ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА "КАРУСЕЛЬ" (ВАРИАНТЫ)

Заявляемое техническое решение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам, использующим энергию ветровых потоков для преобразования кинетической энергии потока воздуха в механическую, в частности, к турбинам с вертикальной осью вращения.
В настоящее время в мире за счет использования ветра производится около 2% всей получаемой энергии. Это немного, однако в ближайшем будущем произойдет значительный рост производства электроэнергии с помощью ветра. Ожидается, что в США около 5% всей электроэнергии будет производиться на ветрогенераторах, в Дании этот показатель достигнет около 20%, а в Индии - 10% (Интернет-ресурс. Коммунальный комплекс России. Ветроэнергетика большая и малая. №5, май, 2009).
Известен ветряной двигатель, содержащий корпус в виде рамки, к которому шарнирно прикреплены экраны в виде горизонтально расположенных планок, также шарнирно прикрепленных к вертикальной штанге, одним из концов которой контактирует с кулачковым диском, который жестко соединяется с поворотным крылом, а к каждой планке с помощью упругого элемента крепятся дополнительные планки (см. патент №2231683, F03D 3/06, 2002 г.). [1]
Недостатком известного ветродвигателя является сложность конструкции и невысокий КПД.
Известна ветроустановка, содержащая ротор, кинематически связанный с нагрузкой, при этом вертикально расположенные лопасти ротора механически соединены с его вертикальным валом с возможностью совместного вращения вокруг его вертикальной оси и одновременно одностороннего отклонения от вертикального положения, при этом ротор содержит ограничители отклонения, обуславливающие возможность отклонения лопастей ротора только в одну сторону и определяющие направление вращения вала с лопастями (см. патент №2276285, F03D 3/06, 2001 г.). [2].
Недостатком известной ветроустановки является сложность конструкции и невысокий КПД.
Общим недостатком существующих турбин является их сложность и низкий коэффициент полезного действия. Причиной низкого КПД существующих турбин является недостаточно эффективное использование набегающего потока рабочими органами турбины, а также то, что одна половина ротора турбины движется навстречу потоку и, тем самым, тормозит вращение ротора.
Известна поперечная турбина, содержащая вал, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с потребителем получаемой энергии, ротор с рабочими элементами, закрепленными на валу с возможностью совместного вращения, а так же ограничители, рабочие элементы выполнены в виде верхнего и нижнего дисков, жестко закрепленных на валу, и жестко прикрепленных к ним кронштейнов, задающих диаметр ротора, на внешних концах которых шарнирно закреплены рабочие плоскости с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и расположения их вдоль потока при холостом ходе, при этом рабочие плоскости выполнены в виде рамок, причем на верхних и нижних образующих рамок закреплены гибкие элементы в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму (см. патент №64710, F03D 3/06, 2007 г.). [3].
Однако в известной турбине вертикально расположенный вал имеет опору только в нижней части. При этом вал работает на изгиб. При большой высоте вала может проявиться усталость металла и, как следствие, разрушение вала. Это ограничивает единичную мощность турбины при вертикальном расположении вала.
Поперечная турбина по патенту №64710 по совокупности признаков является наиболее близкой к заявляемому техническому решению.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в увеличении эффективности ветроэнергетической установки с вертикальным расположением вала и в повышении ее надежности.
Технический результат достигается за счет того, что в ветроэнергетической установке по варианту 1, содержащей вертикальный вал, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с потребителем получаемой энергии, ротор с рабочими элементами, закрепленными на валу с возможностью совместного вращения, на которых шарнирно закреплены рабочие плоскости с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и расположения их вдоль потока при холостом ходе, при этом на рабочих плоскостях закреплены гибкие элементы в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму, согласно полезной модели ротор выполнен в виде жесткой пространственной призматической конструкции, опирающейся на кольцевой рельс, ребра которой балками жестко соединены с валом, при этом рабочие плоскости подвижно установлены на балках, причем ребра снизу снабжены опорными колесами, установленными на кольцевом рельсе, закрепленном в стойках.
При этом ротор ветроэнергетической установки выполнен в виде шестигранной призмы.
При этом ветроэнергетической установка снабжена поддерживающими роликами.
При этом в ветроэнергетической установке рабочие плоскости с парусами закреплены ярусами по высоте ротора.
