Ветроэнергетическая установка

Ветроэнергетическая установка относится к ветроэнергетике и может быть использована для преобразования кинетической энергии ветра в механическую. Технической задачей является создание простой, не сложной в монтаже и эксплуатации установки, экономичной, способной работать при любом направлении ветра. Для достижения технического результата она снабжена устройством завихрения потока воздуха (УЗПВ), выполненного в виде цилиндрического корпуса (ЦК) с днищем и верхней открытой частью, по окружности ЦК установлены стойки, между ними под разными углами к ЦК установлены поворотные ветровые заслонки (ПВЗ) с вертикальными осями вращения, причем, ПВЗ снизу и сверху ЦК закреплены на шарнирах. Сверху на ЦК УЗПВ нижней открытой частью установлен корпус направляющего конусообразного устройства (НКУ), которое выполнено в виде усеченного конуса с открытой нижней частью и открытой верхней усеченной частью, сужающейся к вершине НКУ, В открытой верхней усеченной части НКУ имеет меньший диаметр по отношению к своей открытой нижней. Ротор с ветровой турбиной установлены на вершине открытой верхней усеченной части НКУ, причем, лопасти ротора выполнены в виде изогнутых (вогнутых) в направлении набегающего потока воздуха лопастей-ловушек для вовлечения потока воздуха и обеспечения разворота потока при движении вдоль их поверхности. УЗПВ, НКУ и ветровая турбина с ротором соединены между собой одной вертикальной осью для возможности преобразования кинетической энергии потока воздуха во вращательное движение ротора ветровой турбины. 1 нез., 2, 3, 4 зав. пункт ф-лы «пм», чертеж, фиг.1, 2, 3.

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетической установке циклонного действия, преобразующим кинетическую энергию ветра в механическую, и может быть использовано при создании ветроэнергостанций, мини ВЭС, а также при строительстве зданий с пониженным потреблением тепла и электроэнергии.

Из результатов проведенных патентно-информационных исследований следует, что известные в науке и технике ветроэнергетические установки трудоемки в монтаже, эксплуатации и не достаточно эффективны, иногда и опасны, так как издают звуки в опасном «инфро-диапазоне». При строительстве зданий используют зачастую тепловые или солнечные энерго-панели. Однако такие установки дорогостоящие, а КПД пока относительно низок, снимает около 5-10% солнечной энергии. Ветроэнергетические установки, работающие на энергии ветра более экономичны, экологичны, но не всегда надежны в работе.

Известна ветротепловая установка, по патенту RU 2253041, содержащая ветроколесо с поворотными лопастями, теплогенератор, в виде конического барабана, патрубки, тяги, синхронизирующие втулки, упоры, рычаги.

Однако известная установка имеет сложную и трудоемкую в монтаже конструкцию, не обеспечивающую надежную работу.

Известна ветроэнергетическая установка по патенту RU 2287084, кл. F03D 3/00, публ. 20.09.2004., которая содержит платформу, жесткие парусные элементы, установленные на платформе в виде нескольких звезд с осью вращения в центре симметрии, механизм синхронизации из цилиндрических зубчатых колес, плита вращения.

Известна ветроэнергетическая установка по патенту RU 2396458, по кл. F03D 1/04, публ. 10.08.2010, которая содержит ветроколесо с полыми лопастями, в стенках тел вращения имеются щели, сообщающиеся с компрессором, установленным на башне с поворотными лопатками.

Известные аналоги имеют очень сложную конструкцию, как в изготовлении, так и в монтаже, кроме того, они не обеспечивают использование энергии ветра в широком диапазоне скоростей потока и при любом направлении.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является роторная ветроэлектростанция, по патенту RU 2367816, по кл. F03D 3/04, публ. 20.09.2009), которая состоит из направляющего агрегата, в виде кольца с изогнутыми лопатками, ротора с лопастями, который установлен в направляющем агрегате с зазором, лопатки закреплены на внешней окружности кольца радиально, на внутренней окружности кольца - тангенциально, концы лопаток закреплены на внешней и внутренней окружностях под разными углами.

