RU226045U1

RU226045U1 - Лопасть ветроколеса

Info

Publication number: RU226045U1
Application number: RU2024106191U
Authority: RU
Inventors: Ольга Алексеевна Черкасова; Александр Александрович Скрипкин
Filing date: 2024-03-11
Publication date: 2024-05-17

Abstract

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована при разработке конструкций лопастей ветроколес - ветряных турбин, приводящих в движение роторы ветрогенераторов. Технический результат заключается в увеличении КПД ветрогенератора. Технический результат достигается тем, что лопасть ветроколеса, имеющая симметричный профиль, на которой ее противолежащие поверхности покрыты слоями материалов, имеющих разные значения коэффициента теплопоглощения, причем поверхность, на которую воздействует подъемная сила, покрыта слоем материала, обладающим большим значением коэффициента теплопоглощения, чем значение коэффициента теплопоглощения слоя материала, покрывающего противолежащую ей поверхность лопасти, при этом поверхности лопасти отделены друг от друга термоэкраном, выполненным из механически прочного материала, обладающего теплоизоляционными свойствами, согласно решению, внутри лопасти по ее продольной оси размещено устройство для дополнительного получения электрической энергии, содержащее постоянные магнитные шайбы, выполненные с возможностью возвратно-поступательного перемещения по направляющему вертикальному стержню, размещенному в центре полого цилиндрического корпуса, обмотки для подключения к внешнему накопителю энергии, при этом корпус снабжен торцевыми крышками, цилиндрический магнит выполнен из нечетного числа магнитных шайб, имеющих последовательно-противоположное аксиальное намагничивание, на поверхности северных полюсов шайб нанесена пленка моноэлектрета с отрицательным зарядом, а на поверхности южных полюсов шайб нанесены пленки моноэлектрета с положительным зарядом, а на внутренней поверхности торцевых крышек установлены ограничители - демпферы, выполненные в виде пластин пенометалла, на которых размещена пленка моноэлектрета, знак заряда которой совпадает со знаком заряда пленки моноэлектрета, размещенной на ближайшей к ней магнитной шайбе, при этом обмотки установлены на пленке моноэлектрета, размещенной на демпферах-ограничителях и представляют собой плоскую многослойную разомкнутую спиральную обмотку. 3 ил.

Description

Область техники

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована при разработке конструкций лопастей ветроколес - ветряных турбин, приводящих в движение роторы ветрогенераторов.

Уровень техники

Известна лопасть ветроколеса (см. авторское свидетельство №1828000, МПК B64C 27/46, B64C 11/26, опубл. 10.10.1995 г.), содержащая стальной трубчатый лонжерон, на котором с помощью соединительных и крепежных деталей смонтированы носовые и хвостовые отсеки, включающие образующие аэродинамический контур лопасти обшивку с нервюрами. С целью снижения трудоемкости изготовления, уменьшения веса и увеличения ресурса, в нем лонжерон выполнен с прямолинейными образующими с занижением от контура лопасти на высоту соединительных деталей, выполненных в виде профилей с одной стороны, опертых через клеевое соединение на верхние и нижние полки лонжерона и охватывающих их в виде хомута с натягом через стяжные профили, закрепленные на стенках лонжерона крепежными деталями, размещенными на расстоянии не более половины высоты от нейтральной оси лонжерона до его наружного контура, а с другой стороны с помощью крепежных деталей с верхней и нижней обшивками и нервюрами отсеков, при этом обшивки отсеков расчленены по размаху с образованием секций, взаимодействующих между собой через соединительные детали, обеспечивающие их взаимное перемещение по размаху с возможностью передачи крутящего момента.

Недостатками данного устройства является сложность конструкции и трудоемкость изготовления лопасти ветроколеса, имеющей несимметричный профиль, а также низкий КПД ветрогенератора.

