Ветроэнергетическая установка

Полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована для преобразования энергии движения ветра в механическое вращение вала ветродвигателя, к которому могут быть присоединены различные механические устройства или преобразователи механической энергии. Заявляемая полезная модель решает задачу повышения эффективности ветроэнергетической установки. Поставленная задача решается ветроэнергетической установкой, содержащий ветроколесо с вертикальной осью вращения, снабженное ветровоспринимающими элементами, скрепленными с радиальными траверсами, закрепленными на вертикальной оси вращения перпендикулярно ей, ветроколесо установлено с возможностью взаимодействия с накопителем механической энергии, отличающаяся тем, что установка снабжена не менее чем двумя ветровоспринимающими элементами, механизмом односторонне направленного вращательного действия, например храповиками, закрепленными на оси или соосно с ней, с возможностью свободного вращения, упругими элементами, например пружинами скручивания, торсионными рессорами или магнитной или пневматической системой, связывающими храповики с осью, гибкими сцепками с концевыми шарнирами, связывающими ветровоспринимающие элементы с храповиками. Предлагаемая конструкция позволяет увеличить коэффициент использования энергии ветра за счет двухстороннего использования ветровоспринимающих элементов и увеличения продолжительности действия подъемной силы в сравнении с известными техническими решениями того же назначения. Установка проста в реализации, может быть изготовлена в условиях малого предприятия и даже в приусадебном хозяйстве, не требует сложных в изготовлении деталей и дополнительных механизмов.

Полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована для преобразования энергии движения ветра в механическое вращение вала ветродвигателя, к которому могут быть присоединены различные механические устройства или преобразователи механической энергии.

Известен ветродвигатель [RU 2283968 C1, МПК⁸ F03D 3/00 (2006.01), 21.02.2005). в котором ветроколесо с вертикальной осью вращения, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами, скрепленными с радиальными траверсами, закрепленными на вертикальной оси вращения перпендикулярно ей, при этом внешние концы траверс оперты на кольцевую опору, согласно изобретению, каждый ветровоспринимающий элемент выполнен в виде щелевого крыла, содержащего не менее двух параллельных лопастей, профилю поперечного сечения которых придана серповидная форма, выпуклая в сторону вращения ветроколеса и вогнутая со стороны ветровоспринимающих поверхностей, при этом ширина и длина лопастей щелевого крыла увеличивается от его поверхности, воспринимающей ветер, не менее чем на 5% от размеров соседней наименьшей, причем поперечному сечению наибольшей лопасти каждого щелевого крыла придана каплеобразная форма, для чего радиус кривизны профиля центральной части ее выпуклой поверхности выполнен меньше, чем у остальных лопастей щелевого крыла.

Известен ветродвигатель [RU 2230932 C1, МПК⁷ F03D 5/00, 10.11.2002], содержащий ветроколесо с вертикальной осью вращения, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами, скрепленными с радиальными траверсами, закрепленными на вертикальной оси вращения перпендикулярно ей, при этом внешние концы траверс оперты на кольцевую опору, кроме того, ветроколесо установлено с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии.

Недостаток данного технического решения заключается в отсутствии использования энергии разворачивающихся ветровоспринимающих элементов, при выходе на встречный ветер.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение - повышение эффективности ветроэнергетической установки.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в использовании силы разворачивающихся под действием ветра вокруг своих осей ветровоспринимающих элементов, увеличении времени действия подъемной силы, использовании подъемной силы ветровоспринимающих элементов в других секторах окружности их вращения, силы лобового сопротивления, изменении на противоположный угол атаки ветровоспринимающих элементов при движении навстречу ветру.

Поставленная задача решается ветроэнергетической установкой, содержащий ветроколесо с вертикальной осью вращения, снабженное ветровоспринимаюшими элементами, скрепленными с радиальными траверсами, закрепленными на вертикальной оси вращения перпендикулярно ей, ветроколесо установлено с возможностью взаимодействия с накопителем механической энергии, отличающаяся тем, что установка снабжена не менее чем двумя ветровоспринимающими элементами, механизмом односторонне направленного вращательного действия, например храповиками, закрепленными на оси или соосно с ней с возможностью свободного вращения, упругими элементами, например пружинами скручивания, торсионными рессорами или магнитной или пневматической системой, связывающими храповики с осью, гибкими сцепками с концевыми шарнирами, связывающими ветровоспринимающие элементы с храповиками.

