависимости от требований потребителя).

В качестве преобразователя 16 может использоваться например электрическая система: преобразователь-инвертор, который преобразовывает вырабатываемый генератором ток переменной частоты при переменной скорости вращения генератора, в постоянный ток, а затем постоянный ток в переменный заданной фиксированной частоты (см. например, K.Nanarajan, A.M.Sharaf, S.Sivakumar, S. Naganathan Modeling and control desing for wind energy power cjnversion scheme using self-excied induction generator. IEEE Transaction on Energy Conversion. Vol EC-2. N 3, September 1987, 506.512.

При такой схеме питания потребителя нет необходимости строго выдерживать частоту вращения второго рабочего ветроколеса и генератора, т.к. частота тока, направляемая потребителю, выдерживается преобразователем, а использование ветроколеса с переменной скоростью вращения позволяет оптимально отбирать наибольшую мощность от ветропотока.

Мощность, развиваемая первым ветроколесом, полностью (кроме потерь на трение) расходуется на образование динамического вихревого потока - торообразного вихря, что обеспечивает дополнительный приток воздуха из окружающего потока через отметаемую новым ветроколесом площадь. Это дает возможность выполнить первое ветроколесо уменьшенного диаметра. Дополнительное увеличение расхода особенно выгодно при низких скоростях ветра, когда требуется обеспечить наивысший коэффициент использования энергии ветропотока и, соответственно, наибольший расход воздуха через второе ветроколесо. При увеличении скорости ветропотока увеличивается расход через первое и второе ветроколеса от движения потока, поэтому дополнительный расход от работы первого ветроколеса возможно ограничивать в зависимости от требуемого закона изменения мощности, вырабатываемой вторым ветроколесом.

Использование в системе двух ветроколес первого ветроколеса с большей угловой скоростью, чем второе, и с меньшим числом лопастей позволяет выполнить его более быстроходным, что дает возможность при уменьшении радиуса сохранить высокую эффективность в части создания дополнительного расхода воздуха.

В конкретном примере реализации способа и выполнении устройства, реализующего способ, при N_эл 10 кВт и диаметре первого ветроколеса 5,1 м оно выполнено двухлопастным, а второе ветроколесо трехлопастным при диаметре 7,5 м.

Поскольку первое ветроколесо механически не нагружено на электрогенератор, оно самонастраивается на скорость ветропотока V^~ и даже при низких и сверхнизких скоростях V^~ не создает трудностей с пуском ветроколеса. Это позволяет упростить конструкцию и отказаться, например, от механизма установки лопастей на пусковые углы не только на первом, но и на втором ветроколесе, которое, будучи нагруженным на электрогенератор, запускают после разгона первого ветроколеса и создания дополнительного расхода воздуха, поступающего на второе ветроколесо, что обеспечивает легкий пуск второго ветроколеса, в том числе и низких температурах.

Из теории ветродвигателей известно, что мощность, развиваемая ветроколесом, как интегральная характеристика зависит от коэффициента мощности сечения и скоростного режима обтекания сечения лопасти. Скоростной режим определяется расходом воздуха через элементарное сечение лопасти, а интегрально через площадь, ометаемую лопастями ветроколеса.

Таким образом, регулируя расход, а соответственно, скоростной режим обтекания сечений второго ветроколеса, можно регулировать его мощность, идущую на выработку электроэнергии.

Расход воздуха через второе ветроколесо определяется из соотношения
Q₂= Q₁+ΔQ, (1)
где Q₁ расход через сечение 1-го ветроколеса;
ΔQ расход воздуха из невозмущенного потока за счет увеличенного диаметра второго ВК по отношению к первому;

где V(R) закон изменения скорости потока по радиусу первого ветроколеса с учетом дополнительного расхода воздуха.

Расход воздуха, поступающий на периферийную часть второго ветроколеса из потока определяется как
ΔQ = π·(R²₂-R²₁)·V^~. (3)
При отсутствии вихреобразователей на первом ветроколесе, расход воздуха через него составляет

Регулируемая часть расхода, поступающая на второе ветроколесо, представлена величиной Q'₁
Q' Q₁-Q'₁, (5)

В зависимости от цели применения ветроустановки закон изменения вырабатываемой мощности N(V) может быть различным:
возрастающим при увеличении скорости V^~;
возрастающим при V^~≅ V_ном и далее постоянным;
возможны другие виды N(V).

Если для известных ветродвигателей задача регулирования состоит главным образом в регулировании коэффициента мощности С_p(V), как правило, снижении C_p(V) от С_pmax, то в заявляемом способе регулирование осуществляют при постоянстве C_pmax за счет регулирования расхода, создаваемого первым ветроколесом.