Известна лопасть ветроколеса (см. патент РФ №2076239, МПК F03D 1/06, опубл. 27.03.1997 г.), которая содержит перо с передней и острой задней кромками, верхнюю и нижнюю плоскости. Нижняя и верхняя плоскости сопрягаются с формой части цилиндрической поверхности радиуса r, определяемого по формуле: r = 2,744v2/ω, где r - радиус цилиндрической поверхности в м; 2,744 - коэффициент скорости в квадрате,V - скорость частиц воздуха, набегающих на лопасть в м/с, w - ускорение частиц воздуха в м/с².

Недостатками известной лопасти ветроколеса являются недостаточно высокое значение коэффициента подъемной силы, действующей на лопасть ветроколеса, имеющей симметричный профиль (Кондратьев В. Самый лучший профиль // Крылья Родины, №2, 1987 г., с. 20…25), а также низкий КПД ветрогенератора, оснащенного ветроколесом, имеющим такие лопасти, достигающий не более 20…35 %.

Известна разборная металлическая лопасть ветрогенератора (см. патент РФ №215647, МПК F03D 13/40, опубл. 21.12.2022 г.), состоящая из нескольких частей, каждая из которых содержит соединительные фланцы и нервюры, скрепленные лонжеронами, стрингерами и обшивкой. Все элементы лопасти выполнены из дюралюминия, а части лопасти выполнены с возможностью скрепления между собой посредством фланцев, расположенных перпендикулярно продольной оси лопасти и содержащих с одной стороны поверхность контакта с ответным фланцем, а с другой - конструктивные выступы.

Однако данная конструкция имеет низкие технические и эксплуатационные возможности.

Известен винт (см. патент РФ №2321939, МПК H02K 35/02, H02K 7/18, опубл. 10.04.2008 г.), содержащий закрепленную на валу втулку с лопастями и снабженный приспособлением для получения электрической энергии в виде герметичного полого корпуса, имеющего торцевые и боковые стенки, с заключенным в него неподвижным индуктивным кольцом и подвижным постоянным магнитным элементом, причем приспособление для получения электрической энергии может быть расположено на втулке со стороны, противоположной лопасти, между противоположными лопастями, между втулкой и лопастью или в лопасти.

Однако винт способен преобразовывать кинетическую энергию ветра или воды в электрическую энергию при условии превышения сил гравитации над центробежными силами, действующими на постоянный магнитный элемент и может быть применен для получения только небольших количеств электрической энергии.

Наиболее близкой к заявляемому является лопасть ветроколеса (см. патент РФ №147728, МПК F03D 1/06, опубл 20.11.2014 г.), имеющая симметричный профиль, на которой ее противолежащие поверхности покрыты слоями материалов, имеющих разные значения коэффициента теплопоглощения, причем поверхность, на которую воздействует подъемная сила, покрыта слоем материала, обладающим большим значением коэффициента теплопоглощения, чем значение коэффициента теплопоглощения слоя материала, покрывающего противолежащую ей поверхность лопасти, при этом поверхности лопасти отделены друг от друга термоэкраном, выполненным из механически прочного материала, обладающего теплоизоляционными свойствами.

К недостаткам известной конструкции следует отнести недостаточную эффективность преобразования угловой скорости вращения ветроколеса с указанными лопастями в электрический ток, и не рациональное выполнение конструкции лопасти, при котором не используется значительный внутренний объем внутри лопасти.

Раскрытие сущности полезной модели

Технической проблемой является разработка лопасти ветроколеса обеспечивающей повышение эффективности преобразования угловой скорости вращения ветроколеса с лопастями в электрический ток, а также рациональное выполнение конструкции лопасти, при котором используется внутренний объем внутри лопасти.

Технический результат заключается в увеличении КПД ветрогенератора.