При этом в ветроэнергетической установке рабочие плоскости с парусами закреплены рядами по периметру ротора
При этом в ветроэнергетической установке балки выполнены выступающими за пределы конструкции и с установленными на них дополнительными рабочими плоскостями.
При этом ветроэнергетическая установка сверху снабжена крышей с отогнутыми вверх краями.
При этом ветроэнергетическая установка снизу снабжена крышей с отогнутыми вниз краями.
Технический результат достигается также за счет того, что в ветроэнергетической установке по варианту 2, содержащей вертикальный вал, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с потребителем получаемой энергии, ротор с рабочими элементами, закрепленными на валу с возможностью совместного вращения, на которых шарнирно закреплены рабочие плоскости с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и расположения их вдоль потока при холостом ходе, при этом на рабочих плоскостях закреплены гибкие элементы в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму, согласно полезной модели ротор выполнен в виде жесткой пространственной призматической конструкции, опирающейся на кольцевой рельс, ребра которой балками жестко соединены с валом, при этом рабочие плоскости подвижно установлены на балках, причем ребра снизу снабжены опорными колесами, установленными на кольцевом рельсе, закрепленном в стойках, при этом на внешней стороне ротора закреплено жесткое плоское кольцо, покрытое с двух сторон фрикционным материалом, причем к кольцу плотно прилегают колеса, также покрытые фрикционным материалом, причем одно из колес закреплено на валу, который соединен с валом редуктора, а второе колесо соединено с парой шестерен, передающих усилие вал.
При этом кольцо снабжено стабилизирующими роликами и подпружинено. Технический результат достигается также за счет того, что в ветроэнергетической установке по варианту 3, содержащей вертикальный вал, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с потребителем получаемой энергии, ротор с рабочими элементами, закрепленными на валу с возможностью совместного вращения, на которых шарнирно закреплены рабочие плоскости с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и расположения их вдоль потока при холостом ходе, при этом на рабочих плоскостях закреплены гибкие элементы в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму, согласно полезной модели ротор выполнен в виде жесткой пространственной призматической конструкции, опирающейся на кольцевой рельс, ребра которой балками жестко соединены с валом, при этом рабочие плоскости подвижно установлены на балках, причем ребра снизу снабжены опорными колесами, установленными на кольцевом рельсе, закрепленном в стойках, при этом на внешней стороне ротора закреплено жесткое плоское кольцо, снабженное рядами отверстий, выполненное с возможностью зацепления с шипами плотно прилегающего к кольцу барабана, передающего вращение на вал.
Из уровня техники не обнаружен аналог, совокупность признаков которого идентична всем признакам, содержащимся в независимом пункте предложенной формулы полезной модели.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая ветроэнергетическая установка отличается совокупностью существенных признаков.
Таким образом, заявляемая конструкция ветроэнергетической установки отвечает критерию «новизна».
Заявляемая ветроэнергетическая установка отличается надежностью и долговечностью отдельных узлов и изделия в целом, экологической безопасностью и простотой конструкции.
Заявляемая конструкция не нуждается в механизме поворота и не зависит от направления ветра.
Данная конструкция полностью укрыта от атмосферных осадков и позволяет регулировать обороты турбины, защищает турбину от шквалистого ветра и обледенения.
Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемую полезную модель.
Фиг.1 - общая схема ветроэнергетической установки по варианту 1 (разрез по А-А на фиг.3).
Фиг.2 - схема призматического ротора ветроэнергетической установки.
Фиг.3 - схема работы ветроустановки при прохождении ветра (вид сверху).
Фиг.4 - общая схема ветроэнергетической установки по варианту 2 (вид спереди).
Фиг.5 - схема установки прижимных роликов 22 и колес 16, 17 на диске 15 (вариант 2).
Фиг.6 - схема диска 15 с отверстиями по варианту 3.
Фиг.7 - схема барабана с шипами по варианту 3.
Ветроэнергетическая установка «Карусель» представляет собой пространственную конструкцию, опирающуюся на кольцевой рельс (фиг.1).
Каркас заявляемой установки представляет собой жесткую пространственную призматическую конструкцию, например, шестигранную призму (рис.2). Через центр этой конструкции проходит вертикальный вал 1 (рис.1, 3), закрепленный в подшипниках с возможностью вращения вокруг своей оси. Нижний конец его механически соединен с передающим крутящий момент элементом 10, например, редуктором, который соединен с потребителем получаемой механической энергии 11. Ребра 2 призматической конструкции жестко соединены с балками 3, которые в свою очередь жестко соединены с валом 1.