Сходными признаками с заявляемой установкой является наличие направляющего устройства и ротора с лопастями.

Недостатком известного аналога является высокое аэродинамическое сопротивление при движении воздуха в каналах направляющего устройства, как следствие, большие потери энергии, что делает известный аналог не экономичным, а так же ненадежным в работе при набегании ветра.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание ветроэнергетической установки не сложной в монтаже и эксплуатации, экономичной, способной работать при любом направлении ветра с возможностью использования кругового движения потока воздуха, сопровождаемого увеличением скорости (вихреобразования).

Задача решается новой совокупностью существенных признаков, позволяющих получить новый полезный технический результат, за счет того, что ветроэнергетическая установка, включающая направляющее устройство и ротор с лопастями (признаки сходные с ближайшим аналогом), снабжена устройством завихрения потока воздуха, соединенным с направляющим устройством и ветровой турбиной с ротором одной вертикальной осью вращения для возможности преобразования кинетической энергии потока воздуха во вращательное движение ротора ветровой турбины, причем, устройство завихрения потока воздуха выполнено в виде цилиндрического корпуса с днищем и верхней открытой частью, по окружности корпуса между стойками установлены поворотные ветровые заслонки, которые снизу и сверху цилиндрического корпуса устройства завихрения потока воздуха закреплены на шарнирах для возможности свободного их вращения при любом направления ветра, а направляющее устройство выполнено в виде конусообразного корпуса с открытой нижней частью и открытой верхней усеченной частью, сужающейся к вершине направляющего устройства, которое установлено на цилиндрический корпус устройства завихрения потока воздуха, при этом открытая нижняя часть конусообразного корпуса жестко закреплена к открытой верхней части цилиндрического корпуса устройства завихрения потока воздуха для возможности выхода потока воздуха из устройства завихрения потока воздуха в направляющее устройство, затем в турбину с ротором, причем, в открытой верхней усеченной части конусообразный корпус направляющего устройства имеет меньший диаметр по отношению к своей открытой нижней части для возможности увеличения скорости потока воздуха в горизонтальной плоскости и вертикальном направлении. Ротор с ветровой турбиной установлен на открытой верхней усеченной части корпуса направляющего конусообразного устройства, причем, лопасти ротора выполнены в виде лопастей-ловушек, изогнутых (вогнутых) в направлении набегающего потока воздуха для возможности улавливания потока воздуха и обеспечения разворота потока при его скольжении по поверхности лопастей ротора. Поворотные ветровые заслонки могут быть установлены в любом количестве. При использовании поворотных заслонок в малом количестве, их устанавливают под постоянными углами по отношению к плоскостям, проходящим через пары соседних вертикальных стоек. При использовании поворотных заслонок в большом количестве, их можно устанавливать под переменными углами на входе потока воздуха.

Полезная модель поясняется чертежом, где

на фиг.1 - показана установка в общем виде в аксонометрии;

на фиг.2 - фрагмент ротора ветровой турбины установки, вид из под купола при закрутке потока;

на фиг.3 - фрагмент ротора ветровой турбины установки, в аксонометрии.

Установка состоит из взаимосвязанных между собой в вертикальном направлении устройства 1 завихрения потока воздуха, направляющего конусообразного устройства 2 и ветровой турбины 3, которые соединены и взаимосвязаны между собой общей вертикальной осью вращения 4 для преобразования кинетической энергии потока воздуха во вращательное движение ротора ветровой турбины.