Технический результат достигается тем, что лопасть ветроколеса, имеющая симметричный профиль, на которой ее противолежащие поверхности покрыты слоями материалов, имеющих разные значения коэффициента теплопоглощения, причем поверхность, на которую воздействует подъемная сила, покрыта слоем материала, обладающим большим значением коэффициента теплопоглощения, чем значение коэффициента теплопоглощения слоя материала, покрывающего противолежащую ей поверхность лопасти, при этом поверхности лопасти отделены друг от друга термоэкраном, выполненным из механически прочного материала, обладающего теплоизоляционными свойствами, согласно решению, внутри лопасти по ее продольной оси размещено устройство для дополнительного получения электрической энергии, содержащее постоянные магнитные шайбы, выполненные с возможностью возвратно-поступательного перемещения по направляющему вертикальному стержню, размещенному в центре полого цилиндрического корпуса, обмотки для подключения к внешнему накопителю энергии, при этом корпус снабжен торцевыми крышками, цилиндрический магнит выполнен из нечетного числа магнитных шайб, имеющих последовательно-противоположное аксиальное намагничивание, на поверхности северных полюсов шайб нанесена плёнка моноэлектрета с отрицательным зарядом, а на поверхности южных полюсов шайб нанесены плёнки моноэлектрета с положительным зарядом, а на внутренней поверхности торцевых крышек установлены ограничители - демпферы, выполненные в виде пластин пенометалла, на которых размещена пленка моноэлектрета, знак заряда которой совпадает со знаком заряда пленки моноэлектрета, размещенной на ближайшей к ней магнитной шайбе, при этом обмотки установлены на пленке моноэлектрета, размещенной на демпферах-ограничителях и представляют собой плоскую многослойную разомкнутую спиральную обмотку.

При этом авторы рассматривают ветрогенератор с горизонтальной осью вращения лопастей, а лопасти имеют симметричный профиль.

Краткое описание чертежей.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг. 1 - поперечное сечение устройства для дополнительного получения электрической энергии;

на фиг. 2 - сечение по линии А-А;

на фиг. 3 - поперечное сечение лопасти с размещенным внутри нее по ее продольной оси устройством для дополнительного получения электрической энергии.

Позициями на чертежах обозначено:

1 - шайба из магнитного материала с осевым намагничиванием (магнитная шайба),

2 - пленка моноэлектрета,

3 - направляющий стержень,

4 - полый цилиндрический корпус,

5 - торцевая крышка полого цилиндрического корпуса,

6 - электрическая обмотка в виде плоской многослойной разомкнутой спиральной обмотки, (плоская спиральная обмотка),

7 - ограничители - демпферы,

8 - лопасть ветроколеса симметричного профиля, поверхность которой покрыта слоем материала, обладающим большим значением коэффициента теплопоглощения,

9 - слой материала, которым покрыта поверхность лопасти ветроколеса симметричного профиля, обладающий меньшим значением коэффициента теплопоглощения (динамически пассивная поверхность лопасти),

10 - термоэкран.

Осуществление полезной модели

Отметим, что поверхность лопасти ветроколеса 8, на которую воздействует подъемная сила, покрыта слоем материала, обладающим большим значением коэффициента теплопоглощения, чем противолежащая ей динамически пассивная поверхность 9 лопасти; при этом поверхности 8 и 9 разделены термоэкраном 10.

Лопасть ветроколеса 8 имеет разнообразный профиль, например, симметричный, на котором его противолежащие поверхности покрыты слоями материалов, имеющих разные значения коэффициента теплопоглощения. Внутри лопасти в свободном пространстве по ее продольной оси размещено устройство для дополнительного получения электрической энергии.