Ветроэнергетическая установка крепится на неподвижном основании. Храповики входит в зацепление с неподвижной частью установки при вращении в сторону, противоположную вращению оси.

В данном случае рассматривается конструкция с вертикальной осью.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид ветроэнергетической установки, содержащей ось 1, снабженную не менее чем двумя ветровоспринимающими элементами 2, соединенными с возможностью вращения, например, через шарниры 3, радиальными траверсами 4, которые жестко закреплены на оси 1. Оси вращения шарниров 3 смещены на край ветровоспринимающих элементов 2 и расположены параллельно оси 1. На радиальных траверсах 4 установлены упругие элементы 5. Храповики 6 закреплены на оси 1 через подшипники 7, и взаимодействует с осью 1 через пружину скручивания 8.

В качестве накопителя механической энергии можно использовать любые накопители энергии, устройства или системы, конечным результатом, которых будет аккумулирование и разряд механической энергии. Например: магнитная система, состоящая минимум из пары магнитов, взаимодействие которых используется для данного случая как действие пружины сжатия; пневматическая система; маховик; пружины; торсионы; рессоры.

Храповик 6 соединен гибкими сцепками 9 через шарниры 10 с ветровоспринимающими элементами 2.

На Фиг.2 вид сверху - показан принцип действия установки. Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. При наличии ветра, (см. фиг.2), на ветровоспринимающих элементах 2 возникают аэродинамические силы, заставляющие вращаться ось 1, так как поверхности ветровоспринимающих элементов 2, расположенных навстречу и попутно ветру, принимают положения, при которых обеспечивается разность площадей. При вращении оси 1, в пассивной зоне, секторе угла, в котором движение всех вращающихся частей направлено против ветра, возникают дополнительные аэродинамические силы вследствие изменения углов атаки на противоположные.

На фиг.2 показан противоположный угол атаки, созданный упругим элементом 5. Каждый ветровоспринимающий элемент 2 при выходе на попутный ветер, силой ветра встает на упругий элемент 5 и более чем две четверти полного оборота установки передает усилие ветра вращению оси 1.

На фиг.3 показано положение ветровоспринимающих элементов 2 и других взаимодействующих с ней элементов в фазе начала перехода с попутного на встречный ветер. Ветровоспринимающий элемент 2 взаимодействует через гибкую сцепку 9 с храповиком 6, который взаимодействует с осью 1 через пружину скручивания 8. Храповик 6 под действием пружины скручивания 8, которая в этот момент работает на раскручивание, совершает вращательное движение в сторону вращения оси 1.

Гибкая сцепка 9 установлена с предварительной накруткой на находящийся в уравновешенном состоянии пружины скручивания 8 храповик 6. Под действием силы ветра за счет смешенного места крепления относительно геометрического центра, при развороте ветровоспринммающий элемент 2 продолжает совершать положительную работу, воздействуя через гибкую сцепку 10 на храповик 6. То есть, так как ось 1, находясь под нагрузкой, вращается медленнее и радиусы вращения R1 траверсы 4 и R2 ветровоcпринимающего элемента 2 разные, а площадь ветровоcпринимающего элемента 2 остается неизменной, то при развороте ветровоспринимающего элемента 2 скорость ее вращения выше, чем скорость вращения оси 1. При этом направление вращения ветровоcпринимающего элемента 2 и оси 1 совпадает. Следовательно, разворачиваемый ветровоспринимающий элемент 2 будет через гибкую сцепку 10 подтягивать храповик 6 в направлении вращения оси 1 на некоторый угол, ограниченный рабочим ходом.

Па фиг.4 показано положение развернутого ветровоспринимающего элемента 2 и элементов, взаимодействующих с ней. По окончанию разворота ветровоспринимающего элемента 2, храповик 6 войдет в зацепление с неподвижной частью установки, и пружина скручивания 8 начнет отдавать свою энергию для вращения оси 1. При этом храповик 6 будет неподвижен относительно установки, но подвижен относительно траверс 4 и ветровоспринимаюших элементов 2. Так как развернутый ветровоспринимаюший элемент 2 соединена гибкой сцепкой 9 с неподвижным на данный момент храповиком 6, то при вращении оси 1 гибкая сцепка 9 будет накручиваться на храповик 6, уменьшая свою длину, тем самым обеспечивать в требуемом диапазоне угол атаки ветровоспринимающего элемента 2 к действующему окружному направлению ветра. Угол атаки будет меняться закономерно. Закономерность определяется изменением радиуса накрутки гибкой сцепки 9 на поверхность накрутки храповика 6.

