ветровая турбина

Формула изобретения

1. Ветровая турбина, содержащая:

комплект изогнутых лопастей, закрепленных на центральной вращающейся ступице,

обод, окружающий концы лопастей и прикрепленный к ним, при этом обод выполнен с возможностью вращения вместе с упомянутой ступицей и упомянутыми лопастями, причем каждая из упомянутых лопастей имеет фиксированный наклон, так что угол наклона лопасти в наружном конце находится в пределах от 54 градусов до 75 градусов относительно (центральной) оси вращения ступицы, и угол наклона лопасти в ступичном конце определяется результатом отношения, полученным, если радиус ступицы разделить на радиус турбины и умножить на угол наклона на конце, при этом лопасть содержит сложную кривизну, которая вызывает отклонение лопасти от угла кажущегося ветра, наталкивающегося на лопасть при входе ветра в участок лопасти, при этом упомянутая турбина дополнительно содержит устройство, которое управляет скоростью вращения турбины, так что можно регулировать угол кажущегося ветра для лопастей относительно угла наклона лопастей с возможностью получения, по меньшей мере, 50% максимальной энергии, которая может быть отобрана при помощи турбины.

2. Ветровая турбина по п.1, в которой обод содержит окружную стенку вокруг центральной оси, причем упомянутая окружная стенка образует переднее отверстие, выполненное с возможностью быть обращенным к истинному ветру, и заднее отверстие; причем упомянутая стенка имеет наклон от упомянутого переднего отверстия к упомянутому заднему отверстию, так что заднее отверстие имеет больший диаметр, чем переднее отверстие.

3. Ветровая турбина по п.2, в которой упомянутая стенка имеет наклон от упомянутого переднего отверстия к упомянутому заднему отверстию относительно плоскости упомянутого переднего отверстия под углом, который находится в пределах от 100 градусов до 135 градусов.

4. Ветровая турбина по п.3, в которой упомянутая стенка имеет наклон от упомянутого переднего отверстия к упомянутому заднему отверстию относительно плоскости упомянутого переднего отверстия под углом, который находится в пределах от 107 градусов до 112 градусов.

5. Ветровая турбина по п.1, в которой каждая из упомянутых лопастей содержит переднюю кромку и заднюю кромку, образующие поверхность для приема ветра, при этом количество лопастей достаточно, чтобы полностью изменить направление прямого ветра, наталкивающегося на турбину.

6. Ветровая турбина по п.5, в которой передняя кромка каждой из лопастей перекрывает заднюю кромку соседней лопасти на величину, которая составляет от 5% до 60% площади ее поверхности.

7. Ветровая турбина по п.1, в которой каждая из упомянутых лопастей изогнута так, что наружный конец упомянутой лопасти загнут относительно центральной оси под углом, величина которого находится в пределах от 58 градусов до 64 градусов.

8. Ветровая турбина по п.7, в которой каждая из лопастей загнута так, что ступичный конец загнут относительно центральной оси под углом, величина которого находится в пределах от 28 градусов до 49 градусов.

9. Ветровая турбина по п.1, в которой в передней части поверхности турбины предусмотрен носовой конус, закрывающий ступицу и который имеет обтекаемую форму, чтобы перемещать массу воздуха, подходящего к турбине, так, чтобы направлять ее вокруг упомянутой ступицы и в упомянутые лопасти с возможностью захвата кинетической энергии в упомянутой массе воздуха.

10. Ветровая турбина по п.1, в которой турбина соединена с многополюсным генератором, содержащим полюса, соединенные последовательно и имеющие достаточный размер, чтобы обеспечить более высокое выходное напряжение относительно выхода двухполюсного генератора.

11. Ветровая турбина по п.10, в которой управление скоростью турбины осуществляется посредством контроллера, который измеряет выходную мощность генератора и изменяет ток возбуждения генератора для нагрузки ротора, чтобы регулировать скорость вращения турбины с возможностью получения, по меньшей мере, 50% максимальной мощности генератора при всех условиях ветра.

12. Ветровая турбина по п.11, в которой управление скоростью турбины осуществляется посредством контроллера, который измеряет выходную мощность генератора и изменяет ток возбуждения генератора для нагрузки ротора, чтобы регулировать скорость вращения турбины с возможностью получения, по меньшей мере, 80% максимальной мощности генератора при всех условиях ветра.

13. Ветровая турбина по п.12, в которой преобразователь соединен с выходом генератора с использованием устройства для обеспечения максимального электрического выхода генератора при всех нормальных условиях ветра для выдачи пользователю.

14. Ветровая турбина по п.1, в которой упомянутый комплект лопастей с фиксированным наклоном включает такое количество, что они перекрывают друг друга, если смотреть прямо на них от передней части турбины.

15. Ветровая турбина по п.1, в которой упомянутый комплект лопастей с фиксированным наклоном выполнен с одной кривизной на передней поверхности лопасти и другой кривизной на задней поверхности лопасти, чтобы оказывать воздействие на кажущийся ветер, который воспринимается движущимися лопастями упомянутой турбины.

16. Ветровая турбина по п.6, в которой передняя кромка каждой из лопастей перекрывает заднюю кромку соседней лопасти на величину, которая находится в пределах от 14% до 20% площади ее поверхности.

17. Ветровая турбина, содержащая:

комплект изогнутых лопастей, закрепленных на центральной вращающейся ступице, обод, окружающий концы лопастей и прикрепленный к ним, причем обод выполнен с возможностью вращения вместе с упомянутой ступицей и упомянутыми лопастями, причем каждая из упомянутых лопастей содержит переднюю кромку и заднюю кромку и угол наклона относительно оси вращения ступицы на передней кромке, каковой угол представляет собой угол между гипотенузой треугольника, первый катет которого определяется истинной скоростью ветра, а второй катет определяется скоростью лопасти, и катетом, определяемым истинной скоростью ветра, причем угол наклона передней кромки лопасти в наружном конце находится в пределах от 54 градусов до 75 градусов относительно (центральной) оси вращения ступицы, а угол наклона лопасти в ступичном конце находится в пределах от 28 градусов до 49 градусов относительно оси вращения ступицы, и

каждая из лопастей содержит сложную кривизну, которая вызывает отклонение лопасти от угла кажущегося ветра на входе ветра участка лопасти, так что поверхность лопасти вынуждена отодвигаться от кажущегося ветра, причем упомянутая турбина дополнительно содержит устройство, которое управляет скоростью вращения турбины так, что можно регулировать угол кажущегося ветра относительно передней кромки лопастей относительно угла наклона лопастей с возможностью получения, по меньшей мере, 50% максимальной энергии, которая может быть отобрана при использовании турбины.