Устройство для дополнительного получения электрической энергии содержит полый цилиндрический корпус 4 с направляющим стержнем 3 в центре с ограничителями - демпферами 7 в виде пластин пенометалла. По стержню при вращении лопасти перемещаются установленные постоянные магнитные шайбы, общая длина которых примерно 0,25…0,3 длины свободной внутренней полости. Причем в качестве постоянных магнитов используется нечетное число магнитных шайб 1, имеющих последовательно-противоположное аксиальное намагничивание. На поверхности северных полюсов шайб дополнительно нанесена плёнка моноэлектрета 2 с отрицательным зарядом, а на поверхности южных полюсов шайб нанесены плёнки моноэлектрета 2 с положительным зарядом. На внутренней поверхности торцевых крышек 5 полого цилиндрического корпуса 4 установлены пластины пенометалла, которые используются в качестве магнитопровода и на которых размещена пленка моноэлектрета 2, знак заряда, которой совпадает со знаком заряда пленки моноэлектрета 2, размещенной на ближайшей к ней магнитной шайбе 1. На наружной поверхности пленок моноэлектрета 2, размещенных на ограничителях - демпферах 7 на внутренней поверхности торцевых крышек полого цилиндрического корпуса 4, установлена плоская многослойная разомкнутая спиральная обмотка 6. При этом величина запасенной магнитной энергии у каждой пары магнитных шайб в направлении от торцов полого цилиндрического корпуса к его центру по сравнению с крайними магнитными шайбами уменьшается.

В качестве материала нечетного числа магнитных шайб 1, установленных на направляющем стержне 3 и имеющих последовательно - противоположное направление намагничивания в осевом (аксиальном) направлении, может быть использован, например, материал марки 52H на основе NdFeB [Magnetworld AG, Germany, сайт: www.magnet-world.de], имеющий максимальную величину магнитной энергии B*H=422 kJ/m³, где В - магнитная индукция, Н - коэрцитивная сила.

Каждая пара магнитных шайб служит для изменения магнитного потока в процессе возвратно-поступательных перемещений постоянного цилиндрического магнита составного типа. Для увеличения периода колебаний каждой последующей пары магнитных шайб 1 необходимо, чтобы величина запасенной магнитной энергии была наибольшей у пар магнитных шайб, расположенных у торцов полого цилиндрического корпуса 4. Исходя из инженерно-конструкторского опыта, величина запасенной магнитной энергии у каждой пары магнитных шайб в направлении от торцов полого цилиндрического корпуса к его центру, уменьшается по сравнению с крайними магнитными шайбами в среднем на 10…15%. При этом величина заряда пленки моноэлектрета, параметры плоской разомкнутой многослойной спиральной обмотки, геометрические размеры и общее число магнитных шайб в устройстве определяются требуемой величиной вырабатываемой электрической энергии и могут составлять, например, количество магнитных шайб 5…9 и более; а величина магнитной энергии у средней магнитной шайбы составит 55…70% от наибольшей величины запасенной магнитной энергии у крайних магнитных шайб.

Рассматривая постоянные магниты, как кольцевые нейтральные токи, можно сделать некоторые общие замечания. Электрический кольцевой ток поддерживается без внешней подпитки достаточно длительное время. Процесс протекания нейтрального тока не сопровождается тепловыделением или электромагнитными излучениями (просто поддерживается тепловой баланс с окружающей средой и телом постоянного магнита).

Несмотря на то что «магнитные» нейтральные кольцевые токи, будем считать, постоянны по величине, при взаимодействии магнитов между собой возникают ситуации, когда возможны как некоторые переходные процессы, так и взаимное влияние токов друг на друга. Другими словами, возникает явление электрической взаимной индукции.

Взаимная индукция двух контуров с током при наличии магнитной связи достаточно подробно описана в литературе [http://fn.bmstu.ru/images/FN4/labs/e/e12_3sem_lab_phys.pdf; Грабовский Р.И. Курс физики, Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество и магнетизм; Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multiferroic and magnetoelectric materials. «Nature», 2006, 442, 7104, 759-765, doi:10.1038/nature05023]. Известно, что энергия двух контуров с током, обладающих магнитной связью, отличается от суммы собственных энергий токов на величину взаимной энергии двух токов.