На балках 3 подвижно установлены рабочие плоскости 4. Рабочие плоскости 4 представляют собой жесткие рамки 9, на которых закреплены гибкие элементы в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму. В качестве гибких элементов могут служить полотнища из эластичного материала.
Рамки 9 закреплены на балках шарнирно с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и могут менять свое положение под действием воздушного потока, располагаясь вдоль потока при холостом ходе (рис.3). Балки 3 могут выступать за пределы конструкции. Это позволяет устанавливать дополнительные рабочие плоскости 4 и тем самым, увеличивать мощность установки. В рабочем положении рамки 9 опираются на балки 3 и передают энергию ветра на ось 1, и через редукторы 10 на электрический генератор 11. В качестве вала может служить металлическая турбина. Вал может быть из дерева. Также из дерева могут быть выполнены и рамки 9.
Ребра 2 снизу снабжены опорными колесами 5 (роликами), опирающимися на кольцевой рельс 6, жестко закрепленный в стойках 7. Для предотвращения опрокидывания конструкции служат поддерживающие ролики 8.
Призматическая конструкция 1 образует ротор, совершающий вращательное движение вокруг оси 1, опираясь при этом на кольцевой рельс 6.
Для увеличения мощности ветроэнергетической установки необходимо увеличить площадь рабочих поверхностей. При этом высоту и ширину парусов рационально увеличивать до разумных пределов.
Ограничивающим фактором является прочность парусов, а также процесс перехода из рабочего положения в холостое (в связи с возникновением паразитных усилий). Для снижения отрицательных факторов, большие рабочие плоскости турбины желательно изготавливать из отдельных парусов. Для этого паруса крепятся в несколько ярусов по высоте ротора и в несколько рядов по периметру ротора (фиг.1).
Таким образом, общая площадь рабочих плоскостей будет большой и соответственно, будет большая мощность ветроэнергетической установки.
Предлагаемую установку можно построить на уровне земли. Но поскольку приземный воздушный поток имеет пониженную скорость, то целесообразно строить установку на стойках 7. Под установкой расположен машинный зал. Машинный зал укрыт крышей 12, крыша 12 имеет юбку 13, образованную отогнутыми краями крыши. Юбка направляет приземный воздушный поток на турбину установки.
Сверху установка укрыта крышей 14, края которой отогнуты вверх. Это позволяет концентрировать воздушный поток и направлять на турбину. Крыша 14 вращается вместе с ротором.
Совместно обе крыши 12 и 14 создают аэродинамический канал, в котором будет течь сформированный воздушный поток. Этот поток будет иметь несколько большую скорость (по сравнению с окружающими потоками) и меньшую турбулентность. Это благоприятно отразится на работе установки. Под крышей она будет защищена от атмосферных осадков и иных неблагоприятных погодных явлений. Это повысит надежность работы ветроэнергетической установки.
Для стока дождевой воды установка снабжена водосточными трубами, закрепленными на ребрах 2.
Установка может работать при слабом ветре. Имеет низкие обороты. Размер установки произвольный. Установка может иметь ротор турбины диаметром в несколько метров, может быть диаметром 30 м и более.
2
Для получения энергии в промышленных масштабах оптимальным будет диаметр турбины 25-30 м, высота 8-10 м, рабочая площадь 100-150 м. При столь больших размерах турбины сложно жестко соединить вал 1 турбины и вал редуктора 10. Поэтому целесообразно применить карданный вал.
Возможны другие варианты выполнения ветроэнергетической установки при передаче энергии ветра на вал электрогенератора.
В заявляемой ветроэнергетической установке по варианту 2 каркас аналогично варианту 1 представляет собой жесткую пространственную призматическую конструкцию, например, шестигранную призму (рис.1). Через центр этой конструкции проходит вертикальный вал 1 (рис.4), закрепленный в подшипниках с возможностью вращения вокруг своей оси. Нижний конец его механически соединен с передающим крутящий момент элементом 19, например, редуктором, который соединен с потребителем получаемой механической энергии, например, электрогенератором. Ребра 2 призматической конструкции жестко соединены с балками 3, которые в свою очередь жестко соединены с валом 1.
