ПАРУСНАЯ ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ ВЕТРОСИЛОВАЯ ТУРБИНА
SAIL HORIZONTAL WIND-DRIVEN TURBINE

Настоящее изобретение относится к ветроэнергетике.
Парусная горизонтальная ветросиловая турбина содержит стационарный корпус здания, которое состоит из двух параллельных стен значительной протяженности, имеющих вдоль стен, с наружных сторон, отсыпку грунта под углом в 30° к горизонту.
Крыша здания выполнена в виде навеса ромбообразного сечения, служит для защиты турбины от атмосферного воздействия и используется как средство для направления, ускорения и уплотнения воздушного потока.
В здании горизонтально установлен ротор с возможностью вращения на валу ротора. На валу ротора жестко закреплены две боковины, представляющие из себя четырех-, пяти- или шестилучевые звездочки, концы лучей которых соединены наружными трубчатыми балками, а внутри боковины ротора соединяются внутренней балкой в виде трубы большого диаметра, соосной с валом ротора и образующей жесткий каркас ротора.
В зависимости от длины вала ротора ротор дополнительно имеет кольцевые обода, центрируемые и регулируемые талрепами и служащие для поддержки, на роликовых опорах, всей конструкции ротора.
Ротор имеет 4, 5 или 6 элементов радиальных лопастей, состоящих из ряда парусов, закрепленных на валу ротора шарнирно в наружной и внутренней балках. Элементы радиальных парусов расположены на равных расстояниях друг от друга. Каждый элемент радиальных парусов содержит опорные шарниры, каркас и парус. Ветровая лопасть имеет такую форму, чтобы захватывать поток воздуха, направленный на нее, с любого направления путем изменения угла атаки парусов, что вызывает перемещение лопасти и возникновение вращающей силы на валу ротора. В результате чего ротор вращается относительно своей продольной оси.
Элементы радиальных парусов шарнирно соединены между собой, на своих внутренних концевых участках осей вращения, при помощи рычагов с управляющей тягой. Управляющие тяги для каждой лопасти имеют на концах ролики. Ролики располагаются между управляющими дисками. Управляющие диски плотно прижимаются к роликам домкратами с гидравлическим либо винтовым приводом. Диски приводятся в движение синхронно в автоматическом режиме по команде от датчика направления и силы ветра, обеспечивая парусам оптимальный угол атаки. Также каждая лопасть может иметь индивидуальный электропривод управления парусами. Диски управления, воздействуя через ролики на тягу управления, при изменении направления ветра изменяют угол атаки парусов в активной фазе на оптимальный при умеренных ветрах и снижают парусность до нулевой при ураганных ветрах. Нулевая парусность устанавливается также и при пассивной фазе движения парусов.
При направлении ветра параллельно оси вращения ротора парусная горизонтальная ветросиловая турбина переходит в режим работы как винтовая. При этом незначительно будет снижаться эффективность работы парусов, но именно поэтому, для обеспечения постоянной мощности при любых направлениях ветра, предусматривается одновременное использование пары установок с расположением их на местности под углом 90° относительно друг друга и на расстоянии, исключающем создание ветровой тени.
Длина парусной ветросиловой турбины может быть увеличена соединением нескольких отдельных концевых и промежуточных секций. Для удобства ремонта, осмотра и обслуживания внутренняя балка ротора может иметь монтажные окна.