На наружной поверхности магнитных шайб 1 дополнительно нанесена пленка моноэлектрета 2, знак заряда которой совпадает с полюсом, то есть, пленка моноэлектрета с положительным зарядом нанесена на поверхности южных полюсов магнитных шайб, а пленка моноэлектрета с отрицательным зарядом нанесена на поверхности северных полюсов магнитных шайб.

Отметим, что электретом называется диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации (или заряжению) этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле.

Отметим, что принципиальным отличием новых электретов является то, что их получают не из готовых термопластичных полимеров, а из олигомерных термореактивных смол (эпоксидных, фенолформальдегидных или полиэфирных). Важной особенностью изготовления таких электретов является то, что поляризация происходит в процессе отверждения олигомерной смолы на подложке: металлической или полимерной [см. патент РФ №2298245 от 2005 г.].

Величина основной характеристики электретов - поверхностной плотности зарядов σ (10^-8…10^-4 Кл/м²) - определяется главным образом разностью потенциалов сторон электрета и зависит от химической природы наполнителя [Марценюк, В.В. Полимерные электреты на основе реактопластов / В.В. Марценюк // Тенденции развития науки и образования. - 2021. - № 78-2. - с. 56-59. - DOI 10.18411/trnio-10-2021-54.].

В качестве примера неорганических электретных материалов можно назвать тикондовую керамику (на основе MgTiО₃, SrTiО₃, СаTiO₃, ВаТiO₃и др.). Однако наиболее широкое применение в электретных устройствах находят полимерные пленки. Подходящими материалами служат такие полимеры, как политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилфторид, поливинилиденфторид и др. С течением времени заряд электретов изменяется обычно более быстро в первые часы после окончания электризации и относительно медленно - в последующий период. Постепенная деградация электретного состояния обусловлена освобождением заряженных частиц, захваченных ловушками, разрушением остаточной поляризации, а также нейтрализацией объемных зарядов за счет некоторой электропроводности диэлектрика.

Стабильность заряда у большинства электретов повышается при их нагревании в процессе электризации. Моноэлектретные пленки оказываются наиболее стабильными и в условиях повышенной влажности. Период времени, в течение которого поверхностная плотность заряда уменьшается в “е” раз, принимают за время жизни электрета. Расчетное время жизни для электретов из ПТФЭ составляет не менее 200 лет. Для других диэлектриков оно может составлять от нескольких месяцев до десятков лет и зависит не только от свойств материала, но и от условий хранения электрета. Время жизни электрета быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей среды. Температурное изменение подчиняется закону Аррениуса.

Релаксация электретного состояния может происходить и вследствие адсорбции ионов поверхностью диэлектрика из окружающей атмосферы. Однако, если атмосферный объем, в котором хранится электрет, достаточно мал, процессами внешней релаксации практически можно пренебречь. Например, полагая, что все ионы, образующиеся в нормальных условиях в 1 см³ воздуха, осаждаются на участке поверхности электрета площадью 1 см², то при начальной поверхностной плотности σ=10^-4 Кл/м² время, необходимое для полной компенсации электретного заряда, составит около 200 лет.

В качестве моноэлектрета, нанесенного на наружной поверхности магнитных шайб 1, могут быть использованы электретные пленки поли-бис-трифторэтоксифосфазена (ПТФЭФ) [Формирование поверхности в смесях полистирола с поли-бис-трифторэтоксифосфазеном / И.О. Волков, Д.Р. Тур, А.И. Перцин [и др.] // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. - 2002. - Т. 44. - № 5. - С. 882-885, Smirnova, N.N., Lebedev, B.V., Bykova, T.A. et al. Thermodynamic properties of poly[bis(trifluoroethoxy) phosphazene] in the range from T→0 TO 620 K // J. Therm. Anal. Calorim, 2009. - Vol. 95, pp. 229-234, URL: https://doi.org/10.1007/s10973-008-9038-7] круглой формы толщиной, например, 100…300 мкм.

