ВЕТРОУСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)

Техническое решение относится к ветроэнергетике, а именно к установкам ветропоршневого типа, в которых лопасти постоянно перпендикулярны потоку воздуха, и может быть использована в автономных ветроэнергетических установка для получения механической и электрической энергии.
Известна конструкция аналогичного назначения, преобразующая энергию воздушного потока во вращательное движение (Авторское свидетельство СССР №1476170, МПК F 03 D 1/02, опубл. 30.04.89 г.). Такого рода барабанные роторы имеют низкий КПД из-за геометрических особенностей взаимодействия лопастей с ветром. Очевидно, что максимальные силы действуют на лопасть, когда она перпендикулярна потоку воздуха. Но в данной конструкции в таком положении лопасти находятся короткое время. Эффективность таких установок повышается за счет включения в ротор дополнительного количества лопастей, что делает ветроустановку громоздкой и материалоемкой, что влечет за собой уменьшение прочности, увеличение массы и себестоимости роторов.
Наиболее близкой по технической сущности является ветроустановка, содержащая тележки с колесами, кинематически связанные между собой и установленные с возможностью параллельного возвратно-поступательного перемещения (Авторское свидетельство СССР №1588900, МПК F 03 D 5/04, опубл. 30.08.90 г.).
Однако прототипу присущ тот же недостаток: громоздкость конструкции и большая стоимость вырабатываемой энергии. К тому же данному изобретению присущи серьезные проблемы с настройкой своей работы по ветру.
Задача полезной модели состоит в повышении КПД ветроустановки, повышении эффективности и надежности ее работы при любых потоках ветра.
Поставленная задача решается тем, что ветроустановка содержит вертикальные мачты с управляемыми парусами, кинетически связанные с электрогенератором, и с возможностью возвратно-поступательного перемещения, при этом ветроустановка
включает как минимум две лопасти в виде мачт со складывающимися каждая в одну плоскость жесткими парусами, на окончаниях мачт выполнены катки, находящиеся на рельсах, расположенных в пирамидообразных футлярах, которые закреплены на подвижной платформе устройствами крепления и амортизации отдачи. Подвижная платформа расположена на опоре в виде стержня, имеющего круглое сечение и размещенного внутри полой толстостенной трубы с опорным подшипником у основания трубы, которая жестко закреплена к грунту, а лопасти связаны между собой кривошипно-шатунным механизмом, который установлен на Л-образных опорах, прикрепленных к платформе, при этом кривошипно-шатунный механизм имеет шкив, посредством которого на электрогенератор передается крутящий момент.
В частном случае реализации полезной модели на кромках парусов расположены шасси, посредством которых управляется складывание и раскрыв лопасти дорожками обратного хода, дорожками-клапанами, боковыми стенками футляра, при этом футляр имеет регулируемые пластины, концентрирующие воздушный поток и клапана сброса воздушного потока.
Поставленная задача решается также тем, что ветроустановка содержит вертикальные мачты с управляемыми парусами, кинетически связанные с электрогенератором, и с возможностью возвратно-поступательного перемещения, при этом дополнительно содержит лопасть в виде мачты со складывающимися каждая в одну плоскость жесткими парусами, на окончаниях которой выполнены катки, находящиеся на рельсах, расположенном в пирамидообразном футляре. Лопасть закреплена на подвижной платформе устройствами крепления и амортизации отдачи, а подвижная платформа расположена на опоре в виде стержня, имеющего круглое сечение и размещенного внутри полой толстостенной трубы с опорным подшипником у основания трубы, которая жестко закреплена к грунту, при этом на толкателе лопасти имеется возвратная пружина, соединенная с опорой фиксации толкателя, расположенного на платформе.
В частном случае реализации полезной модели на кромках парусов расположены шасси, посредством которых управляется складывание и раскрыв лопасти дорожками обратного хода, дорожками-клапанами, боковыми стенками футляра, при этом футляр имеет регулируемые пластины, концентрирующие воздушный поток и клапана сброса воздушного потока.