Известно, что мощность N, развиваемая ветроколесом,

где ρ плотность воздуха;
d диаметр ветроколеса.

Секундный расход Q F·V,
где площадь, ометаемая ветроколесом.

С учетом этого

Если для регулирования С_p(V) в известных решениях применяют, как правило, поворотные лопасти, усложняя механическую часть ветроустановки, то заявляемый способ делает возможным значительно упростить конструкторские решения устройств, его реализующих.

Скорость вращения ω₁ первого ветроколеса переменна, чем выше скорость потока V^~, тем выше ω₁. При увеличении V~ ветроколесо, сохраняя оптимальный коэффициент мощности С_p(Z), будет увеличивать скорость вращения для сохранения оптимальных значений Z быстроходности

Мощность на первом ветроколесе согласно соотношению (7) будет возрастать, что приводит к увеличению интенсивности вихреобразования и увеличению дополнительного расхода Q', см. (6).

Располагая наперед заданным законом мощности N(V) и, соответственно, необходимым законом расхода Q(V) за счет регулирования дополнительного расхода воздуха, создаваемого первым ветроколесом, в заявляемом способе регулируют мощность, развиваемую вторым ветроколесом и, соответственно, ветроустановкой.

На фиг. 5 изображены 4 основных вида графиков суммарного расхода Q₂(V). Закон расхода для невозмущенного потока через ометаемую площадь линеен относительно скорости потока V^~. Мощность, развиваемая ветроколесом, при этом возрастает в кубической зависимости, см. (8). Пунктиром на фиг.5 обозначим нерегулируемый расход Q₂(V) и график N₂(V), ему соответствующий. При различной глубине регулирования расхода, которая может достигать, как показывают результаты исследований, +50.100% на малых скоростях ветропотоков и -50. 200% при больших скоростях (см. графики, обозначенные сплошной линией на фиг. 5), закон N₂(V) может иметь различную крутизну возрастания, в том числе быть постоянным при ниспадающем расходе. Это приближает характеристику ветродвигателя согласно заявляемому решению к характеристике классических ветродвигателей с поворотными лопастями и соответствующими механизмами регулирования.

Фактически мощность, развиваемая вторым ветроколесом, регулируется путем изменения мощности, развиваемой первым ветроколесом, точнее той доли его мощности, которая идет на создание дополнительного расхода воздуха.

Эта регулировка может осуществляться двояко, с одной стороны, снижением С_p(Z) или С_p(V) ограничением скорости вращения ω₁, путем изменения углов установки сечений лопастей первого ветроколеса в потоке, а также увеличения сопротивления воздуха при увеличении оборотов, точнее снижением КПД вихреобразователя.

Для осуществления такого регулирования возможны различные варианты устройств, например, выполнение лопастей первого ветроколеса поворотными в зависимости от числа оборотов (а через величину Z, соответственно, от скорости V^~, см. (9), что обеспечивается установкой торсионного механизма 22 на лопаточной части первого ветроколеса с возможностью поворота вихреобразователя в плоскости вращения ветроколеса вокруг оси торсиона, расположенной перпендикулярно оси лопасти. При этом смещение оси торсиона вперед на величину ΔL₂ относительно центра масс вихреобразователя позволяет регулировать эффективность формирования дополнительного расхода за счет сверхэффекта: при изменении значений угла от оптимальных 4.6^o в сторону увеличения снижается эффективность вихреобразования, а соответственно, и дополнительный расход воздуха, а также увеличивается аэродинамическое сопротивление.

Дополнительное влияние на эффективность формирования потока через первое ветроколесо осуществляют поворотом начальной установкой с фиксацией вихреобразователя относительно оси лопасти ветроколеса, фиг. 8. При этом происходит смещение центров давлений при работе ветроколеса, что расширяет возможности регулирования. Эта регулировка, точнее настройка, делается конкретно для ветров данного региона. В совокупности две регулировки: начальная установка вихреобразователя относительно плоскости вращения и поворот его при вращении в двух плоскостях на увеличенной скорости и при увеличенной скорости ветропотока, делают возможным регулирование в широком диапазоне.

Кроме того, регулирование можно осуществлять за счет торможения первого ветроколеса, механического или электромагнитного, для этого устройство, реализующее способ, например, снабжено тормозным механизмом 18, установленным с возможностью взаимодействия с первым ветроколесом. Торможение может производиться относительно основания 19 рамы головки ветродвигателя, а также относительно второго ветроколеса (фиг. 7).

На фиг.7 изображены два варианта исполнения тормозного механизма 18. Гистерезисный тормоз, связывающий при включении вал первого ветроколеса с основанием 19 или, например, с вторым ветроколесом в варианте дискового исполнения: дисков 23, 24 и тормозных колодок 25 и привода 26.

