Ветроэнергетическая установка

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и представляет собой установку для преобразования энергии ветра в электрическую энергию, может использоваться для обеспечения электрической энергией малоэтажных жилых домов, хозяйственных построек, построек для временного проживания, зон отдыха и других. Также может найти применение в качестве переносного автономного источника электроэнергии в тех районах, где отсутствует доступ к сетям электроснабжения.
Из уровня техники известно устройство для производства энергии методом парашютного захвата (RU 2348831, МПК F03D 11/00, опубл. 10.03.2009 г.), содержащее установленную на поворотной оси систему концентратор-диффузор ветрового потока, образующую в продольном сечении сопло Лаваля, в узкой части которого установлено ветроколесо. Устройство снабжено каркасной рамой, на которой располагается ветроколесо, и имеющими возможность деформироваться каркасными кольцами, удерживающими ткань концентратора и диффузора, поворотная ось размещена перед концентратором и связана с ним стропами, обеспечивающими закрытие-открытие концентратора путем регулировки длины строп, при этом концентратор и диффузор выполнены скошенной формы таким образом, что верхние части концентратора и диффузора длиннее их нижних частей.
Недостатком известного устройства является неустойчивость и не безопасность конструкции за счет использования строп, а также малая мощность вырабатываемого электрического тока.
Устройство характеризуется сложностью снятия электрического заряда с генератора, находящегося постоянно в хаотичном движении в воздухе.
Использование данного устройства возможно только на открытом пространстве достаточно большой площади.
Из уровня техники также известна парусная ветроэнергетическая установка (RU 102695, МПК F03D 1/04, опубл. 10.03.2009 г.), состоящая из воздухоприемного устройства, постоянно поворачивающегося навстречу ветровому потоку, турбины и электрических генераторов, установка выполнена в виде конического конфузора, прямолинейной или криволинейной, приближенной к параболе формы, предназначенного для забора воздуха по площади его наибольшего сечения и многолопастной продольной турбины с горизонтальной или вертикальной осью вращения, направленной ортогонально направлению потока ветра, при этом конфузор устанавливается на круговой поворотной конструкции на поверхности земли или на определенной высоте от поверхности земли и непрерывно поворачивается навстречу ветровому потоку.
Недостатком данной установки является сложность ее конструктивного исполнения за счет наличия круговой поворотной конструкции в виде монорельса или рельсового пути, а также за счет применения системы автоматической ориентации конфузора, содержащей датчик направления ветра, привод ведущего колеса и привод открывающихся створок. Часть энергии, вырабатываемой ветрогенератором, расходуется на работу системы автоматической ориентации конфузора, что снижает энергоэффективность работы установки.
Размещение анкера для защиты от опрокидывания в центральной части установки, а также выполнение диаметра поворотной конструкции меньше ширины конфузора, во-первых, не обеспечивает достаточную устойчивость установки при сильных порывах ветра, а, во-вторых, затрудняет поворот конструкции для ее ориентирования по направлению ветра в связи с возникающими силами трения в круговой поворотной конструкции.
Кроме того, известная установка стационарна, требует предварительной подготовки фундамента для монтажа круговой поворотной конструкции, что значительно сужает область ее применения.
Также известна ветроэнергетическая установка (RU 202583, МПК F03D3/04, опубл. 25.02.2021), снабженная сборно-разборным каркасом, на котором закреплен, по крайней мере, один воздухозаборник, дополнительный воздухозаборник, стенки которого ориентированы под углом к каркасу, ветрогенератор, установленный на выходе воздухозаборника, поворотные планки и элементы, обеспечивающие перемещение установки, при этом узел крепления установки на опорной поверхности размещен впереди установки в области входного отверстия воздухозаборника.
Данная ветроэнергетическая установка выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Наличие дополнительного воздухозаборника увеличивает площадь поверхности соприкосновения ветроэнергетической установки с потоком воздуха, что повышает ее энергоэффективность, но при сильных порывах ветра в конструкции возникает избыточная парусность, которая может привести к повреждению установки и утрате ее работоспособности. Избыточная парусность изменяет направление поступающего потока воздуха, отводя его в сторону от установки, кроме того, отталкиваясь от стенок воздухозаборника, сильные порывы ветра поворачивают его в сторону от направления потока ветра, что значительно снижает КПД установки, в среднем до 50%.