Поставленная задача решается также тем, что ветроустановка содержит вертикальные мачты с управляемыми парусами, кинетически связанные с электрогенератором, и с возможностью возвратно-поступательного перемещения, при этом содержит как минимум четыре лопасти в виде мачт со складывающимися каждая в
одну плоскость жесткими парусами, размещенными в пирамидообразных футлярах попарно друг над другом, связанные кривошипно-шатунными механизмами, и имеющие установленные под углом к потоку воздуха пластины-задвижки с канатами, перемещающиеся в металлической раме под действием электромотора. Футляры закреплены на подвижной платформе устройствами крепления и амортизации отдачи, а подвижная платформа расположена на опоре в виде стержня, имеющего круглое сечение и размещенного внутри полой толстостенной трубы с опорным подшипником у основания трубы, которая жестко закреплена к грунту.
В частном случае реализации полезной модели на кромках парусов расположены шасси, посредством которых управляется складывание и раскрыв лопасти дорожками обратного хода, дорожками-клапанами, боковыми стенками футляра, при этом футляр имеет регулируемые пластины, концентрирующие воздушный поток и клапана сброса воздушного потока.
Поставленная задача решается также тем, что ветроустановка содержит вертикальные мачты с управляемыми парусами, кинетически связанные с электрогенератором, и с возможностью возвратно-поступательного перемещения, при этом содержит как минимум две лопасти в виде мачт со складывающимися каждая в две и более плоскости жесткими парусами, размещенные в пирамидообразных футлярах, которые закреплены на подвижной платформе устройствами крепления и амортизации отдачи. Подвижная платформа расположена на опоре в виде стержня, имеющего круглое сечение и размещенного внутри полой толстостенной трубы с опорным подшипником у основания трубы, которая жестко закреплена к грунту, а лопасти связаны между собой кривошипно-шатунным механизмом, который установлен на Л-образных опорах, прикрепленных к платформе, при этом кривошипно-шатунный механизм имеет шкив, посредством которого на электрогенератор передается крутящий момент.
В частном случае реализации полезной модели лопасти крепятся к подвижному полому стержню при помощи шарниров с возможностью перемещения на отполированных стержнях, которые прикреплены к футлярам, а складывание и раскрыв лопастей выполняют устройства блокировки и разблокировки парусов.
Поставленная задача решается также тем, что ветроустановка содержит вертикальные мачты с управляемыми парусами, кинетически связанные с электрогенератором, и с возможностью возвратно-поступательного перемещения, при этом ветоустановка содержит как минимум четыре лопасти в виде мачт со складывающимися каждая в две и более плоскости жесткими парусами, размещенными в пирамидообразных футлярах попарно друг над другом, связанные кривошипно-шатунными
механизмами, и имеющие установленные под углом к потоку воздуха пластины-задвижки с канатами, перемещающиеся в металлической раме под действием электромотора, при этом футляры закреплены на подвижной платформе устройствами крепления и амортизации отдачи, а подвижная платформа расположена на опоре в виде стержня, имеющего круглое сечение и размещенного внутри полой толстостенной трубы с опорным подшипником у основания трубы, которая жестко закреплена к грунту.
В частном случае реализации полезной модели лопасти крепятся к подвижному полому стержню при помощи шарниров с возможностью перемещения на отполированных стержнях, которые прикреплены к футлярам, а складывание и раскрыв лопастей выполняют устройства блокировки и разблокировки парусов.