На внутренней поверхности торцевых крышек 5 полого цилиндрического корпуса 4 установлены пластины пенометалла 7, на которых размещена пленка моноэлектрета 2, знак заряда которой совпадает со знаком заряда пленки моноэлектрета, размещенной на ближайшей к ней магнитной шайбе 1 и на наружной поверхности пленок моноэлектрета 2, размещенных на внутренней поверхности торцевых крышек 5 полого цилиндрического корпуса 4, установлена плоская разомкнутая многослойная спиральная обмотка 6.

В электромагнитном поле устройства, созданном магнитными шайбами 1 и пленками моноэлектрета 2, многослойная плоская разомкнутая обмотка 6, соответственно последовательно соединенная, является разомкнутым проводником, напряжение на концах которого равно ЭДС индукции. При этом - поскольку многослойная плоская разомкнутая последовательно соединенная обмотка размещена на внутренней поверхности торцевых крышек 5 полого цилиндрического корпуса 4 и выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, а форма обмотки представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность торцевых крышек 5, то для увеличения индуктивности она установлена на изолированные пластины плоской магнитной системы из аэрогеля (пенометалла) на основе железо-никелевого сплава, что повышает эффективность преобразования выработанной электрической энергии устройством.

При выполнении плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки 6 многослойной, которая представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую внутренние поверхности торцевых крышек 5 цилиндрического корпуса 4; она выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, например, меди, графена и т.д., толщиной 30…50 (мкм) на прочную изолирующую пленку, например, из полиэтилена высокого давления, толщиной 100..200 (мкм). При этом количество слоев обмоток может достигать нескольких десятков, например, 10...20 и т.д.

Для увеличения индуктивности плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки 6 она установлена на изолированные пластины 7 плоской магнитной системы из аэрогеля (пенометалла) на основе железо-никелевого сплава, обладающего высокой магнитной проницаемостью и одновременно малой плотностью и массой.

Изолированные пластины 7 выполняют функцию сердечника с высокой магнитной проницаемостью (величина относительной магнитной проницаемости железа (Fe) µ=5800; при этом в случае 99.95% чистого железа (Fe), отожженного в водороде (H₂), величина магнитной проницаемости достигает µ=200000), что в итоге многократно увеличивает индуктивность многослойной разомкнутой тонкопленочной обмотки, размещенной на внутренней поверхности торцевых крышек 5. Кроме того пластины 7 выполняют демпфирующую функцию.

Поясним, что структура, состоящая из никеля, железа, алюминия, цинка, бронзы, латуни, их сплавов и др. и содержащая большое количество наполненных газом пор - называется пенометалл (металлическая пена). Как правило, примерно 75…95 % ее объема составляют пустоты. Материал обладает уникально малым весом - некоторые виды пенометаллов настолько легки, обладают плотностью менее 1 (г/см³), что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.

Пенометаллы (https://www.equipnet.ru/articles/other/other_556.html) имеют также следующие термофизические и механические свойства: очень низкая масса (плотность 5…25% от плотности твердых макрочастиц, в зависимости от способа производства); большая поверхность обмена (250…10000 м²/м³); относительно высокая проницаемость; относительно высокая эффективная теплопроводность (5…30 Вт/(м·K); высокая устойчивость к резким перепадам температур, высоким давлениям, высоким температурам, влаге, износу и термоциклированию; хорошая амортизация механических воздействий и шумопоглощающие свойства и др., при этом как размер пор, так и пористость можно варьировать при их производстве. Например, металлическая пена на основе никеля - пеноникель, а также никеля-железа, разрабатываемая, в частности, российской компанией “Новомет-Пермь”, обладает экстремально высокой сообщающейся пористостью, достигающей 96% и другими экстраординарными свойствами. Пенометалл - металлическую пену с открытыми ячейками также называют металлической губкой.

