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.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, - увеличение коэффициента использования энергии ветра, при упрощении конструкции ветродвигателя и уменьшении его массогабаритных характеристик.

Поставленная задача решается ветроэнергетической установкой, содержащей ветроколесо с осью вращения, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами, соединенными радиальными траверсами, которые закреплены на оси вращения. Ветровоспринимающе элементы закреплены на траверсах с возможностью свободного вращения. Оси крепления ветровоспринимающих элементов в траверсах смещены относительно геометрического центра ветровоспринимающих элементов (в сторону, противоположную от центра). На радиальных траверсах, в пространстве между шарнирами и центром, установлены упоры, ограничивающие угол поворота ветровоспринимающих элементов, и, в случае контролируемого сдвига этих упоров, служат надежной защитой при ураганном ветре и аварийном останове. Каждый ветровоспринимающий элемент присоединен к траверсе упругим элементом.

Предлагаемая конструкция позволяет увеличить коэффициент использования энергии ветра почти в 3 раза в сравнении с известными техническими решениями того же назначения, и довести ее до величины 0,65-0,75.

Установка проста в реализации, не требует дополнительных средств для приведения в рабочее положение ветровоспринимающих элементов.

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

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

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.

Недостатком этого решения заключается в том, что вращающиеся против ветра лопасти значительно снижают эффективность ветродвигателя, с дополнением нагрузки на всю конструкцию. Также недостатком является сложность расчетов и изготовления аэродинамической формы крыла, изготовления и монтажа кольцевой опоры.

Известен ветродвигатель [RU 2074980 C1, МПК⁶ F03D 3/04, 08.02.1994], содержащий вращающуюся ветротурбину с вертикальной осью, расположенную внутри системы ветронаправляющих экранов, отличающийся тем, что каждый свободно поворачивающийся вокруг вертикальной оси ветронаправляющий экран непосредственно ориентирован на лопасть ветротурбины, причем крайние положения экрана определяют размер лопасти ветротурбины, которая установлена продольной осью перпендикулярно к прямой, проходящей через ось вращения ветронаправляющего экрана и касающейся окружности, которая образована крайней наружной точкой лопасти ветротурбины. в котором в центральной области потока ветер непосредственно действует на многолопастной ротор, а справа и слева от потока установлены подвижные заслонки, по периметру вне ротора (слева открывают потоку движение, а справа перекрывают), причем эти заслонки также использованы в качестве направляющего аппарата для направления ветрового потока к ротору.

Недостаток этого решения заключается в том, что сектор использования ветра не превышает угла 120°, зато значительно увеличены габариты всего устройства и усложнена конструкция.

Известен ветродвигатель [RU 2124142, МПК⁶ F03D 1/04, 25.03.1998], выполненный в виде осевой турбины с сопловым аппаратом и содержащий электрогенератор, переднюю, центральную, дополнительную и наружные оболочки. Перечисленные оболочки создают между смежными поверхностями три канала, каждый из которых представляет собой сопло Лаваля.

По утверждению автора, такая конструкция обеспечивает высокую эффективность использования ветра, что весьма спорно, так как диаметр внешней оболочки более чем на порядок больше диаметра самой турбины, значит аэродинамический момент оболочки будет почти в тысячу раз больше сопротивления турбины.

Известен также 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 этого решения - громоздкость и сравнительно небольшой сектор использования ветра.

Кроме того, для обеспечения безопасности эксплуатации конструкции, имеющей развитую площадь ветровоспринимающих элементов, она снабжена устройствами для изменения их площади парусности.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, - увеличение коэффициента использования энергии ветра, при упрощении конструкции ветродвигателя и уменьшении его массогабаритных характеристик.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в снижении сил, действующих на ветровоспринимающие элементы, находящиеся в фазе движения против ветра. При наличии ветра, независимо от его направления, на его ветровоспринимающих элементах от 0° до 270° от направления ветра возникают аэродинамические силы, заставляющие вращаться вал двигателя.

В сегменте от 270° до 360° ветровоспринимающие элементы воспринимают минимальное аэродинамическое сопротивление.

Поставленная задача решается ветроэнергетической установкой, содержащей ветроколесо с осью вращения, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами, соединенными радиальными траверсами, которые закреплены на оси вращения. Ветровоспринимающе элементы закреплены на траверсах с возможностью свободного вращения. Оси крепления ветровоспринимающих элементов в траверсах смещены относительно геометрического центра ветровоспринимающих элементов (в сторону, противоположную от центра установки). На радиальных траверсах, в пространстве между шарнирами и центром, установлены упоры, ограничивающие угол поворота ветровоспринимающих элементов, и, в случае контролируемого сдвига этих упоров, служат надежной защитой при ураганном ветре и аварийном останове.

В данном случае рассматривается конструкция с вертикальной осью вращения. В других вариантах ориентации оси вращения влияние веса ветровоспринимающих элементов и элементов крепления будет моментом, снижающим эффективность установки.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид ветроэнергетической установки, фиг. 2, 3,4 поясняют работу установки в разные моменты времени.

На фиг.2 показана работа установки с направлением ветра, где один из ветровоспринимающих элементов движется навстречу ветру по пути наименьшего сопротивления, и, повернувшись к ветру наименьшей площадью, становится на ребро.

На фиг.3 показан момент, когда ветровоспринимающий элемент силой ветра повернут ребром к направлению ветра, перестает совершать положительную работу. Так он будет двигаться вместе с установкой до момента захода на упор, когда начнет совершать положительную работу.