18. Ветровая турбина по п.17, в которой обод содержит окружную стенку вокруг центральной оси, причем упомянутая окружная стенка образует переднее отверстие, выполненное с возможностью быть обращенным против ветра, и заднее отверстие; причем упомянутая стенка имеет наклон от упомянутого переднего отверстия к упомянутому заднему отверстию так, что заднее отверстие имеет больший диаметр, чем переднее отверстие.

Описание изобретения к патенту

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка имеет приоритет в соответствии с §119(с) раздела 35 Свода законов США предварительной заявки № 61/269,183 от 22 июня 2009 года, которая включена в данный документ посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение, в общем, относится к ветровым турбинам, более конкретно, к ветровой турбине, выполненной с возможностью отбора большей энергии из ветра посредством использования первого закона Ньютона для поступательного движения, и еще более конкретно, к ветровой турбине, содержащей вращающуюся ступицу с ободом, окружающим концы лопастей и соединенным с ними, каковые лопасти вызывают отклонение движущейся массы воздуха, в виде ветра, от ее траектории движения с возможностью создания силы, которая приводит в действие турбину плавно и эффективно с малой турбулентностью.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Человечество веками использовало различные типы вращающихся устройств для отбора энергии из ветра. Используемые типы механизмов включают многолопастные конструкции, которые вращаются вокруг центральной оси. Данное устройство может быть выполнено либо с вертикальной осью, либо с горизонтальной осью. Устройства с горизонтальной осью включают в себя ветряные мельницы и ветровые турбины. Устройства с вертикальной осью обычно используют методы, которые имеют большее сопротивление ветру на одной стороне оси и меньшее сопротивление на другой половине, так что разница в сопротивлении ветру позволяет устройству поворачиваться, и как следствие этого они имеют значительные потери энергии. Ветряные мельницы с горизонтальной осью обычно представляют собой механизмы с открытыми лопастями, такие как, например старинные голландские ветряные мельницы с четырьмя лопастями или современная ветряная мельница с тремя лопастями, которая широко распространена во всем мире. Голландская ветряная мельница по существу является устройством реактивного типа, которое основано на воздействии ветра на расположенные под углом лопасти, чтобы вызывать силу для вращения ротора. Они являются довольно неэффективными, однако если их делают достаточно большими, то они способны выполнять некоторую полезную работу.

Другой тип ветрового устройства представляет собой многолопастное устройство, используемое для обеспечения фермеров средством для перекачивания воды. Данное устройство может содержать 20, 30 или более лопастей и создает достаточный крутящий момент для вращения насоса. Данная конструкция также представляет собой ветряную мельницу реактивного типа, приводимую в движение, преимущественно, посредством воздействия ветра на расположенную под углом лопасть. Устройства данного типа очень неэффективные в широком диапазоне ветров, при этом они шумные и непрочные, и требуют отключения в периоды длительных сильных ветров.

Использование трехлопастных ветряных мельниц стало очень значительным во всем мире. Множество трехлопастных ветряных мельниц обычно размещают так, чтобы образовать «ветровую электростанцию». Большая ветровая электростанция может содержать от нескольких десятков до нескольких сотен отдельных трехлопастных ветряных мельниц и может занимать площадь в сотни квадратных миль. Ветряные мельницы, используемые для ветровых электростанций, имеют огромные размеры, при этом диаметр размаха лопасти находится в пределах примерно 300 футов. Они часто достигают высот в пределах от 300 футов до 400 футов и требуют значительных площадей земли. Они используют силу согласно теореме Бернулли, которая используется для создания подъемной силы на крыле самолета. Однако лопасти трехлопастных турбин занимают всего лишь 5% площади размаха лопасти. Следовательно, 95% кинетической энергии в массе ветра проходит между лопастями и теряется. Увеличение количества лопастей не решает проблему, поскольку добавление всего лишь одной лопасти вызывает уменьшение кпд. Это объясняется очень сильной турбулентностью, окружающей каждую лопасть, соответственно вызывающей интерференцию с другими лопастями.

Трехлопастные ветряные мельницы преобразуют менее 1,4% кинетической энергии ветра в полезную электроэнергию. Тем не менее трехлопастная ветряная мельница считается самым экономически оправданным, доступным в настоящее время средством генерирования значительной электроэнергии из ветра. Поскольку трехлопастные ветряные мельницы чрезвычайно дороги и при этом очень неэффективны, для них математически невозможно получить оправданное возмещение инвестиций или конкурентоспособную стоимость киловатт-часа электроэнергии без правительственных субсидий, грантов и налоговых льгот. Кроме того, их гигантские размеры закрывают линию видимого горизонта, так что они причиняют беспокойство и могут раздражать тенями от машущих крыльев, помехами телевизионной связи и в некоторых случаях фоновыми шумами. Их очень сложная конструкция содержит тысячи деталей и обычно лопасти с регулируемым наклоном, приводимые в движение дорогими сервомеханизмами.

В патенте США № 4021135 (Pedersen) и патенте США № 4140433 (Eckel) раскрыто устройство, пытающееся усилить эффект Бернулли, который используется в трехлопастных ветряных мельницах, посредством использования неподвижных ободов вокруг наружной части лопастей, чтобы направлять больше воздуха по лопастям. Данный подход вынуждает часть массы воздуха отклоняться вокруг ветряной мельницы, поскольку он воспринимает обод как препятствие, тем самым вызывая общие потери доступной кинетической энергии. Данные устройства содержат вращающиеся лопасти, которые расположены в непосредственной близости от невращающегося обода, и в результате будут подвержены значительному аэродинамическому сопротивлению и турбулентности и соответственно потере в кпд.

Альтернативные конструкции, которые пытаются обеспечить более высокий кпд, раскрыты в патенте США № 4611125 (Stone младший), который описывает концепцию, которая улучшает воздушный поток, но все-таки позволяет значительной части кинетической энергии ветра обходить конструкцию неиспользованной. В патенте США № 7396207 (DeLong) стоит упомянуть использование парусов для увеличения количества отбираемой энергии ветра, если не учитывать практических проблем, связанных со сложностями непрерывного регулирования парусов, удерживания под контролем ураганов и борьбы со льдом и снегом. В патенте США № 4150301 (Bergey) была поставлена задача обеспечить регулирование скорости вращения при значительных расходах для эффективности. Нет никаких данных, свидетельствующих о том, что какой-либо из данных методов повышает кпд, упрощает или снижает стоимость.

В патенте США № 7214029 (Richter) раскрыто устройство, которое инициирует ускорение массы воздуха и предполагает, что кинетическая энергия увеличивается посредством отклонения массы воздуха вокруг передней структуры, чтобы вызвать его концентрацию и ускорение, когда он входит в раструб и затем на множество кратных лопастей. Это, конечно, не увеличивает кинетическую энергию в массе воздуха в соответствии с законами сохранения энергии. Кроме того, данная система основана на силе реакции массы воздуха ветра, воздействующей на расположенные под углом лопасти. Это неэффективный метод отбора энергии из ветра. Кроме того, ветер будет рассматривать любую конструкцию, расположенную в условиях открытого воздуха, как препятствие и будет отклонять значительную долю массы воздуха вокруг препятствия. Это существенно отличается от таких конструкций, размещенных в длинной трубе с принудительным проталкиванием воздуха через нее.