Парусная горизонтальная ветросиловая турбина по настоящему изобретению предлагает несколько преимуществ:
- может быть установлена на горизонтальных или наклонных поверхностях;
- имеет горизонтальную конфигурацию;
- имеет модульную конфигурацию (бок о бок);
- конструкция укрытия защищает от атмосферных осадков;
- имеет лопасти, состоящие из управляемых парусов, регулируемые так, чтобы увеличить парусность максимально или снизить до нулевой;
- каждая секция турбины имеет длину 100 метров (однако этот размер может меняться);
- конструкция имеет высокую прочность;
- малая высота конструкции упрощает доступ к компонентам;
- может быть установлена на пустынных, горных участках, не пригодных для сельскохозяйственного использования;
- при заданном размере конструкции не используется спецтранспорт для перевозки крупногабаритных элементов конструкции и при сборке не требуется специальная высотная техника;
- может генерировать энергию при скорости ветра ниже 5 м/с, что составляет около 80% ветров в некоторых районах;
- способна противостоять ветрам со скоростью более 50 м/с;
- использование установок в паре обеспечивает стабильную работу при любом направлении ветра и улучшает эффективность генерации энергии;
- использование установок в паре позволяет проводить регламентные работы, ремонт и обслуживание поочередно без полной остановки генерации;
- конструкция установки легко доступна для технического обслуживания;
- в случае повреждения паруса он может быть легко заменен;
- разборка конструкции установки возможна без привлечения спецтехники;
- простое техническое обслуживание;
- низкая стоимость;
- общий размер может регулироваться для конкретных условий применения;
- простота изготовления;
- может переносить штормовые порывы ветра и воздействие ударной волны;
- установки с малой, средней и большой мощностью могут быть сконструированы по одной концепции, просто путем соответствующего масштабирования компонентов;
- запасные части легко доступны и могут быть получены в течение короткого времени;
- установка содержит контроллер для управления упомянутой парусной горизонтальной ветросиловой турбиной в автоматическом режиме;
- контроллер обеспечивает оптимальные углы атаки парусов в активной фазе движения и снижает ее парусность до нулевой при пассивном движении, а также содержит датчики, прикрепленные к упомянутому контроллеру для контроля скорости, направления потока воздуха, шума и вибрации.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к парусной горизонтальной ветросиловой турбине большой мощности с повышенной устойчивостью к разрушающей силе ветра, предназначенной для преобразования кинетической энергии ветра в механическую и генерации электроэнергии.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известны различные ветродвигатели и ветроколеса как винтового, так и парусного действия, однако для ветродвигателей и ветроколес винтового действия в погоне за мощностью требуется сооружение все более высоких башен или мачт, достигающих сотен метров, тогда как направление и сила ветра в разных по высоте слоях атмосферы могут значительно отличаться.
При этом снижается устойчивость и увеличивается вероятность создания серьезных аварийных ситуаций при разрушающей силе ветра. Кроме того, они имеют ограниченный диапазон от начала работы, повышенный уровень создаваемого шума, создают опасность для стай птиц и летательных аппаратов, требуют большой охранной территории и др.
Поэтому более предпочтительным является использование безопасных ветровых турбин (ветроколес) парусного действия с горизонтальным валом, при использовании которых устраняются указанные недостатки.
Турбины парусного действия сравнительно с винтовыми могут быть большей мощности и при этом значительно устойчивее к разрушительной силе ветра.
При изменении направления ветра изменяется, в автоматическом режиме, только угол атаки парусов. Вся установка стационарна и остается на местности неподвижной.
При направлении ветра параллельно оси вращения ротора ветротурбина переходит в режим работы как винтовая. При этом незначительно будет снижаться эффективность работы парусов, но именно поэтому, для обеспечения постоянной мощности при любых направлениях ветра, предусматривается одновременное использование пары установок с расположением их на местности под углом 90° относительно друг друга и на расстоянии, исключающем создание ветровой тени.
Наиболее близкой к предлагаемой является горизонтальная ветросиловая турбина по патенту №2539945, автор патента КУИНТАЛ Реджин.
Турбина, раскрытая в этом патенте, малой мощности. При изменении направления ветра подразумевается разворот всей установки на платформе неизвестной конструкции, не имеет механизма изменения угла атаки лопастей, лопасти в неактивной фазе движения, создают тормозящий эффект.
Enercon Е-126 - ветрогенератор производства немецкой компании Enercon. Полная высота - 198 м, а установка ВСУ допускается на расстоянии не менее 5 их высот от ближайших жилых строений. Мощность энергоустановки стоимостью 11 млн. евро составляет 7,58 МВт, и она имеет штормовое ограничение скорости ветра в 34 м/с. При превышении данной скорости установка будет разрушена. Срок эксплуатации составляет около 10-20 лет.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Характерной особенностью настоящего изобретения является обеспечение парусной горизонтальной ветросиловой турбины, в которой в значительной мере преодолены недостатки существующих горизонтальных ветровых турбин, упомянутые выше.
Другой особенностью настоящего изобретения является обеспечение парусной горизонтальной ветросиловой турбины, отличающейся тем, что конструкция ротора имеет уникальную форму, что позволяет работать как при очень низких, так и очень высоких скоростях ветра.
Другой особенностью настоящего изобретения является обеспечение парусной горизонтальной ветросиловой турбины, которая может работать при любых направлениях ветра без перемещения турбины.
Другой особенностью настоящего изобретения является обеспечение парусной горизонтальной ветросиловой турбины, для монтажа которой не требуется высотная спецтехника и для обслуживания не требуется персонал высокой квалификации.
Другой особенностью настоящего изобретения является обеспечение парусной горизонтальной ветросиловой турбины, которая может управляться автоматически модулем программируемого контроллера.
Другой особенностью настоящего изобретения является обеспечение парусной горизонтальной ветросиловой турбины, которая может быть соединена последовательно из боковых и промежуточных секций, расположенных друг за другом.