В последнем случае это, снизив мощность, вырабатываемую первым ветроколесом, увеличит ее на втором ветроколесе, т.к. первое ветроколесо вращается быстрее второго, что создает дополнительные возможности регулирования в системе двух ветроколес.

Свободное вращение первого ветроколеса позволяет обеспечить глубокое регулирование режима работы второго ветроколеса, т.к. первое ветроколесо не связано непосредственно механически с электрогенератором, а аэродинамическая связь по потоку представляет широкие возможности для регулирования в расширенном диапазоне скоростей ветровых потоков.

Регулируемая аэродинамическая связь ветроколес вместо их механической связи обеспечивает в общем случае безударный переход при необходимости перехода с одного режима (разгона, рабочего, выгона) на стоимость выработанной энергии за какой-то период, например за сезон, год и т.д. и удельная стоимость единицы вырабатываемой энергии.

Кроме того, схема устройства для реализации способа получения ветроэнергии от системы двух соосно расположенных ветроколес достаточно проста и технологична, принципиально не требует муфт сцепления или аналогичных механизмов, поэтому характеризуется повышением надежности, увеличением долговечности, уменьшением трудоемкости при изготовлении устройства и его эксплуатации.

Таким образом, цель изобретения достигается, а использование заявляемого способа и реализующего его устройства ветродвигателя создает положительный эффект. 2 4

Формула изобретения

1. Способ получения ветроэнергии, по которому для выработки энергии применяют систему из двух соосно расположенных ветроколес, первое из которых выполняют меньшего диаметра и устанавливают в ветропотоке перед вторым ветроколесом, осуществляют взаимное воздействие ветроколес между собой, отличающийся тем, что взаимное воздействие ветроколес осуществляют за счет их аэродинамической связи в пределах сметаемых площадей по полным рабочим диаметрам каждого из колес путем создания дополнительных потоков воздуха с повышенной скоростью, создаваемых в периферийных зонах лопаток первого ветроколеса и направленных к второму и формируемых в виде вихревого тора, режим формирования потока первым ветроколесом производят из условия вписывания создаваемого им расхода в номинальный наперед заданный закон изменения расхода в рабочем диапазоне скоростей ветра соответственно повышенный на низких скоростях ветра и уменьшенный на высоких, при этом угловую скорость первого ветроколеса в рабочем режиме задают переменной и определенно большей угловой скорости второго ветроколеса.

2. Способ получения ветроэнергии по п.1, отличающийся тем, что дополнительно турбулизируют поток воздуха, поступающий на второе ветроколесо по сечению потока.

3. Ветродвигатель, содержащий два ветроколеса, соосно расположенные на нем, первое ветроколесо меньшего диаметра, установленное с возможностью свободного вращения, а второе жестко связанное с валом, отличающийся тем, что первое ветроколесо снабжено концевым вихреобразователем и турбулизаторами, его лопасть содержит мах, включающий в себя несущий элемент и турбулизатор, периферийную лопаточную часть, расширяющуюся по хорде от маха к вихреобразователю и связанную с последним в наиболее широкой части, турбулизатор выполнен в виде профиля углового сечения, ориентированного вершиной угла в направлении вращения ветроколеса, ветроколеса выполнены с различным числом лопастей, причем на первом меньшим чем на втором, а вихреобразователь и лопаточная часть лопастей имеют аэродинамические профили.

4. Ветродвигатель по п.3, отличающийся тем, что лопасти второго ветроколеса отклонены из плоскости вращения на угол 2.7^o по направлению ветра.

5. Ветродвигатель по п. 3, отличающийся тем, что он снабжен тормозным механизмом, установленным с возможностью взаимодействия с первым ветроколесом.

6. Ветродвигатель по п.3, отличающийся тем, что в нем первое ветроколесо снабжено механизмом поворота лопаточной части совместно с вихреобразователем относительно оси лопасти ветроколеса.

7. Ветродвигатель по пп.3 и 6, отличающийся тем, что механизм поворота лопаточной части совместно с вихреобразователем выполнен в виде торсионного механизма, вал которого совмещен с махом лопасти.

8. Ветродвигатель по п.3, отличающийся тем, что вихреобразователь установлен на лопаточной части лопасти на оси, параллельной оси лопасти, с возможностью его поворота и фиксации в задаваемом положении вокруг этой оси.

9. Ветродвигатель по п.3, отличающийся тем, что он снабжен торсионными механизмами, установленными на лопастях первого ветроколеса в периферийных зонах лопаточных частей с возможностью поворота вихреобразователя в плоскости вращения ветроколеса вокруг оси торсиона, перпендикулярной оси лопасти.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9