В заявке на патент США № 2008/0232957 (Presz) раскрыт неподвижный обод, который окружает комплект лопастей статора, которые направляют воздушный поток вокруг трехлопастного рабочего колеса со смесительным воздухом, диффундирующим в задний участок рабочих колес. Предполагается, что это увеличит выход энергии системы рабочих колес в 2-3 раза. Однако, несмотря на ничем не подкрепленное заявление, нет никаких оснований рассчитывать на получение любого такого результата. Предполагается также, что данная конструкция позволяет увеличить скорость воздушного потока посредством использования системы диффузоров, расположенной после рабочего колеса. Однако такое предполагаемое увеличение скорости становится проблемой для трехлопастных рабочих колес, работающих посредством использования теоремы Бернулли, поскольку они не способны выдерживать более высокие скорости воздуха без саморазрушения. Они также ограничены требованием, что скорость конца лопасти должна быть в семь раз больше скорости ветра, чтобы обеспечить приемлемый кпд. Кроме того, для максимизации эффективности при переменных ветрах необходимо регулирование наклона лопастей и статора. Все это приводит к чрезвычайно сложному и дорогому устройству, реальное усовершенствование которого не продемонстрировано. Показанный огромный обод добавляет серьезные требования к весу и конструкции данной ветровой турбины, при этом устройство должно обладать очень высокой прочностью, чтобы выдерживать даже обычные ветра. Вращение лопастей рабочего колеса в неподвижном ободе будет создавать значительное аэродинамическое сопротивление и турбулентность между концами лопастей и ободом вследствие того, что масса воздуха отбрасывается наружу под действием центробежных и других сил, вызываемых вращением рабочего колеса и отбором энергии. Есть реальные сомнения, смогут ли усовершенствования, обеспеченные данным устройством, возместить увеличенные расходы и воздействие на окружающую среду такой конструкции.

В патенте США № 4140433 (Eckel) раскрыта система, которая использует сложную многоступенчатую турбину, чтобы вынудить каждую ступень увеличивать мощность ветра. Однако ветер воспринимает такую турбину в целом как препятствие, через которое нужно пройти. Следовательно, часть воздушного потока, и энергии, приближаясь к ротору, будет отклоняться вокруг турбины. Данная теория работает для мощных турбин, через которые проталкиваются горячие газы, как в самолетных реактивных двигателях. Данный подход является очень сложным и очень дорогим без увеличения реального кпд, поскольку множество лопастей также вызывает аэродинамическое сопротивление и турбулентность. Необходимо также отметить, что увеличенная стоимость и сложность вряд ли оправдывает множество ступеней, поскольку каждая последующая ступень должна отбирать энергию из воздуха, из которого энергия уже отобрана.

Ветряные мельницы с вертикальной осью основаны на обеспечении большей силы на одной стороне оси, чем на другой. Примеры ветряных мельниц с вертикальной осью показаны в патенте США № 5525037 (Cummings) и патенте США № 4619585 (Storm). Данные ветряные мельницы заведомо неэффективны, поскольку на стороне, повернутой против ветра, всегда существует аэродинамическое сопротивление, которое вычитает из стороны, генерирующей мощность. Другой подход показан в патенте США № 7362004 (Becker), использующем сложное устройство для управления скоростью вращения за счет аэродинамического сопротивления, турбулентности, неэффективного воздушного потока и множества препятствий, которые все снижают кпд. В патенте США № 7116006 (McCoin) описана оригинальная конструкция для обращения горизонтального воздушного потока на вертикально установленные, противоположные вращающиеся лопасти, которые уравновешивают крутящий момент на башне и максимизируют скорость ротора. Это осуществляется при значительной стоимости для эффективности частично за счет используемой системы реактивных лопастей. Устройства данного типа обычно создают значительную турбулентность, аэродинамическое сопротивление и интерференцию с потоком воздуха. Множество усилий для усовершенствования посредством регулирования дифференциальных сил на каждой стороне оси могут быть лишь малоэффективны, поскольку существует множество других факторов, которые могут снижать кпд. Многие патенты, включающие ветряные мельницы и ветровые турбины, показывают попытки усовершенствования способов более эффективного использования теоремы Бернулли или способов более эффективного использования реакции или методов воздействия, когда масса воздуха сталкивается с поверхностью. Достигнуты лишь незначительные успехи, поскольку основные теоремы очень ограничены в плане достижимых теоретических максимальных кпд. Кроме того, множество усилий для получения большего кпд и решения сложных проблем, которые представлены во множестве патентов, включают удивительно сложные механизмы, которые могут быть ненадежными в неблагоприятной окружающей среде ветряных мельниц. Это вызывает серьезные проблемы долговременной стоимости и технического обслуживания. Расчет кпд ветряной мельницы или ветровой турбины может быть продемонстрирован исходя из теоретического максимального выхода «100», и затем применяя известные потери следующим образом:

Трехлопастные ветряные мельницы, использующие теорему Бернулли:

100 × 5% × 95% × 45% × 65,5% = 1,4%

5% - площадь лопастей в контакте с ветром,

95% - ветер, используемый и не обведенный вокруг лопастей,

45% - преобразование кинетической энергии в полезную мощность ротора,

65,5% - остаток после редуктора (10% потери и потери генератора/преобразователя).

Таким образом, существует назревшая потребность в надлежащим образом сконструированной ветровой турбине, которая способна обеспечить преобразование до 35% кинетической энергии ветра в полезную электроэнергию, кпд которой в 25 раз превышает кпд обычной трехлопастной ветряной мельницы, составляющий всего лишь 1,4%.

Существует дополнительная назревшая потребность в ветровой турбине, которая способна начать генерировать мощность при меньших скоростях ветра и продолжать генерировать мощность даже во время ураганов при высокой скорости ветра. В настоящее время при малых скоростях ветра и во время ураганов оцениваемые потери мощности ветра трехлопастной ветряной мельницы могут достигать 50%.

Существует дополнительная назревшая потребность в ветровой турбине, которая вынуждает движущуюся массу воздуха, в виде ветра, отклоняться от ее траектории движения, чтобы создавать силу, которая приводит в действие турбину плавно и эффективно с малой турбулентностью.