Другой особенностью настоящего изобретения является обеспечение парусной горизонтальной ветросиловой турбины, имеющей конструктивно расположенную крышу ромбообразного сечения и отсыпку грунта вдоль стен, которые обеспечивают уплотнение и ускорение потока воздуха, входящего в турбину.
В соответствии с особенностями, перечисленными выше, настоящее изобретение в широком смысле обеспечивает парусную горизонтальную ветросиловую турбину, включающую в себя стационарный корпус здания и средство направления потока воздуха. В здании горизонтально установлен ротор с возможностью вращения. Ротор имеет 4 или более элементов радиальных лопастей, состоящих из парусов, закрепленных на валу ротора шарнирно в наружных и внутренней балках. Элементы радиальных парусов расположены на равных расстояниях друг от друга. Каждый элемент радиальных парусов содержит опорные шарниры, каркас и парус. Ветровая лопасть имеет такую форму, чтобы захватывать поток воздуха, направленный на нее, с любого направления путем изменения угла атаки парусов, что вызывает перемещение лопасти и возникновение вращающей силы на валу ротора. В результате чего ротор вращается относительно своей продольной оси.
Элементы радиальных парусов шарнирно соединены между собой на своих внутренних концевых участках осей вращения при помощи рычагов с управляющей тягой. Управляющие тяги для каждой лопасти имеют на концах ролики, зажатые между управляющими дисками. Диски приводятся в движение синхронно в автоматическом режиме по команде от датчика направления и силы ветра, обеспечивая парусам оптимальный угол атаки. Крыша ромбообразного профиля служит для защиты сооружения от атмосферных осадков и служит как средство направления, ускорения и уплотнения потока воздуха в рабочий воздушный проем, чтобы воздействовать на ветровые лопасти. В результате чего ветровые лопасти смещаются под действием аэродинамического сопротивления. При направлении ветра вдоль оси вращения ротора воздушные массы проникают через торцевые проемы здания установки, и ветросиловая турбина работает как винтовая.
В одном конкретном варианте осуществления упомянутая ветросиловая турбина может соединяться посредством полумуфт из модулей при сборке в виде последовательно соединенных турбин, расположенных друг за другом.
Еще в одном конкретном варианте осуществления паруса могут быть исполнены из пластика, усиленного ребрами жесткости.
Еще в одном конкретном варианте осуществления две или несколько упомянутых ветросиловых турбин, при сложном рельефе и невозможности расположения модулей на одной линии, располагают бок о бок с соединением их валов роторов при помощи гибкой связи для образования единого вала ротора, приводимого в движение упомянутыми двумя или несколькими ветросиловыми турбинами.
Еще в одном конкретном варианте осуществления упомянутая парусная ветросиловая установка может быть использована для безредукторной генерации электроэнергии.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание особо прочной стационарной ветроустановки, способной сохранять работоспособность при любом ветре, по мощности превышающей все известные аналоги за счет использования парусов большой площади, с возможностью безредукторной генерации электроэнергии.
Данная задача решается за счет того, что заявленное изобретение - парусная горизонтальная ветросиловая турбина - представляет собой наземное сооружение с размещаемым внутри ротором, который собирается из концевых и промежуточных секций и может достигать значительной длины с возможностью размещения на валу ротора большой площади парусов и соответственно захвата значительных масс воздуха, при этом нижняя, неактивная часть парусов скрывается от набегающего потока воздуха стенами, имеющими 30° отсыпку грунта вдоль стен для снижения уровня нежелательных вихревых потоков и ромбообразного профиля крышу, снижающую воздействие атмосферных осадков и, совместно с отсыпкой грунта, способствующую уплотнению воздушного потока.
Средняя часть ротора, имея кольцевые обода на каждой промежуточной секции, опирается ими на поддерживающие роликовые опоры.
Ротор имеет не менее 4 лопастей, каждая из которых состоит из ряда парусов на упругих пластиковых каркасах трапециевидной формы с возможностью вращаться относительно собственной продольной оси в шарнирах наружных и внутренней трубчатых балок жесткого каркаса ротора, при этом каждая ось каркаса паруса во внутренней балке заканчивается рычагом. Все рычаги каждой лопасти шарнирно соединяются с управляющей тягой, которая имеет на концах ролики, упирающиеся в диски управления.
Диски управления шарнирно удерживаются домкратами и двигаются синхронно и, воздействуя через ролики на тягу управления, при изменении направления ветра изменяют угол атаки парусов в активной фазе на оптимальный при умеренных ветрах и снижают парусность до нулевой при ураганных ветрах. Нулевая парусность устанавливается также и при пассивной фазе движения парусов.