Устройство 1 завихрения потока воздуха состоит из цилиндрического корпуса 5, днища 6 и верхней открытой части 7 для выхода завихренного потока воздуха в ветровую турбину 3. По окружности цилиндрического корпуса 5 устройства 1 завихрения потока воздуха установлены стойки 8, между ними установлены поворотные ветровые заслонки 9, при этом сверху и снизу цилиндрического корпуса 5 поворотные ветровые заслонки 9 закреплены на шарнирах 10 для возможности свободного их вращения под напором ветра, а также установки их под постоянными или переменными углами, в зависимости от направления ветра. Поворотные ветровые заслонки 9 могут быть установлены в любом количестве, при этом в случае установки их в малом количестве, их закрепляют под постоянными углами по отношению к плоскостям, проходящим через пары соседних вертикальных стоек 8, в случае установки их в большом количестве, их могут устанавливать под переменными углами на входе потока воздуха. Направляющее устройство 2 выполнено в виде конусообразного корпуса 11 с открытой нижней частью 12 и открытой верхней усеченной частью 13, сужающейся к вершине направляющего устройства, где установлена ветровая турбина 3 с ротором для отбора энергии воздуха. При этом открытая верхняя усеченная часть 13 направляющего устройства 2 имеет меньший диаметр по отношению к его открытой нижней части 12 для обеспечения возможности увеличения скорости потока воздуха в горизонтальной плоскости и вертикальном направлении, а также для возможности сужения вращения восходящего потока и формирования вихревого потока воздуха (в виде жгута). Направляющее устройство 2 своим конусообразным корпусом 11 установлено на цилиндрический корпус 5 устройства 1 завихрения потока воздуха, при этом открытая нижняя часть 12 конусообразного корпуса 11 жестко закреплена к открытой верхней части 7 цилиндрического корпуса 5 устройства 1 завихрения потока воздуха для возможности выхода потока воздуха из устройства завихрения потока воздуха сначала в направляющее конусообразное устройство 2, а затем в турбину 3 с ротором.

Ветровая турбина 3 состоит из корпуса 14 (статор, кожух), внутри которого закреплен на вертикальной оси 4 ротор с лопастями, которые выполнены в виде лопастей-ловушек 15 изогнутых (вогнутых) в направлении набегающего потока воздуха для улавливания потока воздуха и обеспечения разворота потока при движении вдоль их поверхности, причем, как можно на наибольший угол, вплоть до 180°.

К ветровой турбине 3 может быть подсоединен электрогенератор, преобразующий механическую энергию вращения ротора турбины 3 в другой вид энергии, например, в электрическую.

Работает установка следующим образом.

Поток ветра, поступает внутрь устройства 1 завихрения потока воздуха через щели между ветровыми поворотными заслонками 9 и цилиндрическим корпусом 5 этого устройства, заполняет внутренний объем устройства 1 завихрения потока воздуха. Ветровые поворотные заслонки 9 создают вращательное движение потока воздуха внутри устройства 1 завихрения потока воздуха и обеспечивают поступление потока воздуха в это устройство при любых направлениях ветра, при этом поворотные ветровые заслонки 9 свободно вращаются в шарнирах 10 как под переменными углами, так и под постоянными углами. При установке ветровых заслонок 9 в малом количестве под постоянными углами по отношению к плоскостям, проходящим через пары соседних вертикальных стоек 8, поток воздуха лишь частично выходит через поворотные ветровые заслонки 9 с противоположной стороны цилиндрического корпуса 5. При установке поворотных ветровых заслонок 9 в большом количестве, например, под переменными углами на входе потока воздуха, скорость вращения ветровой турбины регулируется. Основной объем потока воздуха, вращающегося в горизонтальной плоскости устройства 1 завихрения потока воздуха, под напором потока воздуха, поступающего в это устройство извне, перемещается в направляющее конусообразное устройство 2, сужающееся к верхней открытой усеченной части 13, где по мере продвижения к ее вершине поток воздуха увеличивает свою скорость, как в горизонтальном плоскости, так и в вертикальном направлении за счет уменьшения диаметра конуса в верхней его части. Таким образом, созданный ускоренно вращающийся в горизонтальной плоскости и одновременно ускоренно движущийся вверх в вертикальном направлении поток воздуха поступает из направляющего конусообразного устройства 2 в ветровую турбину 3, где попадает на лопасти-ловушки 15, создавая на них давление (см. фиг.3) и заставляя их вращаться в горизонтальной плоскости, при этом лопасти-ловушки 15, изогнутые (вогнутые) в направлении набегающего на них потока воздуха, улавливают поток воздуха, обеспечивают разворот потока воздуха при движении его вдоль их поверхности на наибольший угол, вплоть до 180°. При этом на верхних кромках лопастей-ловушек 15 поток теряет свою первоначальную закрутку, которая была до входа потока в пространство между лопастями-ловушками, т.е. поток воздуха раскручиваясь максимально передает свою энергию вращающимся на роторе лопастям-ловушкам. Таким образом, поток воздуха, проходя через соединенные на общей вертикальной оси 4 устройство 1 завихрения потока воздуха, направляющее конусообразное устройство 2 и ветровую турбину 3 с ротором заставляет вращаться лопасти-ловушки 15 вокруг вертикальной оси 4. При этом кинетическая энергия кругового движения воздуха в виде вихревого потока преобразуется в механическую энергию вращения ротора ветровой турбины 3.