Существует дополнительная назревшая потребность в ветровой турбине, которая при одинаковой же годовой производительности в мегаватт-часах имеет значительно меньшие размеры по сравнению с трехлопастной ветряной мельницей.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение представляет собой ветровую турбину, содержащую комплект изогнутых лопастей, закрепленных на центральной вращающейся ступице. Обод окружает и прикреплен к концам лопастей. Обод выполнен с возможностью вращения вместе со ступицей и лопастями. Лопасти имеют фиксированный наклон, так что угол наклона каждой из лопастей в наружном конце находится в пределах от 50 градусов до 75 градусов относительно (центральной) оси вращения ступицы. Угол наклона каждой из лопастей в ступичном конце определяется в соответствии с результатом отношения, полученным, если радиус ступицы разделить на радиус турбины и умножить на угол наклона на конце. Лопасть содержит сложную кривизну, которая вызывает отклонение лопасти от угла кажущегося ветра (угла ветра, воспринимаемого движущейся лопастью), наталкивающегося на лопасть в месте входа ветра лопасти. Турбина также содержит устройство, которое управляет скоростью вращения турбины так, что можно регулировать угол кажущегося ветра для лопастей относительно угла наклона лопастей с возможностью получения, по меньшей мере, 50% максимальной энергии, которая может быть отобрана при использовании турбины, в которой угол кажущегося ветра соответствует углу наклона лопастей.

В некоторых вариантах осуществления обод включает в себя окружную стенку вокруг центральной оси, причем окружная стенка включает в себя переднее отверстие, выполненное с возможностью быть обращенным к истинному ветру, и заднее отверстие. Стенка имеет наклон от переднего отверстия к заднему отверстию такой, что заднее отверстие имеет больший диаметр, чем переднее отверстие. Стенка имеет угол наклона от переднего отверстия к заднему отверстию относительно плоскости переднего отверстия, который находится в пределах от 100 градусов до 135 градусов и, предпочтительно, от 107 градусов до 112 градусов.

В некоторых вариантах осуществления каждая из лопастей включает в себя переднюю кромку и заднюю кромку, содержащую поверхность для приема ветра, при этом количество лопастей достаточно, чтобы полностью изменить направление прямого ветра, наталкивающегося на турбину. Например, передняя кромка каждой из лопастей может перекрывать заднюю кромку соседней лопасти на величину, составляющую от 14% до 20% площади ее поверхности, а в некоторых случаях перекрытие может составлять до 60%.

В некоторых вариантах осуществления каждая из лопастей изогнута так, что наружный конец лопасти изогнут относительно центральной оси под углом, величина которого находится в пределах от 54 градусов до 64 градусов. В некоторых вариантах осуществления каждая из лопастей изогнута так, что ступичный конец лопасти изогнут относительно центральной оси под углом, величина которого находится в пределах от 28 градусов до 49 градусов.

В некоторых вариантах осуществления турбина включает в себя носовой конус перед передней поверхностью турбины, закрывающий ступицу, который имеет обтекаемую форму, чтобы перемещать массу воздуха, подходящего к турбине, так, чтобы направлять ее вокруг ступицы и в лопасти с возможностью захвата кинетической энергии в массе воздуха.

В некоторых вариантах осуществления турбина соединена с многополюсным генератором, содержащим полюса, соединенные последовательно и имеющие достаточный размер, чтобы обеспечить более высокое выходное напряжение по сравнению с выходом двухполюсного генератора. В некоторых вариантах осуществления к выходу генератора подсоединен преобразователь со средством для обеспечения максимального электрического выхода генератора при всех нормальных условиях ветра для выдачи пользователю.

В некоторых вариантах осуществления управление скоростью турбины осуществляется посредством контроллера, который измеряет выходную мощность генератора и изменяет ток возбуждения генератора для нагрузки его ротора, чтобы регулировать скорость вращения турбины с возможностью получения, по меньшей мере, 50% и, предпочтительно, по меньшей мере, 80% максимальной выходной мощности генератора при всех условиях ветра.

В некоторых вариантах осуществления комплект лопастей с фиксированным наклоном выполнен с одной кривизной на первой стороне и другой кривизной на противоположной стороне, чтобы воздействовать на кажущийся ветер, который воспринимается движущимися лопастями турбины.

Целью настоящего изобретения является создание ветровой турбины, которая имеет диаметр в 2-7 раз меньше диаметра трехлопастной ветряной мельницы, имеющей такую же годовую производительность в мегаватт-часах.

Дополнительной целью настоящего изобретения является создание ветровой турбины, в которой 95% ветра используется и не обводится вокруг турбины и, по меньшей мере, от 35% до 50% или более кинетической энергии преобразуется в полезную мощность ротора. После электромеханических потерь, по меньшей мере, 70% полезной мощности ротора может быть преобразовано в полезную работу, например, в виде полезной электроэнергии. Таким образом, ветровая турбина настоящего изобретения, использующая первый закон Ньютона для поступательного движения, может преобразовывать до 35% или более кинетической энергии ветра в полезную электроэнергию:

100 × 95% × 51% × 72,5% = 35,1%

95% - ветер, используемый, а не обводимый вокруг турбины,

51% - преобразование кинетической энергии в полезную мощность ротора,

72,5% - остаток после электромеханических потерь генератора/преобразователя. Без редуктора.

Эти и другие цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из приведенного ниже описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения и из прилагаемых чертежей и формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность и принцип работы настоящего изобретения будут описаны ниже более подробно в виде приведенного ниже подробного описания предпочтительного варианта осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет собой вид спереди предпочтительного варианта осуществления турбины настоящего изобретения;

Фиг.2 представляет собой вид сверху предпочтительного варианта турбины, показанной на фиг.1;

Фиг.3 представляет собой вид сверху лопасти турбины, используемой в турбине в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, в разрезе, выполненном по линии 3-3 в соответствии с фиг.5;

Фиг.4 представляет собой вид сбоку лопасти турбины, используемой в турбине в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, в разрезе, выполненном по линии 4-4 в соответствии с фиг.5;

Фиг.5 представляет собой вид спереди турбины в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.6 представляет собой вид воздушного потока относительно лопасти турбины;

Фиг.7 представляет собой вид спереди, изображающий ступицу в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.8 представляет собой вид сбоку, изображающий ступицу в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.9 представляет собой вид спереди, изображающий конструктивный обод, расходящийся раструбом, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.10 представляет собой вид сверху, изображающий конструктивный обод, расходящийся раструбом, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.11a-11d представляют собой виды сверху, изображающие поток ветра без смещения ветра лопастью;

Фиг.12a-2d представляют собой виды сверху, изображающие поток ветра со смещением ветра лопастью;

Фиг.13 представляет собой вид сбоку в разрезе основного корпуса в сборе настоящего изобретения;

Фиг.14 представляет собой вид сбоку в разрезе узла основной мачты и колпака в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.15 представляет собой вид сбоку предпочтительного варианта осуществления передней перегородки и блокировочной системы настоящего изобретения;