При направлении ветра параллельно оси вращения ротора парусная горизонтальная ветросиловая турбина переходит в режим работы как винтовая. При этом незначительно будет снижаться эффективность работы парусов, но именно поэтому, для обеспечения постоянной мощности при любых направлениях ветра, предусматривается одновременное использование пары установок с расположением их на местности под углом 90° относительно друг друга и на расстоянии, исключающем создание ветровой тени.
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ
Достигаемый технический результат заключается в оптимальном использовании больших масс воздуха одной установкой, повышении удобства и безопасности монтажа, технологичности и простоте сборки из секций установок различной мощности, высокой механической прочности всех элементов конструкции, низком уровне шума при работе, удобстве и доступности для ремонта и обслуживания, обеспечении безопасной и эффективной эксплуатации в случае ураганной силы ветра без необходимости затормаживания, возможности использования для безредукторной генерации электроэнергии с низкой себестоимостью, а также высокой надежности и длительном сроке эксплуатации установки.
Сущность изобретения парусной горизонтальной ветросиловой турбины поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:
На фиг. 1 - вид сбоку на парусную горизонтальную ветросиловую турбину.
На фиг. 2 - фронтальный вид.
На фиг. 3 - вид сверху.
На фиг. 4 - механизм управления парусами.
На фиг. 5 - поперечный разрез А-А на фиг. 2.
На фиг. 6 - парус.
На фиг. 7 - расположение пары парусных горизонтальных ветросиловых турбин на местности.
Работает парусная горизонтальная ветросиловая турбина следующим образом.
Ротор турбины размещается в стационарном сооружении, состоящем из двух параллельных стен 4 значительной протяженности и имеющем вдоль стен с наружных сторон отсыпку грунта насыпь 8 под углом в 30° к горизонту, снижающую образование вихревых потоков.
Крыша 5 в виде навеса ромбообразного сечения прикрывает сооружение от атмосферных осадков и, совместно с насыпью 8, способствует частичному уплотнению и ускорению набегающего воздушного потока.
В пространстве под крышей 5 между стенами 4 располагается вал ротора 1, на котором жестко закреплены две боковины 2, представляющие из себя четырех-, пяти- или шестилучевые звездочки, концы лучей которых соединены наружными трубчатыми балками 9, а внутри боковины соединяются внутренней балкой 10 в виде трубы большого диаметра, соосной с валом ротора 1 и образующей жесткий каркас, который, в зависимости от длины вала ротора, дополнительно может иметь один (или более) кольцевой обод 7, центрируемый и регулируемый талрепами 16 и служащий для поддержки роликовыми опорами 11 всей конструкции ротора, имеющей 4, 5 или 6 лопастей, состоящих из ряда парусов 3, закрепленных на упругих пластиковых каркасах 19, способных свободно вращаться вдоль своей оси в шарнирах наружных балок 9 и в шарнирах внутренней балки 10, проходя сквозь которую, оси парусов заканчиваются рычагами 18, шарнирно объединенными тягами управления 17, которые имеют на концах ролики 15, подпираемые с двух сторон дисками управления 14, шарнирно связанными с управляющими домкратами 13, которые работают синхронно по сигналу от датчика силы и направления ветра 20, изменяя угол атаки и парусность парусов от максимальной до нулевой, обеспечивая постоянные и равномерные обороты ротора.
При направлении ветра параллельно оси вращения ротора ветротурбина переходит в режим работы как винтовая. При этом незначительно будет снижаться эффективность работы парусов, но именно поэтому, для обеспечения постоянной мощности при любых направлениях ветра, предусматривается одновременное использование пары установок с расположением их на местности под углом 90° относительно друг друга и на расстоянии, исключающем создание ветровой тени.
Парусная горизонтальная ветросиловая турбина предусматривает возможность выработки электроэнергии безредукторным способом. При этом может использоваться тихоходный генератор большого диаметра.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Проведя сравнительный анализ с одним из самых мощных ветрогенераторов Enercon Е-126, можно определить, что суммарная площадь трех его лопастей около 100 м. кв.
Учитывая, что при скорости 20 м/с ветер давит на поверхность с усилием в 50 кг/м.кв., получаем, что давление на лопасти достигает значения в 5 тонн.
При размерах лопасти парусной горизонтальной ветросиловой турбины 10×100=1000 м.кв. сила давления ветра достигает значения 50 тонн.
При этом крутящий момент у Enercon Е-126 будет около 1500 КНм, а у парусного ротора - 2500 КНм.
Известно, что КИЭВ винтовых ветроустановок достигает 30%, а роторных - 20%. Но даже десятипроцентное преимущество винтовых ВЭУ не делает их более перспективными, так как дальнейшее увеличение их высоты связанно с большими трудностями и находится на пределе технических возможностей, а увеличение размеров парусной горизонтальной ветросиловой турбины не вызывает проблем.