Сложение частей дополнительного воздухозаборника при сильных порывах ветра требует участия двух и более человек, что естественно, снижает функциональность установки.
Задачей настоящей полезной модели является расширение арсенала мобильных ветроэнергетических устройств, обладающих повышенной энергоэффективностью.
Технический результат - создание мобильного ветроэнергетического устройства, характеризующегося высокой эффективностью преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию при слабых скоростях ветра за счет увеличения площади соприкосновения воздухоприемника установки с потоком ветра, а также при сильных порывах ветра за счет исключения избыточной парусности конструкции устройства.
Достижение заявленного технического результата в ветроэнергетической установке, состоящей из, по крайней мере, одного воздухоприемника, ветрогенератора, установленного на выходе воздуха из воздухоприемника, и элементов, обеспечивающих перемещение установки на опорной поверхности относительно узла крепления, размещенного впереди установки в области входного отверстия воздухоприемника, обеспечивается за счет того, что воздухоприемник представляет собой открытый по торцам канал, к торцевым сторонам которого присоединены боковые дефлекторы, выполненные с возможностью их складывания при сильных порывах ветра.
В частных вариантах реализации настоящей полезной модели достижение поставленной задачи осуществляется путем следующего.
Боковые дефлекторы имеют скругленную форму.
Боковые дефлекторы выполнены из нескольких дуг, концы которых соединены вместе с возможностью поворота дуг относительно друг друга.
На дуги боковых дефлекторов натянут гибкий упругий воздухонепроницаемый материал, который складывается вместе с дугами.
Боковые дефлекторы разъемно присоединены к каналу.
Боковые дефлекторы выполнены с возможностью перенаправления поступающего на них потока воздуха в канал.
Боковые дефлекторы снабжены элементами для обеспечения их фиксации в полностью сложенном и полностью раскрытом положениях.
Элементы, обеспечивающие перемещение установки, выполнены в виде роликовых элементов или колес.
Узел крепления установки на опорной поверхности выполнен в виде шарнирного соединения.
Ветроэнергетическая установка  выполнена сборно-разборной.
Ветроэнергетическая установка выполнена складной.
Введение в конструкцию боковых дефлекторов увеличивает площадь соприкосновения воздухоприемника установки с воздушным потоком, обеспечивает увеличение количества поступающего в канал воздухоприемника воздуха при слабом ветре и, как следствие, повышение мощности воздушного потока, поступающего на лопасти ветрогенератора, и выходной энергомощности установки.
Функцией боковых дефлекторов является увеличение входной площади воздухоприемника в поперечном направлении и перенаправление поступающего на дефлекторы ветрового потока в канал.
Выполнение боковых дефлекторов скругленной формы, сформированной дугами, соединенными вместе, обеспечивает наименьшее сопротивление поступающему потоку воздуха за счет обтекания воздуха по их внутренней поверхности, и соответственно наибольший захват воздуха внутрь канала.
Боковые дефлекторы выполнены с возможностью их полного складывания к торцевым сторонам канала воздухоприемника при сильном ветре, благодаря чему уменьшается площадь соприкосновения установки с воздушным потоком, что предотвращает избыточную нагрузку на конструкцию при сильных порывах ветра и, как следствие, исключает повреждение или разрушение установки. При этом потоки воздуха (ветра) не отводятся в сторону и не поворачивают конструкцию против ветра (как в прототипе), а направляются непосредственно в канал воздухоприемника, открытого спереди и с торцевых сторон, что позволяет максимально захватывать ветровой поток и повышает энергоэффективность (КПД) установки.
Сложение боковых дефлекторов обеспечивает аэродинамическую устойчивость установки в условиях порывистого действия ветровой нагрузки.