Фиг.16 представляет собой вид спереди предпочтительного варианта осуществления передней перегородки и коренного подшипника настоящего изобретения;

Фиг.17 представляет собой вид сбоку предпочтительного варианта осуществления задней перегородки и коренного подшипника настоящего изобретения;

Фиг.18 представляет собой вид спереди предпочтительного варианта осуществления задней перегородки и коренного подшипника настоящего изобретения;

Фиг.19 изображает векторы истинного ветра, скорости лопасти и кажущегося ветра;

Фиг.20 представляет собой вид сбоку узла флюгера и задней конической крышки в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения; и

Фиг.21 изображает альтернативные формы лопастей в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, показывающие устройство, управляющее торможением.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Если не определено иначе, все технические и научные термины, используемые в данном документе, имеют то же значение, которое обычно понятно для специалиста в данной области техники, к которой относится данное изобретение. Необходимо понимать, что термин «истинный ветер» определяется как истинная скорость в направлении ветра, когда он достигает турбины. Направление истинного ветра обычно проходит вдоль оси, соответствующей оси вращения горизонтальной ветряной мельницы или турбины. Термин «кажущийся ветер», используемый в данном документе, означает скорость и относительное направление, с которого, по-видимому, дует ветер по отношению к движущейся лопасти. «Угол кажущегося ветра» представляет собой угол между направлением кажущегося ветра относительно истинного ветра. Необходимо понимать, что термин «ветровая турбина» определяется как устройство, содержащее внутренний ротор с расположенными под углом лопастями, окруженный окружной стенкой, которое генерирует механическую энергию вращения из энергии потока текучей среды. «Передняя поверхность лопасти» представляет собой поверхность лопасти, принимающую истинный ветер. «Задняя поверхность лопасти» представляет собой поверхность лопасти, защищенную от истинного ветра. «Центральная ось» также эквивалентна оси вращения и может быть использована равнозначно.

Прежде всего, необходимо понимать, что одинаковые ссылочные позиции на разных чертежах обозначают одинаковые или функционально подобные структурные элементы изобретения. Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на варианты осуществления, рассматриваемые на данный момент как предпочтительные, необходимо понимать, что заявленное изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления.

Кроме того, необходимо понимать, что данное изобретение не ограничено конкретной описанной методологией, материалами и модификациями и в этом качестве, конечно, может изменяться. Необходимо также понимать, что терминология, используемая в данном документе, предназначена только для описания конкретных вариантов осуществления и не должна ограничивать объем настоящего изобретения, который определяется только прилагаемой формулой изобретения.

На фиг.1 и 2 показан предпочтительный вариант осуществления турбины 1 в сборе, содержащей множество лопастей 1А с фиксированным наклоном, установленных на ступице 1В с осью 1С и закрепленных в пределах обода 1D в виде одноступенчатой турбины и в виде единой вращающейся детали. Необходимо понимать, что ступица 1В может представлять собой ось или может образовать часть оси. Ось 1С вынесена вперед и заключена в носовой конус 1Е, который также вращается вместе с турбиной. Более конкретно, турбина содержит восемь лопастей с фиксированным наклоном. Каждая лопасть 1А включает в себя наружный конец 20 и ступичный конец 21. Каждый наружный конец 20 расположен с одинаковым интервалом под углом ( ), равным примерно 45°, относительно центральной оси а-а'. Лопасть 1А также содержит переднюю кромку 22 и заднюю кромку 23, образующие переднюю поверхность 28 для приема ветра, при этом количество лопастей достаточно, чтобы полностью изменить направление прямого ветра, наталкивающегося на турбину. Передняя кромка 22 каждой лопасти 1А перекрывает заднюю кромку 23 соседней лопасти, образуя перекрытую поверхность 29. Предпочтительно, передняя кромка 22 каждой лопасти 1А перекрывает заднюю кромку 23 соседней лопасти на величину, которая составляет от 5% до 60% и, более предпочтительно, от 14% до 20% площади ее поверхности. Каждая лопасть 1А имеет фиксированный наклон, такой как угол ( ) наклона лопасти в наружном конце, который находится в пределах от 54 градусов до 75 градусов относительно (центральной) оси а-а' вращения.

В предпочтительном варианте осуществления, обод 1D окружает наружные концы 20 лопастей и прикреплен к ним. Обод 1D выполнен с возможностью вращения вместе со ступицей 1В и лопастями 1А вокруг центральной оси а-а'. Обод 1D включает в себя окружную стенку 25, образующую переднее отверстие 26 и заднее отверстие 27. Переднее отверстие 26 выполнено с возможностью быть обращенным к истинному ветру 31. Окружная стенка 25 расположена вокруг центральной оси а-а'. Необходимо понимать, что истинный ветер 31 показан в направлении вдоль центральной оси а-а' только для иллюстрации. Стенка 25 имеет наклон от переднего отверстия 26 к заднему отверстию 27, так что заднее отверстие имеет больший диаметр, чем переднее отверстие. Предпочтительно, стенка 25 наклонена от переднего отверстия 26 к заднему отверстию 27 относительно плоскости переднего отверстия под углом ( ), который находится в пределах от 100 градусов до 135 градусов, предпочтительно, от 107 градусов до 112 градусов. На фиг.1 и 2 также показаны виды сверху и спереди турбины 1 в сборе. Необходимо понимать, что, предпочтительно, турбина сама по себе может представлять собой одну сплошную отливку. Однако отдельные части турбины могут быть изготовлены отдельно и соединены, чтобы стать одним целым при окончательной сборке в полевых условиях. Элементы могут быть изготовлены из любого, по существу жесткого материала, например, такого как металл или армированная пластмасса. Предпочтительно, все элементы должны быть одного цвета. Носовой конус 1Е выполнен с возможностью отклонения массы воздуха по диаметру ступицы в лопасти 1А, так что малая часть кинетической энергии теряется. Форма и кривизна носового конуса определены для максимальной эффективности. Ось поддерживает носовой конус, который содержит отлитое отверстие для размещения оси. Задний конец носового конуса 1Е прикреплен болтами и уплотнен к ступице 1В. Выходной сигнал системы 1F слежения за направлением ветра передается через ось, чтобы ориентировать турбину против ветра посредством использования электродвигателя с редуктором, показанного на фиг.14. В предпочтительном варианте осуществления носовой конус отлит сверху в форме с использованием армированной пластмассы.