Поставленная задача решается также тем, что ветроустановка содержит вертикальные мачты с управляемыми парусами, кинетически связанные с электрогенератором, и с возможностью возвратно-поступательного перемещения, при этом дополнительно содержит лопасть в виде мачты со складывающимися каждая в две и более плоскости жесткими парусами, на окончаниях которой выполнены катки, расположенной в пирамидообразном футляре. Лопасть закреплена на подвижной платформе устройствами крепления и амортизации отдачи, а подвижная платформа расположена на опоре в виде стержня, имеющего круглое сечение и размещенного внутри полой толстостенной трубы с опорным подшипником у основания трубы, которая жестко закреплена к грунту, при этом на толкателе лопасти имеется возвратная пружина, соединенная с опорой фиксации толкателя, расположенного на платформе.
В частном случае реализации полезной модели лопасть крепится к подвижному полому стержню при помощи шарниров с возможностью перемещения на отполированном стержне, который прикреплен к футляру, а складывание и раскрыв лопасти выполняют устройства блокировки и разблокировки парусов.
Поставленная задача решается также тем, что ветроустановка содержит вертикальные мачты с управляемыми парусами, кинетически связанные с электрогенератором, и с возможностью возвратно-поступательного перемещения, при этом содержит лопасть в виде мачт с цельным сворачивающимся мягким парусом, на окончаниях которых выполнены катки. Лопасть расположена в пирамидообразном футляре, причем футляр закреплен на подвижной платформе устройствами крепления и амортизации отдачи, а подвижная платформа расположена на опоре в виде стержня, имеющего круглое сечение, и размещенного внутри полой толстостенной трубы с опорным подшипником у основания трубы, которая жестко закреплена к грунту, при этом
на толкателе лопасти имеется возвратная пружина, соединенная с опорой фиксации толкателя, расположенного на платформе.
В частном случае реализации полезной модели лопасть крепится к подвижному полому стержню при помощи шарниров с возможностью перемещения на отполированном стержне, который прикреплен к футляру, а складывание и раскрыв лопасти выполняют устройства блокировки и разблокировки матч.
На фиг.1 показана ветроустановка по первому варианту - вид спереди; на фиг.2 - вид сбоку; на фиг.3 - вид сверху.
На фиг.4 показана ветроустановка по второму варианту.
На фиг.5 показана ветроустановка по третьему варианту вид спереди; на фиг.6 - вид сверху.
На фиг.7 показана ветроустановка по четвертому варианту; на фиг.8 - вид сбоку; а фиг.9 - вид сверху.
На фиг.10 показана ветроустановка по пятому варианту - вид спереди; на фиг.11 - вид сбоку; на фиг.12 - вид сверху.
На фиг.13 показана ветроустановка по шестому варианту - вид сбоку (футляр разрезан).
На фиг.14 показана ветроустановка по седьмому варианту - вид спереди; на фиг.15 - вид сбоку (футляр разрезан).
На фиг.16 - изображена лопасть со складывающимися в одну плоскость жесткими парусами в развернутом виде - вид спереди; на фиг.17 - вид сбоку.
На фиг.18 - изображена лопасть со складывающимися в одну плоскость жесткими парусами в сложенном виде - вид спереди; на фиг.19 - вид сбоку.
На фиг.20 - схема траекторий движения шасси по стенкам футляра и дорожкам обратного хода - вид сверху.
На фиг.21 - показана схема состояний работы лопасти во время работы на ветру.
На фиг.22, на фиг.23, на фиг.24 - схематически изображен футляр для размещения лопастей.
На фиг.25 показана схема совместной работы двух лопастей.
На фиг.26 показана схема формирования лопасти со складыванием в несколько плоскостей - вид спереди; на фиг.27 - вид сбоку.
На фиг.28 показана лопасть, складывающаяся в 5-ти плоскостях, помещенная в футляр в развернутом состоянии (начало поступательного движения).