В случае изменения направления ветра, воздушный поток, ударяясь о внутреннюю или наружную  поверхность боковых дефлекторов воздухоприемника и поворотные планки (при их наличии), создает толкающую силу для поворота установки по направлению движения ветра. Повороту установки способствует расположение шарнирного соединения рамы  с опорной поверхностью в передней части установки, т.е. за центром масс. Таким образом, ветроэнергетическая установка всегда поворачивается воздухоприемником по направлению движения ветра, что повышает КПД установки.
Мобильность установки обеспечивается за счет выполнения ветроэнергетической установки сборно-разборной или складной, выполнения боковых дефлекторов с возможностью их складывания, выполнения боковых дефлекторов из дуг и гибкого материала, выполнения дефлекторов с возможностью их отсоединения от канала.
Настоящая полезная модель ниже поясняется конкретным примером ее реализации, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения заявленного технического результата.
Сущность заявляемой ветроэнергетической установки поясняется чертежами:
на фиг. 1 - общий вид ветроэнергетической установки (вид спереди);
на фиг. 2 - общий вид ветроэнергетической установки с местными сечениями в области узла крепления ее на опорной поверхности, в области расположения ветрогенератора, в области воздухоприемника (вид сбоку);
на фиг. 3 - общий вид ветроэнергетической установки в разложенном виде (вид сверху);
на фиг. 4 - общий вид ветроэнергетической установки в сложенном виде (вид сверху).
Ветроэнергетическая установка содержит воздухоприемник 1 (воздухоулавливатель).
Воздухоприемник 1 в преимущественном варианте выполнен сборно-разборным. Воздухоприемник 1 может быть выполнен складным.
Центральная часть воздухоприемника 1 представляет собой направляющий канал 2, открытый по торцам, прямой или сужающейся формы, ориентированный преимущественно горизонтально.
Канал 2 согласно одному из вариантов реализации образован сборно-разборным или складным каркасом и присоединенными к нему съемно панелями. В качестве материала панелей могут быть использованы листы полимерных, композитных материалов, ДСП, ЛДСП, металла, резины и других. Соединение панелей между собой и с каркасом может быть осуществлено с помощью крепежных средств: болтов, муфт, уголков, накладок и других. Панели канала 2 могут быть соединены между собой с использованием уплотнителей, например, резиновых или силиконовых уплотнителей.
Канал 2 согласно другому варианту реализации образован сборно-разборным или складным каркасом, к которому присоединен съемно или не съемно гибкий упругий воздухонепроницаемый материал. В качестве гибкого упругого воздухонепроницаемого материала использованы, например, пленка ПВХ, резина, армированная резина, парашютная ткань, парусная ткань, синтетическая ткань и другие материалы.
Каркас канала 2 съемно или не съемно установлен на раме 3.
К левому и правому торцам канала 2 присоединены боковые дефлекторы 4, предназначенные для увеличения площади соприкосновения установки с потоком воздуха (ветра). Боковые дефлекторы 4 воздухоприемника 1 в преимущественном варианте имеют складную форму.
Боковые дефлекторы 4 в предпочтительном варианте присоединены к каналу 2 разъемно.
Боковые дефлекторы 4 захватывают воздух с большой площади и перенаправляют его в канал 2.
Боковые дефлекторы 4 в предпочтительном варианте имеют скругленную форму. Дефлекторы выполнены из нескольких дуг 5 полукруглой формы, концы которых соединены вместе и присоединены к каркасу канала 2 с возможностью поворота дуг 5 относительно места их соединения 6. Одна или более одной дуги 5 присоединены к каркасу канала 2 с возможностью поворота дуг относительно друг друга и относительно канала 2. На дуги 5 натянут гибкий упругий воздухонепроницаемый материал 7, который складывается вместе с дугами 5 при сложении боковых дефлекторов 2. В качестве воздухонепроницаемого материала 7 могут быть использованы, например, пленка ПВХ, резина, армированная резина, парашютная ткань, парусная ткань, синтетическая ткань и другие материалы. Используемый воздухонепроницаемый материал 7 может обладать возможностью растягиваться и возвращаться в исходное состояние. Боковые дефлекторы 4 в предпочтительном варианте снабжены элементами для обеспечения фиксации дуг 5 в положениях от полностью сложенного до полностью раскрытого (на чертежах не показаны), и, как следствие, для фиксации дефлекторов 4 в полностью раскрытом и полностью сложенном состояниях.