На фиг.3-5 показано множество лопастей 1А турбины. Предпочтительно, каждая из лопастей выполнена так, чтобы содержать определенную сложную кривизну. Первая кривизна определяет величину смещения массы воздуха, когда он проходит через турбину, и при использовании конструкции с восемью лопастями составляет примерно 11-12 градусов, но может немного изменяться в зависимости от количества и формы лопастей, размера турбины и определенной скорости ее вращения. Дополнительная кривизна представляет собой загиб от конца лопасти к основанию лопасти, чтобы обеспечить изменение в обхвате лопасти и ее относительной скорости перемещения. Предпочтительно, наружный конец 20 лопасти 1А изогнут относительно (центральной) оси а-а' вращения под углом ( ) наклона, величина которого находится в пределах от 54 градусов до 75 градусов. Еще более предпочтительно, от 58 градусов до 64 градусов. Более конкретно, угол наклона лопасти в наружном конце может достигать 60 градусов. Лопасти изогнуты так, что ступичный конец 21 лопасти 1А изогнут относительно (центральной) оси а-а' вращения под углом ( ), величина которого находится в пределах от 28 градусов до 49 градусов. Более конкретно, угол наклона лопасти в ступичном конце может быть равен 34 градусов. Еще более конкретно, наклон каждой из лопастей в ступичном конце 21 определяется результатом отношения, полученным, если радиус R1 ступицы разделить на радиус R2 турбины и умножить на угол наклона на конце. Угол наклона может изменяться в некоторой степени в соответствии с относительным диаметром ступицы, требуемой скоростью вращения турбины и установленной кривой мощности для конкретной турбины. Необходимо понимать, что множество модификаций конфигурации лопасти может быть выполнено без отхода от объема прилагаемой формулы изобретения. Например, увеличение или уменьшение количества лопастей и увеличение или уменьшение перекрытия лопастей как раз находится в пределах концепции настоящего изобретения. Предполагается также, что может быть определена несколько другая кривизна лопастей, которая дополнительно повысит кпд.

Фиг.6 представляет собой вид сверху лопасти 1А турбины, когда воздушный поток кажущегося ветра 30 перемещается вдоль лопасти, когда лопасть вращается. Лопасть 1А турбины включает в себя сложную кривизну 24.

Фиг.7 представляет собой вид спереди, изображающий ступицу настоящего изобретения, а фиг.8 представляет собой вид сбоку, изображающий ступицу настоящего изобретения. Ступица 1В турбины прикреплена к оси 1С, при этом лопасти закреплены на внешней периферии ступицы 1В, что обеспечивает структурную целостность. Предпочтительно, основание лопастей закреплено с внутренней стороны ступицы. Предпочтительно, ступица турбины представляет собой по существу алюминиевую трубку с торцевыми крышками в передней и задней части для поддержки оси 1С. Задняя часть ступицы поддерживает дисковую тормозную поверхность 1G, которая используется для блокирования турбины. Ось 1С представляет собой алюминиевую трубку, которая продолжается из передней внутренней части носового конуса 1Е к заднему концу якоря 5В генератора. Толщина, диаметр и твердость стенки определяются в соответствии с надлежащей инженерной практикой для нагрузок и напряжений, ожидаемых при ветрах ураганной силы для конкретного размера турбины.

На фиг.9 и 10 показан конструктивный обод 1D, расходящийся раструбом, содержащий стенку 25, имеющую наклон от переднего отверстия 26 к заднему отверстию 27, так что заднее отверстие имеет больший диаметр, чем переднее отверстие. Обод 1D опирается на множество лопастей, которые прикреплены к ободу, образуя единую конструкцию. Предпочтительно, лопасти прикреплены к ободу посредством пропускания болта через обод и до лопасти. Обод 1D обеспечивает высокую прочность и жесткость турбины в сборе, поскольку оба конца лопастей полностью закреплены. Обод 1D расширяется раструбом наружу от переднего отверстия к заднему отверстию. Угол раструба математически определяется так, чтобы расширять объем турбины от передней части к задней части на величину, пропорциональную процентной доли энергии, отбираемой из ветра. Например, при отборе 50% энергии, объем пространства внутри турбины должен быть увеличен примерно на 30%, чтобы предотвратить замедление массы воздуха. Предполагается, что конструктивный обод, расходящийся раструбом изготовлен с использованием армированной пластмассы в соответствии с лопастями.

Для иллюстрации на фиг.11 и 12 показаны последовательные «моментальные» траектории истинного ветра 31, когда он наталкивается на поверхность лопасти 1А турбины. Фиг.11а-11d представляют собой виды сверху, изображающие поток ветра без смещения ветра посредством лопасти. На данных чертежах показано, как масса 32 ветра проходит прямо через турбину, не касаясь лопасти 1А, если отсутствует кривизна лопасти и лопасть 1А перемещается в соответствии с кажущимся ветром 30. Лопасти фактически точно в нужный момент смещаются в сторону. Фиг.12а-12d представляют собой виды сверху, изображающие поток ветра при смещении ветра посредством лопасти. Истинный ветер 31 смещается с траектории своего движения посредством изогнутой лопасти при тех же условиях, как на фиг.11.

Фиг.13 представляет собой вид сбоку в разрезе узла основного корпуса настоящего изобретения. Задняя часть оси 1С размещается внутри корпуса 2, который содержит две перегородки 3А и 3В в передней части и частично в задней части, при этом каждая содержит коренные осевые подшипники 4А и 4В. Задний конец оси 1С прикреплен к якорю 5В генератора, который вращается внутри статора 5А генератора. Генератор установлен в задней части корпуса 2 на задней перегородке 3В. Перегородки 3А и 3В каждая содержит передний коренной подшипник 4А и задний коренной подшипник 4В, закрепленные концентрично в центральной части перегородки для оси 1С. Это уплотненные роликовые подшипники с постоянной смазкой и уплотнением в течение всего срока службы, выполненные с возможностью продления срока эксплуатации турбины, по меньшей мере, до 40 лет за счет низких скоростей и малых нагрузок. Данные перегородки структурно закреплены в пределах основного корпуса 2. Передняя перегородка 3А обеспечивает систему 7 блокирования, использующую гидроцилиндры и дисковую тормозную поверхность 1G. Задняя перегородка 3В содержит статор 5А генератора, установленный прямо на перегородке концентрично с осью и якорем генератора. Предпочтительно, перегородка может быть выполнена из различных немагнитных материалов. Предпочтительно, перегородка выполнена из алюминия. Генератор содержит якорь 5В, установленный концентрично внутри статора 5А. Диаметр статора выполнен так, чтобы его можно было разместить в пространстве, имеющемся на задней перегородке 3В. Задача состоит в том, чтобы обеспечить по возможности высокую окружную скорость, чтобы быстрее пересекать линии магнитного поля для более высоких напряжений. Генератор также содержит множество полюсов, которые соединены последовательно, чтобы увеличивать напряжение при низких скоростях ветра. В пространстве управления позади генератора показан контроллер/преобразователь 8 мощности. Пространство предусмотрено для полупроводникового контроллера/преобразователя 8, который регулирует выход ротора турбины в соответствии с электрической нагрузкой. Задний конец трубчатого корпуса закрыт конусообразной крышкой 6, которая обеспечивает доступ к пространству управления посредством перемещения на ползуне/опорах 12А. Управление скоростью турбины осуществляется посредством контроллера 8, который измеряет выходную мощность генератора и изменяет ток возбуждения генератора для нагрузки ротора, чтобы регулировать скорость вращения турбины с возможностью получения, по меньшей мере, 50% и, предпочтительно, по меньшей мере, 80% максимальной выходной мощности генератора при всех условиях ветра.