На фиг.4 показан ветровоспринимающий элемент, который выполнил положительную работу, дошел до точки, когда ветер начал действовать на оборотную строну этого элемента, под действием силы ветра этот элемент опрокидывается на упор, занимая при этом угол, при котором ветровоспринимающий элемент продолжает совершать положительную работу меньшей уже величины.

На фиг.5 представлена консольная конструкция крепления ветровоспринимающих элементов на вертикальной оси.

Таким образом, ветровоспринимающие элементы в той или иной степени выполняют положительную работу, кроме случаев, когда ветровоспринимающие элементы не находятся под воздействием упоров. Это обстоятельство повышает эффективность установки.

На фиг.1 представлена ветроэнергетическая установка, содержащая ветроколесо с вертикальной осью вращения 1, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами 2, соединенными с возможностью свободного вращения, например, через шарниры 3 с радиальными траверсами 4, которые жестко закреплены на вертикальной оси вращения 1. Оси крепления шарниров 3 смещены относительно геометрического центра вегровоспринимающих элементов 2. На радиальных траверсах 4 в пространстве между шарнирами и центром установлены ограничивающие угол поворота ветровоспринимающих элементов упоры 5, выполненные двусторонними или регулируемыми с возможностью контролируемого сдвига. В случае контролируемого сдвига этих упоров 5, они служат надежной защитой при ураганном ветре и аварийном останове. Каждый ветровоспринимающий элемент 2 может быть присоединен к траверсе 4 упругим элементом 6 для автоматического старта ротора при отсутствии ветра.

Профилю поперечного сечения ветровоспринимающих элементов 2 может быть придана любая форма для улучшения аэродинамических свойств.

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

Ветродвигатель работает следующим образом. При наличии ветра, на ветровоспринимающих элементах 2 возникают аэродинамические силы, заставляющие вращаться вертикальную ось вращения 1, так как поверхности ветровоспринимающих элементов 2, движущихся навстречу ветру, имеют более низкое аэродинамическое сопротивление. При этом, в пассивной зоне, секторе угла, в котором движение всех вращающихся частей направлено против ветра, возникают дополнительные аэродинамические силы в следствии изменения углов атаки на противоположный. (см. фиг.4)

Каждый ветровоспринимающий элемент 2 при выходе на встречный ветер силой ветра опрокидывается с упора, вокруг своей оси и в простейшем случае принимает флюгерное положение, а в случае дополнительного ограничителя на угол, который вносит положительную составляющую работы в третьей, и минимум сопротивления - в четвертой четверти полного оборота установки.

Каждый ветровоспринимающий элемент 2 при выходе на попутный ветер силой ветра встает на упор и две четверти полного оборота установки передает усилие ветра вращению оси 1.

Увеличение числа ветровоспринимающих элементов свыше трех приведет к повышению эффективности ветродвигателя.

При повороте ветровоспринимающих элементов 2 от 0° до 180° практически сохраняется результирующая аэродинамическая сила на нем.

Техническая реализация двухсторонних упоров 5 в виде буквы «Т» фиг.1 - в простейшем случае, в виде исполнительных механизмов, регулируемых электрических, пневматических или гидравлических систем, регулирующих длину, жесткость, угол расположения в пространстве, будет обеспечивать автоматическую регулировку угла атаки при встречном и попутном движении к ветру, направление и скорость вращения, а также другие параметры.

Важно контролировать жесткость конструкции за счет вышеописанных средств, т.е. при сильном (ураганном) ветре необходимо обеспечивать положение, когда все ветровоспринимающие элементы повернуты в положение по ветру и установка не работает, все потребители механической энергии - генераторы тока, насосы, компрессоры - обесточиваются.

Также на траверсах 4 могут быть установлены упругие элементы 6 или другие исполнительные механизмы, такие как шаговый двигатель, гидравлические регуляторы, центробежные эксцентры, соединенные с ветровоспринимающими элементами 2, обеспечивающие помощь захода на упоры 5 и, в случае их регулировки, улучшающие характеристики ветродвигателя за счет работы ветровоспринимающих элементов при встречном ветре.

Важным свойством воздействия упругих элементов 6 является обеспечение режима «старт ротора».

При снятии фиксации упоров 5 ветровоспринимающие элементы поворачиваются на ребро в положение флюгер. Это значит, что все ветровоспринимающие элементы перестают передавать энергию ветра валу ветродвигателя, что приведет его к полной остановке.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет увеличить коэффициент использования энергии ветра в сравнении с известными установками.

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

Установка проста в реализации, не требует дополнительных средств для приведения в рабочее положение ветровоспринимающих элементов.

Достоинством заявленной установки необходимо отнести установку ветровоспринимающих элементов, движущихся против ветра, занимая рабочее положение под действием самого ветра, без дополнительных затрат энергии внешних источников, что повышает КПД установки в сравнении с известными аналогами.

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

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

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая ветроколесо с осью вращения, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами, соединенными радиальными траверсами, которые жестко закреплены на оси вращения, отличающаяся тем, что ветровоспринимающие элементы закреплены на траверсах с возможностью свободного вращения, оси крепления ветровоспринимающих элементов в траверсах смещены относительно геометрического центра ветровоспринимающих элементов, на радиальных траверсах в пространстве между шарнирами и центром установлены ограничивающие угол поворота ветровоспринимающих элементов упоры, выполненные двухсторонними или регулируемыми с возможностью контролируемого сдвига.

2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что каждый ветровоспринимающий элемент присоединен к траверсе упругим элементом.