Складывание боковых дефлекторов 4 при сильных порывах ветра или с целью транспортировки осуществляется вручную или автоматически.
Автоматическое складывание может быть осуществлено, например, посредством растяжек (на чертежах не показаны), соединяющих дуги 5 боковых дефлекторов 4 с узлом крепления 8 установки на опорной поверхности, снабженных магнитами или другими размыкающими приспособлениями, рассчитанными на определенную силу воздействия. При критических порывах ветра магниты размыкаются, растяжки отбрасываются и дуги 5, больше не удерживаясь в разложенном положении, складываются к каналу 2.
Складывание боковых дефлекторов 5 уменьшает площадь забора воздуха, что приводит к снижению сопротивления воздухоприемника 2 воздушному потоку, препятствуя разрушению конструкции установки при сильном ветре.
Когда боковые дефлекторы 4 сложены, торцевые стенки канала 2 оказываются открытыми для потока поступающего воздуха и отвода избыточного воздуха от лопастей ветрогенератора 9 в сторону.
Соединение конструктивных элементов воздухоприемника 1 может быть осуществлено с помощью уплотнителей, либо закрывающих щели планок (на чертежах не показаны).
Соединение конструктивных элементов ветроэнергетической установки может быть осуществлено с помощью, например, предохранительных зажимов, защелок (на чертежах не показаны), рассчитанных на определенную силу воздействия, обеспечивающих разъемное соединение элементов конструкции установки.
Центральный  канал 2 воздухоприемника 1 собирает поступающий напрямую в него и от боковых дефлекторов 4 воздушный поток, направляет и концентрирует его в области лопастей ветрогенератора 9, установленного на выходе из канала 2. Ветрогенератор 9 может быть установлен непосредственно в канале 2 или, например, посредством каркасной конструкции, обеспечивающей его крепление на раме или в канале 2 с возможностью беспрепятственного вращения его лопастей. Вместо ветрогенератора 9 на выходе из канала могут быть установлены лопасти или ветроколесо, связанные с ротором отдельно установленного электрического генератора. Лопасти могут быть выполнены из металла или пластика, в частности, полиэтилена низкой плотности. Ветрогенератор 9 может иметь несколько рядов лопастей как одинакового, так и разного размера, установленных на общей оси. Ветрогенератор 9 установлен с возможностью его съема (разборная конструкция для целей транспортировки).
В качестве материала каркаса канала 2, дуг 5 и рамы 3 могут быть использованы любые легкие, преимущественно, но не обязательно, упругие, материалы, например, металлические, композитные материалы, стеклопластик, алюминий и другие, обладающие необходимой прочностью к знакопеременным вертикальным и горизонтальным нагрузкам.
На выходе воздушного потока из ветрогенератора 9 может быть установлен диффузор (на чертежах не показан). Диффузор в преимущественном варианте выполнен в форме усеченного конуса, также он может иметь форму усеченной пирамиды. Диффузор может быть выполнен из материала малой толщины, например, листов полимерного материала или металла. Диффузор может быть выполнен с возможностью его отсоединения от установки, а также с возможностью его развертки с получением плоского листа, удобного для транспортировки.
Диффузор облегчает отвод воздуха из рабочей зоны ветрогенератора 9, снижая его турбулентность и сопротивление отводу.
Рама 3 для размещения на ней воздухоприемника 1 и ветрогенератора 9 в предпочтительном варианте выполнена горизонтальной. Рама 3 может быть выполнена сборно-разборной.
Рама 3 закреплена на опорной поверхности через узел крепления 8 с возможностью свободного вращения относительно места крепления. В качестве опорной поверхности могут быть использованы грунт (земля), фундамент, крыша здания, понтон или иное плавающее сооружение (размещение ветроэнергетической установки на основании на водной поверхности), а также иные ровные поверхности.