В данном варианте осуществления узел установлен на мачте 9, структурно закрепленной внутри основного корпуса 2 и которая продолжается вниз до основной опорный мачты 10 и выполнена с возможностью вращения против ветра посредством использования комплекта осевых и упорных подшипников 11. Установленный сзади флюгер 12 обеспечивает ориентацию против ветра при дефиците мощности во время ураганов, а также поддерживается электродвигателем 13 с зубчатым приводом и системы 1F слежения за направлением ветра, во время нормальных условий. Турбина может быть заблокирована посредством использования блокировочного механизма 7 и дисковой тормозной поверхности 1G.

Фиг.14 представляет собой вид сбоку в разрезе узла основной мачты и колпака настоящего изобретения. Верхняя мачта 9 прикреплена к основному корпусу 2 и вращается вместе с ним. Она имеет тонкую конструкцию, чтобы минимизировать влияние потока воздуха, выходящего из турбины. Она представляет собой полую алюминиевую трубу, которая проводит силовые кабели и кабели управления из генератора и системы управления в узел 14 контактных колец, что позволяет турбине свободно вращаться без закручивания кабелей. Основная опорная мачта 10 установлена на прочном бетонном основании, которое проходит глубоко в землю. Компрессионное кольцо и система 15 соединительных стержней в верхней части мачты в колпаке 10А основной мачты продолжаются вниз до бетонного основания к центральному соединительному устройству, чтобы удерживать всю мачту в сжатии. Это обеспечивает мощное сопротивление «опрокидыванию». Основная опорная мачта может быть выполнена из железобетонной трубы соответствующего диаметра. Комплект осевых и упорных подшипников 11 расположен внутри колпака 10А основной мачты в верхней части основной опорной мачты 10 непосредственно под системой 15 соединительных стержней и опирается на верхнюю часть и стенки основной опорной мачты. Это обеспечивает средство, посредством которого верхняя мачта 9 может свободно вращаться, поэтому турбина может быть обращена против ветра. Электродвигатель 13 с зубчатым приводом прикреплен к верхней мачте 9 и соединен с основной мачтой 10 цепной передачей большой мощности, посредством которой он способен поворачивать всю ветровую турбину так, чтобы она была обращена против ветра. Встроенная предохранительная муфта предотвращает повреждение от сильных порывов ветра.

В данном варианте осуществления кабели выхода мощности из пространства управления генератором/преобразователем подсоединены к узлу 14 контактных колец в колпаке 10А основной опорной мачты 10, поэтому данный узел может свободно вращаться без закручивания кабелей. Основная опорная мачта установлена на прочном фундаменте 16 и удерживается под сжатием посредством трех соединительных стержней 15. Ветровая турбина обеспечивает необыкновенно высокий кпд при необыкновенной простоте, используя физический принцип, известный как первый закон Ньютона для поступательного движения. Это обеспечивает очень эффективный отбор энергии из ветра.

Фиг.15, 16, 17 и 18 изображают две перегородки 3А и 3В, каждая из которых содержит передний коренной подшипник 4А и задний коренной подшипник 4В, закрепленные концентрично в центральной части перегородки для оси 1С. Данные перегородки структурно закреплены в пределах основного корпуса 2. Дисковая тормозная поверхность 1G блокировочного механизма 7 установлена между задней частью ступицы 1В и передней частью основного корпуса 2 и приводится в движение при помощи трех поршней, которые приводятся в движение гидравликой с возможностью сцепления дисков для предотвращения вращения. Данная система является системой ручного управления, которая может быть приведена в действие изнутри пространства управления или с земли.

На фиг.19 показаны векторы истинного ветра 31, скорости 36 лопасти и кажущегося ветра 30. Данная векторная диаграмма показывает соотношение между скоростью истинного ветра и скоростью ротора в наружном конце 35 лопасти и основании 34 лопасти. Это определяет угол и скорость кажущегося ветра в виде гипотенузы треугольника, одним катетом которого является скорость истинного ветра, а другим - скорость 36 лопасти. Это математически определяет требуемый угол наклона лопастей турбины в их концах и в их основании.

Фиг.20 представляет собой вид сбоку флюгера и узла задней конической крышки настоящего изобретения. Флюгер 12 прикреплен к основному корпусу 2 посредством двух мощных поперечин, продолжающихся назад и по длине флюгера. Данные поперечины структурно выполнены с возможностью выдерживания воздействия значительных сил на флюгер, когда он ориентирует ветровую турбину против ветра. Флюгер 12 выполнен из многослойной панели из армированной пластмассы с пенопластовой основой, чтобы быть легким, прочным и легко сгибаемым. Поперечины выполняют также функцию направляющих для задней конической крышки 6, когда ее отодвигают назад для обеспечения доступа в пространство управления в основном корпусе 2. Конус выполнен из армированной пластмассы, сформованной в пресс-форме, аналогично переднему конусу. Конус выполнен с возможностью аэродинамической минимизации турбулентности и максимизации ламинарного потока ветра. Цветной краситель в полимере пластмассы должен соответствовать остальным деталям ветровой турбины.

На фиг.21 показана альтернативная форма лопасти 1Х турбины, основанная на использовании задней стороны лопасти для получения дополнительного преимущества. Комплект лопастей с фиксированным наклоном выполнен с одной кривизной на передней поверхности 28 лопасти и другой кривизной на задней поверхности 38 лопасти, чтобы повлиять на кажущийся ветер, который воспринимается движущимися лопастями упомянутой турбины. На данном чертеже также показано, как кажущийся ветер 30 может поддерживать лопасть для управления скоростью саморегулирующейся турбины.

Таким образом, очевидно, что цели настоящего изобретения успешно достигаются, хотя модификации и изменения в изобретении будут очевидны для специалистов в данной области техники, каковые модификации должны находиться в пределах сущности и объема заявленного изобретения. Необходимо также понимать, что вышеприведенное описание настоящего изобретения является пояснительным и не должно рассматриваться как ограничивающее. Следовательно, возможны другие варианты осуществления настоящего изобретения без отхода от сущности и объема настоящего изобретения.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Настоящее изобретение использует первый закон Ньютона для поступательного движения в качестве средства отбора энергии из ветра. Закон Ньютона по существу гласит, что предмет, движущийся прямолинейно, будет продолжать двигаться прямолинейно, если на него не воздействует неуравновешенная сила. Согласно данному принципу, масса воздуха, входящая в турбину, отклоняется от траектории своего движения посредством изогнутых лопастей турбины с фиксированным наклоном. Это вызывает силу, которая приводит в действие турбину. Когда турбина вращается, движущиеся лопасти вызывают кажущийся ветер, который представляет собой гипотенузу векторного треугольника, одним катетом которого является скорость истинного ветра, входящего в турбину, а другим - периферийная скорость лопастей. Если угол кажущегося ветра равен углу наклона лопастей, то турбина способна выдавать максимальную мощность. Контроллер регулирует выход генератора для загрузки турбины, чтобы управлять скоростью турбины с возможностью максимального выхода для всех условий ветра. Данный принцип обеспечивает ветровую турбину, которая имеет очень высокий кпд, низкую стоимость и малые размеры.