На балках 3 подвижно установлены рабочие плоскости 4. Рабочие плоскости 4 представляют собой жесткие рамки 9, на которых закреплены гибкие элементы в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму. В качестве гибких элементов могут служить полотнища из эластичного материала.
Рамки 9 закреплены на балках шарнирно с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и могут менять свое положение под действием воздушного потока, располагаясь вдоль потока при холостом ходе (рис.3). В рабочем положении рамки 9 опираются на балки 3 и передают энергию ветра на ось 1, и через редуктор 10 на электрический генератор 11. В качестве вала может служить металлическая турбина. Вал может быть из дерева. Также из дерева могут быть выполнены и рамки 9.
Ребра 2 снизу снабжены опорными колесами 5 (роликами), опирающимися на кольцевой рельс 6, жестко закрепленный в стойках 7. Для предотвращения опрокидывания конструкции служат поддерживающие ролики 8.
Призматическая конструкция 1 образует ротор, совершающий вращательное движение вокруг оси 1, опираясь при этом на кольцевой рельс 6.
На внешней стороне ротора закреплено жесткое плоское кольцо 15, покрытое с двух сторон фрикционным материалом (рис.4).
К кольцу 15 плотно прилегают колеса 16 и 17, также покрытые фрикционным материалом (металлическим, неметаллическим или спеченным. Фрикционные материалы - это материалы, применяемые для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения, и имеющие большой коэффициент трения. Они характеризуются высокой фрикционной теплостойкостью (т.е. способностью сохранять коэффициент трения и износоустойчивость в широком диапазоне температур), низкой способностью к адгезии (т.к. они не должны при трении схватываться, т.е. как бы «прилипать» друг к другу), высокой теплопроводностью и теплоемкостью, хорошей устойчивостью против теплового удара, возникающего в результате интенсивного выделения тепла в процессе трения. К фрикционным материалам предъявляются также требования по коррозионной стойкости, прирабатываемости, технологичности, экономичности (См. http://dic.academic.ru. БСЭ. Фрикционные материалы)
Колесо 16 закреплено на валу 18, который соединен с валом редуктора 19.
Для того, чтобы увеличить площадь сцепления поверхностей кольцо-колеса, колесо 17 через пару шестерен 20-21 передает усилие на вал 18.
Во время работы турбины возможна вибрация, и в результате смещение кольца 15 по вертикали и горизонтали. Для того, чтобы стабилизировать положение кольца 15 в месте контакта с колесами 16, 17, установлены стабилизирующие ролики 22, которые плотно охватывают кольцо 15 и удерживают его в одном положении (фиг.5). Кроме этого, кольцо подпружинено элементом 25 (фиг.4).
В заявляемой ветроэнергетической установке по варианту 3 каркас аналогично варианту 1 представляет собой жесткую пространственную призматическую конструкцию, например, шестигранную призму (рис.2). Через центр этой конструкции проходит вертикальный вал 1 (рис.4), закрепленный в подшипниках с возможностью вращения вокруг своей оси. Нижний конец его механически соединен с передающим крутящий момент элементом 19, например, редуктором, который соединен с потребителем получаемой механической энергии, например, электрогенератором. Ребра 2 призматической конструкции жестко соединены с балками 3, которые в свою очередь жестко соединены с валом 1.
На балках 3 подвижно установлены рабочие плоскости 4. Рабочие плоскости 4 представляют собой жесткие рамки 9, на которых закреплены гибкие элементы в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму. В качестве гибких элементов могут служить полотнища из эластичного материала.
Рамки 9 закреплены на балках шарнирно с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и могут менять свое положение под действием воздушного потока, располагаясь вдоль потока при холостом ходе (рис.3). В рабочем положении рамки 9 опираются на балки 3 и передают энергию ветра на ось 1, и через редуктор 10 на электрический генератор 11. В качестве вала может служить металлическая турбина. Вал может быть из дерева. Также из дерева могут быть выполнены и рамки 9.
Ребра 2 снизу снабжены опорными колесами 5 (роликами), опирающимися на кольцевой рельс 6, жестко закрепленный в стойках 7. Для предотвращения опрокидывания конструкции служат поддерживающие ролики 8.
Призматическая конструкция 1 образует ротор, совершающий вращательное движение вокруг оси 1, опираясь при этом на кольцевой рельс 6.