Кроме того, применяемый технологический процесс Alporas Shinko Wire Co. Ltd. (Осака, Япония) позволяет получать блоки аэрогеля - пенометалла с пористостью 89...93%, при этом его плотность составляет 0,069…0,54 (г/cм³). Литые блоки имеют размеры 450x2050x650 (мм) и весят примерно 160 (кг). Далее полученные литые блоки разрезают на листы требуемой толщины и механически обрабатывают до придания им необходимых размеров.

Известно, что при движении разомкнутого проводника со скоростью V в магнитном поле с индукцией B возникает ЭДС, определяемая по соотношению:

E = B * V * l* sin a;

где: a - угол между векторами В и V; l - длина проводника.

При использовании устройства для дополнительного получения электрической энергии угол a - составляет величину порядка 90 угловых градусов.

Под действием сил отталкивания одноименных магнитных полюсов и возвратно-поступательного перемещения подвижные магнитные шайбы начинают совершать циклические колебания. При вращении лопасти магнитные шайбы под действием внешней силы начинают перемещение вниз и, отталкиваясь от моноэлектреда, расположенного на верхней торцевой крышке, с одноименным зарядом воздействуют на соседнюю магнитную шайбу, приводя её в движение в обратном направлении, не только под действием сил отталкивания, но и силы тяжести. Таким образом, данное устройство совершает комбинированное колебательное и возвратно-поступательное перемещение магнитных шайб относительно друг друга, то есть совершает прямое преобразование магнитной энергии в механическую. Эти механические колебания передаются моноэлектретам, расположенным на магнитных шайбах, и распространяются по внутренней части полого цилиндрического корпуса, создавая электромагнитное поле и достигая плоской разомкнутой оболочки, в которой и возникает переменное электрическое напряжение, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея.

Укажем, что длина лопастей ветроколеса зависит от мощности ветроэлектродвигателя (например, 0,1 kW…16 MW - ветрогенератор MySE 16.0-242 (https://www.stepandstep.ru/nauka/samyye-bolshiye-vetrogeneratory-v-mire) и в настоящее время у различных конструкций достигает величины 7…118 метров, а угловая скорость вращения лопастей составляет 5…25 об / мин.

Для примера приведем некоторые технические параметры трехлопастного ветрогенератора типа SWT-7.0-154, выпускаемого компанией Siemens AG, Germany. В его названии указаны генерируемая мощность (7 MW) и диаметр ротора с тремя лопастями -154 м. Лопасти ветрогенератора начинают вращаться при минимальной скорости ветра v=3…5 м/с, а генерируемая мощность поступательно растет до максимальной - 7 MW при скорости ветра v=13…15 м/с. При достижении скорости ветра v=25 м/с генерация принудительно прекращается. Указанный ветрогенератор делает 5…11 об / мин; то есть, полный оборот его три лопасти совершают примерно за 5…12 сек в зависимости от скорости ветра. Форма многослойной плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки 6, которая размещена на внутренней поверхности торцевых крышек 5, представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность торцевых крышек 5. Исходя из реальных геометрических размеров торцевых крышек 5 и величины напыленного слоя токопроводящего материала, например, меди, графена и т.д., шириной 1…2 (мм), длина l напыленного проводника многослойной обмотки может составлять несколько десятков метров, что при средней скорости движения магнитных шайб при вращении лопасти ветроколеса, достигающей 3…5 (м/сек), позволяет получить с выхода обмотки одной лопасти в среднем дополнительное напряжение переменного тока 12…24 V для его последующего преобразования в постоянное напряжение, запаса электрической энергии в аккумуляторе - накопителе и передаче в сеть; причем получаемое дополнительное напряжение по величине сопоставимо с генерируемым напряжением у устройства - прототипа, существенно повышающее ее эффективность, что решает поставленную задачу полезной модели.

Отметим, что лопасти ветроколеса должны иметь малую массу, высокую прочность и жесткость, а также высокую усталостную прочность и сопротивление к разрушениям, позволяющие выдерживать удары молнии, град, влажность и большие перепады температур.