На фиг.29 - та же лопасть в сложенном состоянии (окончание поступательного движения)
Ветроустановка содержит лопасти 1, установленные на рельсах 2 при помощи катков 3. Дорожки обратного хода 4 прикреплены к футляру 5, имеющего пластины, концентрирующие воздушный поток (КВП) 6. Установка содержит также подвижную опору 7, которая вставлена в толстостенную трубу 8, имеющую опорный подшипник 9, подвижную платформу 10, шкив 11, Л-образную опору 12, опору пластин КВП 13, клапан сброса воздушного потока 14, устройство крепления и амортизации отдачи 15, навес от осадков 16, генератор 17, установленный на подвижной платформе 10, кривошипно-шатунный механизм 18, установленный на Л-образных опорах 12, закрепленные на платформе 10. Стопор 19 и возвратная пружина 20 расположены на толкателе 21, который зафиксирован опорой фиксации 22. Канаты 23 прикреплены к пластинам-задвижкам 24 с помощью направляющих шкивов 25 и рамы 26 и управляют пластинами-задвижками 24 посредством мотора 27, управляемого устройством 28. Футляр 5 содержит стопор разблокировки 29, крепление неподвижной оси 30. Мачта 31 движется по неподвижной оси 32 под действием подвижной оси 33. Стержень блокировки 34 размещается на подвижной оси 33 и управляется педалью блокировки 35, а разблокировка производится стержнями 36, во время этого срабатывают пружины 37. Мягкий парус 38 прикреплен к мачте 31, которая соединена с подвижной осью 33 шарнирным креплением 39. Кольцо разблокировки 40, кольцо блокировки 41, стопор блокировки 42 служат для сворачивания и разворачивания мягкого паруса 38. Мотор 27 крепится к футляру 5 устройством крепления 43. Сужающиеся части футляров 5 крепятся к подвижной платформе 10 устройством 44. Петли крепления 45 соединяют жесткие паруса 46 с мачтой 31. Шасси 47 жестких парусов 46 служат для управления раскрывом лопасти 1 посредством пружины 48. Упором 49 подпирается платформа катков 50, которая находится на окончаниях мачт 31. Амортизатор ударов 51 шасси 47 по футляру 5 подпирается пружиной 52. К дорожкам обратного хода 4 футляра 5 прикреплены дорожки-клапаны 53, которые имеют пружину 54. В сужающейся части футляра 5 имеется пружина 55 клапана сброса воздушного потока 14. Паруса 46 и мачты 31 соединены между собой петлями 56, а направляющая пружина 57 способствует сворачиванию лопасти 1 (фиг.26, фиг.27). Для улучшения обтекания воздушным потоком внутренняя поверхность 58 футляра 5 и наружная поверхность 59 лопасти 1 имеют гладкую поверхность.
Ветроустановка работает следующим образом.
Поток воздуха, проходя через концентрирующие пластины 6, увеличивает свою скорость и попадает на лопасть 1, находящуюся в развернутом состоянии (фиг.16, фиг.17). Благодаря тому, что лопасть находится на катках 3, которые размещены на
прямолинейных рельсах 2, лопасть под большим динамическим давлением ветра заталкивается в футляр 5. При этом обтекания и рассеяния воздушного потока не происходит, так как этому препятствует футляр.
В динамике лопасти можно выделить положения, характерные для ее состояния движения (фиг.21):
- положение 1 - завершение обратного хода и раскрыв лопасти;
- положение 2 - начало рабочего хода;
- положение 3 - разгон лопасти;
- положение 4 - прохождение дорожек-клапанов;
- положение 5 - завершение рабочего хода.
Из положения 5 в положение 1 - обратный ход.
В процессе движения по футляру 5 паруса лопасти 1 равномерно складываются и, пройдя через дорожки-клапана 53, лопасть имеет вид: фиг.18, фиг.19. Этому способствуют специальные шасси 47, прикрепленные к кромкам парусов (фиг.16, 17, 18, 19). На фиг.20 схематически изображены (штриховой линией) траектории движения шасси по футляру и дорожкам обратного хода.