Узел крепления 8 рамы 3 на опорной поверхности может быть выполнен в виде шарнирного соединения.
Шарнирное соединение установки с опорной поверхностью обеспечивает возможность поворота установки и ориентирования воздухоприемника 1 по направлению ветра.
В преимущественном варианте исполнения узел крепления 8 рамы 3 на опорной поверхности размещен перед установкой в области входного отверстия воздухоприемника 2 по центральной оси симметрии установки.
Рама 3 снабжена элементами 10, обеспечивающими возможность перемещения (вращения) установки относительно узла крепления 8 ее на опорной поверхности, выполненными в виде роликов или колес. Количество роликовых элементов или колес в преимущественном варианте исполнения - два. Количество роликовых элементов или колес в зависимости от габаритов установки может быть более двух.
Конструкция ветроэнергетической установки может быть снабжена поворотными планками (на чертежах не показаны). В преимущественном варианте поворотные планки ориентированы под углом к вертикальной и/или горизонтальной оси.
Поворотные планки могут быть выполнены с возможностью изменения их положения относительно горизонтальной и/ или вертикальной осей. Поворотные планки выполнены из легкого и прочного материала, например, алюминия, композитного или полимерного материала, или других материалов. Поворотные планки помогают осуществить поворот ветроэнергетической установки для ориентирования ее по ветру в случае изменения направления ветра.
Заявляемая ветроэнергетическая установка может содержать несколько воздухоприемников 1 с ветрогенераторами 9, соединенных друг с другом разъемно и  установленных, например, друг над другом.
Предлагаемая установка работает следующим образом.
Ветроэнергетическую установку собирают и через шарнирное соединение 8 устанавливают на ровной опорной поверхности, обеспечивающей возможность беспрепятственного качения по ней роликовых элементов или колес 10.
Воздушный поток, попадая в канал 2 и на боковые дефлекторы 4 воздухоприемника 2, направляется к лопастям ветрогенератора 9. Под давлением воздушного потока лопасти приводятся в движение и передают механическое усилие через вал и редуктор на вал ротора генератора. За счет вращения ротора вырабатывает переменный электрический ток, поступающий далее через, например, контроллер на аккумуляторы или напрямую к потребителю. После прохождения через лопасти ветрогенератора 9 поток воздуха устремляется к диффузору, где расширение воздушного канала создает дополнительную тягу.
В случае изменения направления ветра, воздушный поток, ударяясь о внутреннюю или наружную  поверхность боковых дефлекторов 4 воздухоприемника 1 и поворотные планки (при их наличии), создает толкающую силу для поворота установки по направлению движения ветра. Повороту установки способствует расположение шарнирного соединения 8 рамы 3 с опорной поверхностью в передней части установки, т.е. за центром масс. Таким образом, ветроэнергетическая установка всегда поворачивается по направлению движения ветра.
При сильных порывах ветра боковые дефлекторы 4 воздухоприемника 1 складываются к каналу 2 (гармошкой) либо автоматически, либо в ручную. При этом поток воздуха поступает напрямую в канал 2 воздухоприемника 1. Сложение боковых дефлекторов 4 воздухоприемника 1 препятствует разрушению конструкции установки при сильном ветре.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка характеризуется простотой конструкции, возможностью ее сборки-разборки и транспортировки к месту использования, что позволяет ей найти широкое применение для электропитания частных домов, складов, хозяйственных помещений и иных индивидуальных построек.
Ветроэнергетическая установка обладает повышенной надежностью в эксплуатации, технологична в изготовлении, может быть произведена в условиях отечественной промышленности с использованием известного оборудования, материалов и технологий.
Использованные в этом описании термины и словосочетания: «содержит», «содержащий», «в преимущественном варианте», «преимущественно», «в частности», «может быть» и их варианты, не должны интерпретироваться как исключающие присутствие других материалов, частей, элементов конструкции, действий.