В настоящее время лопасти ветроколес - ветряных турбин - изготавливаются из армированных волокном полимеров, представляющих собой композитные материалы, состоящие из полимерной матрицы и волокон. При этом используемые волокна в этих материалах обеспечивают прочность и продольную жесткость, в то время как матрица обеспечивает прочность на расслоение, вязкость материала и жесткость.

Кроме этого, при изготовлении лопастей широко используются армированные стекловолокном и углеродным волокном пластмассы - стеклопластики и углепластики, поскольку они обладают высокой вязкостью, сопротивлением усталостным напряжениям и термической стабильностью.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

Поток воздуха - ветер приводит во вращение колесо с лопастями (на фиг. не показано), которое посредством редуктора передает полученный крутящий момент на вал генератора ветротурбины. Вал с ротором ветрогенератора, вращаясь в его статоре, вырабатывает переменный электрический ток, преобразуемый затем в постоянный электрический ток.

Поскольку во внутреннем объеме лопасти по ее продольной оси размещено устройство для дополнительного получения электрической энергии, содержащее полый цилиндрический корпус с направляющим стержнем в центре с ограничителями - демпферами, по которому при вращении лопастей перемещаются постоянные магнитные шайбы, то это позволяет при вращении лопасти ветроколеса получить с выхода обмотки одной лопасти в среднем дополнительное напряжение переменного тока 12…24 V для его последующего преобразования в постоянное напряжение, запаса электрической энергии в аккумуляторе - накопителе и передаче в сеть. Причем получаемое дополнительное напряжение по величине сопоставимо с генерируемым напряжением у устройства - прототипа, существенно повышающее ее эффективность, что решает поставленную задачу полезной модели.

В качестве накопителя служит аккумуляторная батарея, входящая в конструкцию ветровой электрической станции, запасающая неиспользуемую на данное время электроэнергию, которая выдается потребителям в случае необходимости, например, при отсутствии ветра. Используя далее инвертор - блок преобразователя напряжения, постоянный ток накопителей преобразуется в переменный ток требуемой частоты и напряжения (например, 220 V, 50 Hz), поступающий потребителям.

Claims

Лопасть ветроколеса, имеющая симметричный профиль, на которой ее противолежащие поверхности покрыты слоями материалов, имеющих разные значения коэффициента теплопоглощения, причем поверхность, на которую воздействует подъемная сила, покрыта слоем материала, обладающим большим значением коэффициента теплопоглощения, чем значение коэффициента теплопоглощения слоя материала, покрывающего противолежащую ей поверхность лопасти, при этом поверхности лопасти отделены друг от друга термоэкраном, выполненным из механически прочного материала, обладающего теплоизоляционными свойствами, отличающаяся тем, что внутри лопасти по ее продольной оси размещено устройство для дополнительного получения электрической энергии, содержащее постоянные магнитные шайбы, выполненные с возможностью возвратно-поступательного перемещения по направляющему вертикальному стержню, размещенному в центре полого цилиндрического корпуса, обмотки для подключения к внешнему накопителю энергии, при этом корпус снабжен торцевыми крышками, цилиндрический магнит выполнен из нечетного числа магнитных шайб, имеющих последовательно-противоположное аксиальное намагничивание, на поверхности северных полюсов шайб нанесена плёнка моноэлектрета с отрицательным зарядом, а на поверхности южных полюсов шайб нанесены плёнки моноэлектрета с положительным зарядом, а на внутренней поверхности торцевых крышек установлены ограничители – демпферы, выполненные в виде пластин пенометалла, на которых размещена пленка моноэлектрета, знак заряда которой совпадает со знаком заряда пленки моноэлектрета, размещенной на ближайшей к ней магнитной шайбе, при этом обмотки установлены на пленке моноэлектрета, размещенной на демпферах-ограничителях и представляют собой плоскую многослойную разомкнутую спиральную обмотку.