Дорожки-клапана 53 прикреплены к дорожкам обратного хода 4 на петлях 45 и имеют пружины 54. Шасси паруса 47 отталкивают дорожки-клапана 53 и попадают в пространство между дорожками обратного хода 4, после чего срабатывают пружины 54 и дорожки-клапана закрываются. Лопасть не может раскрыться и совершает обратный ход в сложенном состоянии. Раскрыв лопасти при выходе ее из дорожек обратного хода 4 осуществляется за счет энергии, накопленной в пружинах 48, и силы набегающего потока воздуха.
С начала рабочего хода (фиг.21) лопасти необходимо вытеснить объем воздуха, который находится внутри футляра между положением 2 и 4. Для уменьшения отрицательной работы по вытеснению воздуха и увеличения КПД ветроустановки предусмотрены клапана сброса воздушного потока 14 (фиг.2, фиг.4, фиг.22, фиг.24), которые представляют собой специальные дверцы с пружинами, причем при закрытии они полностью сливаются с внутренней поверхностью футляра. Очевидно, что клапана сброса воздушного потока 14 должны закрываться лишь тогда, когда лопасть проходит из положения 3 в положение 4 (фиг.21), в остальное время они должны быть открытыми. Управление клапанами сброса воздушного потока 14 осуществляют либо системой рычагов, либо системой датчиков с реле, закрывающим клапана. Раскрыв клапанов сброса воздушного потока осуществляют при помощи пружин 55. Система управления на рисунках не показана.
Для уменьшения трения воздуха внутренние поверхности 58 футляров 5 (фиг.24, фиг.25) и наружные (при складывании) поверхности 59 лопасти 1 (фиг.17, фиг.19, фиг.25) имеют гладкую поверхность.
Возвратное движение лопастей 1 является принудительным. Для этого используют возвратные пружины 20 (фиг.4, фиг.13) или кривошипно-шатунные механизмы 18 (фиг.2, 3, 6, 8, 9, 11, 12, 25). При согласованном режиме работы двух лопастей со складывающимися в одну плоскость жесткими парусами 46 КПД ветроустановки меньше 50%, так как:
1) на возвратное движение затрачивается энергия;
2) поток воздуха проходит мимо сложенной лопасти, не совершая работы Заметно увеличить КПД можно, используя 4 лопасти с пластинами-задвижками 24 (фиг.5, фиг.6). Лопасти могут размещаться по парам друг над другом. Пластина-задвижка 24 движется в специальной раме 26 под действием каната 23, которым управляет электромотор 27 и устройство 28, изменяющее полярность (фазу потока) электромотора. Электромотор 27 не затрачивает много энергии, так как его функции заключаются лишь в нарушении равновесия между пластинами. Пластина-задвижка 24 размещена под углом к потоку ветра и в зависимости от положения лопастей прикрывает лопасть, совершающую обратный ход, и сбрасывает поток на лопасть, совершающую рабочий ход.
Благодаря тому, что шкивы 11 кривошипно-шатунных механизмов 18 вращаются в противоположные стороны, уменьшается опрокидывающий момент, действующий на ветроустановку и нагрузка на опорный подшипник 9 толстостенной трубы 8. Шкивы 11 передают крутящие моменты электрогенератору 17 посредством ременной передачи и крепятся к Л-образным опорам 12, которые размещены на подвижной платформе 10.
Для регулировки захватываемого потока предусмотрены подвижные опоры 13 пластины КВП 6, которые при изменении ветра позволяют увеличивать или уменьшать площадь захвата посредством изменения угла наклона пластин 6, которые прикреплены к футляру 5 петлями. Работа возвратной пружины 20 регулируется толкателем 21 стопором 19 и опорой фиксации толкателя 22. Амортизаторы 51 ударов шасси 47 по футляру 5 при раскрыве лопасти 1 позволяют избегать аварийных нагрузок на лопасти и футляры за счет принятия лишней энергии раскрыва паруса пружиной 52. Кроме того, при сильных ветрах на лопасти и футляры будут действовать значительные силы. Во избежание серьезных поломок в устройстве крепления 15 футляра 5 к подвижной платформе 10 учитывается амортизация отдачи, возникающей при взаимодействии лопасти с ветром. Во избежание перекосов мачт 31 в футлярах 5 катки 3 расставлены немного шире. Для этого
предусмотрена специальная платформа 50, которая крепится к окончанием мачт и подпирается упором 49 (фиг.17, фиг.19).