На внешней стороне ротора закреплено плоское кольцо (фиг.6) из прочного жесткого материала, имеющее несколько рядов отверстий 23. К кольцу плотно прилегает барабан с шипами 24 (фиг.7). Шипы входят в отверстия кольца, и таким образом передается усилие от ротора к генератору 11.
Ветроэнергетическая установка с ротором диаметром 12 м при скорости ветра 15 м/сек будет вращаться со скоростью 23 об/мин при скорости ветра 10 м/сек 15 об/мин. При таких низких оборотах установки упрощается изготовление и эксплуатация.
Работа заявляемой ветроэнергетической установки иллюстрируется на фиг.3. Ветроэнергетическая установка может работать при любом направлении ветра. Для этого эластичные паруса закреплены в жестких рамках 9, которые могут поворачиваться на осях в подшипниках.
При движении рамки 9 по часовой стрелке происходит «холостой ход». Благодаря шарнирному креплению рамки, под действием потока ветра, рамка 9 поворачивается в шарнирах и занимает положение вдоль потока воздуха, подобно «флюгеру». В таком положении парусность рабочих плоскостей будет минимальной, т.е. рабочая плоскость будет находиться при минимальном сопротивлении встречному потоку воздуха.
При рабочем ходе рамка 9 с гибким элементом располагается поперек потоку воздуха, и гибкий элемент под действием ветра раздувается и принимает куполообразную форму подобно парусу. Паруса раздуваются, воспринимая энергию ветра, создают рабочее усилие, ротор получает вращательное движение, то есть возникает крутящий момент. Воздух за счет вогнутости формы гибкого элемента собирается внутри паруса, в отличие от плоских рабочих элементов-лопастей, где воздух стекает с рабочих элементов к боковым поверхностям, уменьшая давление воздуха и соответственно крутящий момент. Сочетание двух факторов - куполообразная форма гибкого элемента - паруса при рабочем ходе и расположение рамки 9 вдоль потока при холостом ходе, позволяет использовать энергию ветра с более высоким коэффициентом полезного действия (КПД).
Чем больше диаметр ротора, тем медленнее будет вращаться турбина, при этом переход создающих вращающий момент элементов из холостого положения в рабочее и наоборот будет происходить более плавно и четко.
Ветроэнергетическая установка через редуктор 10 вращает генератор электрического тока 11.
Основным преимуществом ветроэнергетической установки «Карусель» является ее простота и высокий коэффициент полезного действия, а также ее возможность работать в вертикальном положении. При вертикальном положении Ветроэнергетическая установка может работать при любом направлении потока воздуха (фиг.3).
Ниже следует неисчерпывающий пример наиболее оптимального выполнения заявленной полезной модели.
Ветряная турбина с размерами 20 м на 20 м, изготовленная из стальных панелей, будет иметь массу 28000 кг, и для нее потребуется крепление, а ветроэнергетическая установка «Карусель» с равнозначными размерами и парусами, изготовленными из эластичной ткани, будет иметь массу только 1000 кг.
Испытания, проводимые на турбинах, выявили, что стальная турбина работает с КПД=20,3%, а установка с парусами, изготовленными из эластичного материала, работает с КПД=32,3%. Установки, где применяются паруса, становятся более эффективными по мере увеличения размеров турбины. При этом возможен КПД до 45% (Информация из Яndex, сайт www.archimedes. Практика - ветроэнергетика).
Условия, желательные для местоположения ветроэнергетической установки «Карусель», следующие: большая среднегодовая скорость ветра, отсутствие высоких препятствий с подветренной стороны на расстоянии, которое определяется высотой препятствия; плоская вершина; выровненная возвышенность (с отлогими склонами) на плоской равнине или островах озер или морей; открытые равнины или побережье; горное ущелье, образующее туннель (Информация из Яndex, сайт www.archimedes).
Электроэнергию можно использовать для различных целей: отопление, освещение, электропривод для механизмов, производственных процессов.
Для создания особо мощной установки, паруса можно располагать в несколько ярусов и рядов (фиг.1).
Заявляемая полезная модель конструктивно проста и может быть изготовлена из известных широко распространенных материалов, предпочтительно материалов, применяемых в авиационной промышленности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент №2231683, F03D 3/06, 2002 г.
2. Патент №2276285, F03D 3/06. 2001 г.
3. Патент №64710, F03D 3/06, 2007 г. (наиболее близкий аналог).