Заявляемая к патентованию полезная модель по сравнению с ближайшим аналогом и другими вышеперечисленными аналогами имеет ряд преимуществ:

1. Упрощается конструкция установки, за счет того, что вращающаяся ветровая турбина имеет значительно меньший диаметр по сравнению с диаметром нижней части направляющего конусообразного устройства. Соответственно упрощается изготовление, монтаж-демонтаж, снижается вибрация при дисбалансе ротора.

2. Обеспечивается надежность работы установки за счет того, что, во-первых уменьшается диаметр вращающейся ветровой турбины, во-вторых на вертикальной оси вращения ее ротора уменьшается поперечная нагрузка на вал.

3. Установка может работать при любом направлении ветра, при этом поток ветра может сам поворачивать ветровые заслонки на нужный угол, при этом они могут быть подпружинены, сохраняя работоспособность всей установки.

4. Установка экономична, так как уменьшены потери энергии по сравнению с ближайшим аналогом, из-за аэродинамического сопротивления при движении воздуха в каналах направляющего устройства.

1. Ветроэнергетическая установка, включающая направляющее устройство и ротор с лопастями, отличающаяся тем, что она снабжена устройством завихрения потока воздуха, соединенным с направляющим устройством и ветровой турбиной с ротором одной вертикальной осью вращения для возможности преобразования кинетической энергии потока воздуха во вращательное движение ротора ветровой турбины, причем устройство завихрения потока воздуха выполнено в виде цилиндрического корпуса с днищем и верхней открытой частью, по окружности корпуса между стойками установлены поворотные ветровые заслонки, которые снизу и сверху цилиндрического корпуса устройства завихрения потока воздуха закреплены на шарнирах для возможности свободного их вращения при любом направления ветра, а направляющее устройство выполнено в виде конусообразного корпуса с открытой нижней частью и открытой верхней усеченной частью, сужающейся к вершине направляющего устройства, которое своим конусообразным корпусом установлено на цилиндрический корпус устройства завихрения потока воздуха, при этом открытая нижняя часть конусообразного корпуса жестко закреплена к открытой верхней части цилиндрического корпуса устройства завихрения потока воздуха для возможности выхода потока воздуха из устройства завихрения потока воздуха в направляющее устройство, затем в турбину с ротором, причем в открытой верхней усеченной части конусообразный корпус направляющего устройства имеет меньший диаметр по отношению к своей открытой нижней части для возможности увеличения скорости потока воздуха в горизонтальной плоскости и вертикальном направлении, а ротор с ветровой турбиной установлен на открытой верхней усеченной части корпуса направляющего конусообразного устройства, причем лопасти ротора выполнены в виде лопастей-ловушек, изогнутых (вогнутых) в направлении набегающего потока воздуха для возможности улавливания потока воздуха и обеспечения разворота потока при его скольжении по поверхности лопастей ротора.

2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что поворотные ветровые заслонки могут быть установлены в любом количестве.

3. Ветроэнергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при использовании поворотных заслонок в малом количестве их устанавливают под постоянными углами по отношению к плоскостям, проходящим через пары соседних вертикальных стоек.

4. Ветроэнергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при использовании поворотных заслонок в большом количестве их могут устанавливать под переменными углами на входе потока воздуха.