Работа ветроустановок с лопастями, имеющими паруса, складывающиеся в несколько плоскостей, аналогична работе ветроустановок со складывающимися парусами в одну плоскость. Отличие составляет то, что лопасти в них движутся на специальных отполированных стержнях, роль дорожек обратного хода выполняют системы блокировки и разблокировки парусов и мачт, а катки на окончаниях мачт выполняют функции складывания и предохранения от ударов мачт по футлярам, к тому же футляры имеют форму усеченной правильной пирамиды или конуса.
Развернутая лопасть 1 (фиг.7) под действием воздушного потока, уплотненного пластинами-концентраторами 6, заталкивается вовнутрь футляра 5, и при этом равномерно складывается, благодаря конструкции лопасти, состоящей из соединенных между собой петлями парусов, каждый из которых также петлями присоединен к мачтам (фиг.26, 27, 28). Так как площади сечений правильных прямоугольных пирамид и конуса параллельные основаниям при движении от основания к вершине равномерно уменьшаются, то мачты 31 при вталкивании внутрь футляра будут равномерно наклоняться и отталкивать подвижную ось 33, размещенную на неподвижной оси 32. Мачты 31 прикреплены к подвижной оси 33 шарнирным креплением 39. При полном складывании края парусов надавливают на специальную педаль блокировки 35 (фиг.15), которая выталкивает блокирующий стержень 34 и в сложенном виде (фиг.29) мачта совершает обратный ход к стопору разблокировки 29, где при вдавливании стержней 36 в блокировочное устройство стержни 34 подаются внутрь и под действием пружин 37 лопасть раскладывается и принимает вид: (фиг.28). Внутренняя структура блокировочного устройства может быть как механическая, так и гидравлическая (на рисунке не показана). Для улучшения складывания лопасти паруса, скрепленные между собой петлями, раскладываются не в одну плоскость, а под небольшим углом друг к другу (фиг.27) и имеют направляющие пружины складывания 37.
Ветроустановка со сплошным мягким парусом (фиг.14, 15) имеет большое количество мачт для максимально надежного крепления паруса и равномерного складывания в процессе работы. Работа такой лопасти аналогична работе лопасти из жесткого материала (фиг.13) с тем отличием, что блокировка производится на мачте. При поступательном движении подвижной оси 33 блокировочное кольцо 41 упирается в стопор 42, смещается и блокирует мачты. В конце обратного хода кольцо 41 разблокируется кольцом 40, которое упирается в стопор 29 и под действием пружины 37 лопасть раскрывается. Кольца блокировки 41 и разблокировки 40 соединены между собой
стержнями и вместе могут ограниченно перемещаться вдоль подвижной оси 33. Благодаря толкателю 21 лопасть можно использовать как в работе с возвратной пружиной, так и совместно с другой лопастью через кривошипно-шатунный механизм.
Учитывая, что поток воздуха под влиянием футляров постоянно концентрируется, а лопасть во время рабочего хода постоянно перпендикулярна потоку, то можно при наличии пластин концентрирующих поток, пластин-задвижек, а также достаточно протяженных футляров, добиваться больших скоростей лопасти и мощностей ветроустановки. Варьированием площади захватываемого воздуха пластинами-концентраторами расширяется возможность работы ветроустановки при любом ветре.
Предлагаемое техническое решение позволит повысить КПД ветроустановки, ее мощность и надежность работы.