Данный вариант осуществления, посредством использования закона физики, приписываемого сэру Исааку Ньютону и известного как первый закон Ньютона для поступательного движения, и применения данного принципа в качестве средства отбора энергии из ветра, и посредством использования специальных технических средств для использования данного принципа, обеспечивает новый уровень высокого кпд, который превосходит другие методы для генерирования дешевой электроэнергии, особенно в виде крайне желательной возобновляемой энергии. В результате при эквивалентном годовом отборе мощности из ветра, данный вариант осуществления может иметь в 7 раз меньший диаметр, в 2-3 раза меньшую высоту и в 10 раз меньшую стоимость по сравнению с очень широко используемыми трехлопастными ветряными мельницами, в настоящее время широко распространенными во всем мире. Данное устройство, которое имеет меньшие размеры и меньшую стоимость, открывает очень широкие новые рынки, поскольку оно становится экономически эффективным без правительственных грантов, субсидий или налоговых льгот. Рынок для домов, сельскохозяйственных ферм и малого бизнеса - огромный, поскольку данная ветровая турбина способна обеспечивать все их потребности в тепле и электроэнергии при очень малой доле существующих затрат на энергию. Она может быть легко установлена на коммерческих зданиях при небольшой модификации конструкции. Нет другого известного продукта, доступного для рынков, который способен генерировать уровень мощности, который требуется для обеспечения всего тепла и электроэнергии для дома или работы в таком малом блоке и при такой низкой стоимости. Поскольку турбина вращается с малыми скоростями при закрытых лопастях, вращение незаметно, кроме как вблизи; отсутствуют помехи для телевизионной связи и тени от машущих крыльев.

В предпочтительном варианте осуществления перекрывающиеся лопасти обеспечивают невидимое отверстие, если смотреть прямо на него; следовательно, птицы будут залетать в устройство не чаще, чем они залетают в стенку здания. Изобретение обеспечивает турбину, которая является бесшумной в работе и не раздражающей по внешнему виду. В действительности данные турбины, поскольку они небольшие и могут быть лишь немного выше верхушек деревьев, при надлежащем размещении могут легко вписываться в ландшафт. Поскольку в данном варианте осуществления воздушный поток прямолинейный, практически без турбулентности, данные турбины могут быть размещены близко друг к другу на вращающейся платформе. Таким образом, данные применения увеличивают множество турбин, которые способны обеспечивать самые разные требования пользователей при использовании только одной установки на одном основании, или на здании, и не требуют больших участков земли.

Благодаря малому размеру и высокому кпд, ветровая турбина может быть размещена около пользователя, который в этом случае избавлен от расходов на передачу электроэнергии от ветровых установок и больших электростанций. Это является дополнительной существенной экономией, поскольку затраты на передачу электроэнергии на значительное расстояние часто превышают стоимость самой электроэнергии. Данный вариант осуществления может содержать батарейный аккумулятор энергии на несколько дней, который будет способен выдавать реактивную мощность в сеть в течение нескольких часов, во время требований максимальной мощности, даже когда ветер не дует. Это является существенным преимуществом для увеличения общего генерирования электроэнергии в стране при минимальной возможной стоимости. Изобретение целенаправленно охватывает варианты осуществления в дополнение к предпочтительным вариантам осуществления, показанным на чертежах и описанным в данном документе.

Предполагается, что в перспективных вариантах осуществления могут быть выполнены модификации конфигурации лопастей и конструктивного обода, расходящегося раструбом. Например, увеличение или уменьшение количества лопастей при большем или меньшем перекрытии лопастей могли бы быть логическими усовершенствованиями в целях повышения кпд. Предполагается также, что может быть найдена другая кривизна лопастей, которая будет увеличивать кпд.

Таким же образом может быть усовершенствован конструктивный обод, расходящийся раструбом, посредством создания кривизны в раструбе в сочетании с изменением степени расширения и глубины обода.

На фиг.21 показана альтернативная форма лопасти, которая использует поток кажущегося ветра вдоль задней стороны каждой лопасти. В результате тщательного анализа взаимосвязанных эффектов ряда лопастей, их перекрытия, их формы и кривизны, может быть получен более высокий кпд.

Кроме того, в пределах основной концепции настоящего изобретения предполагается, что могут быть выполнены усовершенствования в носовом конусе и заднем конусе с возможностью улучшения ламинарного обтекания потока воздуха и направления его так, как требуется для максимального кпд ветровой турбины.

В предварительных испытаниях ветровой турбины настоящего изобретения на выходе турбины была получена мощность, которая достигала 40% кинетической энергии входного воздуха, которая определяется выходным крутящим моментом и скоростью турбины.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 турбина в сборе

1А лопасть турбины

1В ступица турбины

1С ось турбины

1D конструктивный обод, расходящийся раструбом

1E носовой конус

1F система, следящая за направлением ветра

1G дисковая тормозная поверхность

2 основной корпус

3А передняя перегородка

3В задняя перегородка

4А передний коренной подшипник

4В задний коренной подшипник

5А статор генератора

5В якорь генератора

6 задний конус и крышка

7 блокировочный механизм

8 преобразователь и контроллер мощности

9 верхняя мачта

10 основная мачта

10А колпак основной мачты

11 осевые и упорные подшипники мачты

12 флюгер

12А система опор и ползунов

13 поворотный электродвигатель с редуктором/муфтой

14 узел контактных колец

15 система соединительных стержней

16 бетонный фундамент и площадка

20 наружный конец лопасти

21 ступичный конец лопасти

22 передняя кромка лопасти

23 задняя кромка лопасти

24 сложная кривизна

25 окружная стенка

26 переднее отверстие

27 заднее отверстие

28 передняя поверхность лопасти

29 перекрытая поверхность

30 кажущийся ветер

31 истинный ветер

32 масса воздуха

33 смещение

34 основание

35 конец

36 скорость лопасти

38 задняя поверхность лопасти

( ) угол наклона в наружном конце лопасти

( ) угол наклона в ступичном конце лопасти

( ) угол наклона стенки

( ) угол между лопастями.