На фиг.3-5 поверхность накрутки цилиндрическая и угол атаки будет неизменен до тех пор, пока храповик 6 находится в зацеплении с неподвижной частью установки. Для изменения угла атаки следует менять радиус накрутки, например, применив в качестве поверхности накрутки шкив неправильной формы.

Действующее окружное направление ветра показано суммой векторов (a+b) где вектор «a» - скорость набегающего потока на ветровоспринимающий элемент 2 при его вращении вокруг оси 1, и вектор «b» - скорость ветра.

На фиг.5 показано положение ветровоспринимающего элемента 2 и других взаимодействующих с ним элементов в момент, когда пружина скручивания 8 отдала большую часть своей энергии для вращения оси 1. Ветровоспринимающий элемент 2 при этом находится под воздействием близко к максимальному окружному направлению ветра и, следовательно, под воздействием максимальной подъемной силы, направленной на разворот ветровоспринимающего элемента 2 от центра оси 1. С учетом того, что пружина скручивания 8 и дальше теряет свою энергию, то обязательно наступит момент, когда ветровоспринимающий элемент 2 под действием подъемной силы через гибкую сцепку 9 повернет храповик еще на некоторый угол, то есть энергия подъемной силы выполнит работу для вращения оси 1.

На фиг.6 показан принцип применение переменного радиуса накрутки R3 и R4, например, шкива неправильной формы в виде эксцентрика, что приведет к циклическому использованию подъемной силы при дальнейшем движении ветровоспринимающего элемента 2 против ветра, вплоть до перехода на попутный ветер.

Таким образом, ветровоспринимающий элемент 2 в той или иной степени выполняют положительную работу, кроме случаев, когда ветровоспринимающие элементы 2 не находятся под воздействием упоров 5 и не воздействуют на храповик 6. В таком положении ветровоспринимающие элементы 2 двигаются против ветра, повернувшись обтекаемой стороной к ветру, создавая минимальное аэродинамическое сопротивление.

Профилю поперечного сечения ветровоспринимающими элементами 2 и траверсы 4 может быть придана любая форма для улучшения аэродинамических свойств.

Вращение оси 1 может передаваться на вал генератора электрической энергии с выработкой электроэнергии, на насосы, на компрессоры и т.д.

Увеличение числа ветровоспринимающих элементов свыше двух приведет к повышению эффективности ветродвигателя за счет более частого возникновения подъемных сил за один оборот, а подъемная сила, как известно, примерно в три раза больше чем сила лобового сопротивления.

Таким образом. предлагаемая конструкция позволяет увеличить эффективность по сравнению с существующими вертикальными ветродвигателями.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Установка проста в реализации, не требует средств наведения на ветер для приведения в рабочее положение лопастей.

К преимуществам заявленной установки необходимо отнести использование энергии разворачивающихся ветровоспринимающих элементов, что повышает КПД установки в сравнении с известными аналогами почти в два раза.

Простота установки позволяет реализацию установки в условиях малого предприятия и даже в приусадебном хозяйстве кустарным способом, не требует сложных в изготовлении деталей и дополнительных механизмов.

Достоинством является также способность работы на малых ветрах, от 2 метров в секунду, что приведет к существенному росту среднегодовой выработке.

К преимуществам надо отнести низкую скорость вращения с большим крутящим моментом, и малую шумность, что способствует применению в непосредственной близости от жилых строений.

Также невелики массогабаритные характеристики устройства, что положительно влияет на области изготовления и использования ветроэнергетической установки.

Ветроэнергетическая установка,содержащая вал, снабженный лопастями, соединенными радиальными траверсами, которые жестко закреплены на валу и на которых установлены упругие элементы, лопасти закреплены на траверсах с возможностью свободного вращения, оси крепления лопастей к траверсам смещены относительно их геометрического центра и располагаются параллельно валу, отличающаяся тем, что установка снабжена не менее чем двумя лопастями, одним или несколькими механизмами односторонне направленного вращательного действия, например храповиками, закрепленными на валу или соосно валу с возможностью свободного вращения, упругими элементами, например пружинами скручивания, торсионами, рессорами или магнитной или пневматической системой, связывающими храповики с валом, гибкими сцепками с концевыми шарнирами, связывающими лопасти с храповиками.