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 и других.
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 установки круговой поворотной конструкции, что значительно сужает область ее применения.
Парусная ветроэнергетическая установка выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в создании простой, надежной и мобильной конструкции ветроэнергетической установки, характеризующейся высокой энергоэффективностью.
Решение поставленной задачи в ветроэнергетической установке, состоящей из, по крайней мере, одного воздухозаборника, ветрогенератора, установленного на выходе воздухозаборника, поворотных планок, элементов, обеспечивающих перемещение установки на опорной поверхности относительно узла крепления, достигается тем, что установка снабжена сборно-разборным каркасом, на котором закреплен воздухозаборник, ветрогенератор, поворотные планки и элементы, обеспечивающие перемещение установки, а также дополнительным воздухозаборником, стенки которого ориентированы под углом к каркасу, при этом узел крепления установки на опорной поверхности размещен впереди установки в области входного отверстия воздухозаборника.
В частных вариантах реализации настоящей полезной модели достигается следующее.
На выходе воздушного потока из ветрогенератора установлен диффузор.
Диффузор выполнен в форме усеченного конуса.
Диффузор выполнен с возможностью его отсоединения от ветрогенератора и развертки.
Дополнительный воздухозаборник выполнен с возможностью его складывания при сильных порывах ветра.
Дополнительный воздухозаборник образует конфузор, имеющий форму усеченной пирамиды.
Стенки дополнительного воздухозаборника соединены между собой разъемно.
Стенки дополнительного воздухозаборника присоединены к каркасу с возможностью их вращения относительно места крепления.
Поворотные планки расположены под углом к горизонтали и/или вертикали.
Воздухозаборник выполнен в форме близкой к форме параболлоида или полусферы.
Воздухозаборник выполнен из гибкого воздухонепроницаемого материала.
Каркас выполнен с возможностью крепления в нем нескольких ветрогенераторов с воздухозаборниками.
Каркас выполнен из труб любого поперечного сечения.
Элементы, обеспечивающие перемещение установки, выполнены в виде роликовых элементов или колес.
Узел крепления установки на опорной поверхности выполнен в виде шарнирного соединения.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящей полезной модели, заключается в повышении энергоэффективности установки за счет следующего.
Введение в конструкцию дополнительного воздухозаборника, который увеличивает площадь соприкосновения установки с воздушным потоком, обеспечивает увеличение количества поступающего в воздухозаборник воздуха при слабом ветре и, как следствие, повышение мощности воздушного потока, поступающего на лопасти ветрогенератора, и выходной энергомощности установки.
Конструкция дополнительного воздухозаборника выполнена с возможностью его складывания к верхней и боковым сторонам каркаса при сильном ветре, благодаря чему уменьшается площадь соприкосновения установки с воздушным потоком, что предотвращает избыточную нагрузку на конструкцию при сильных порывах ветра.
Расположение узла крепления установки на опорной поверхности впереди конструкции со стороны входного отверстия воздухозаборника обеспечивает вынос шарнирного соединения за центр масс, что повышает эффективность поворота конструкции ветроэнергетической установки при изменении направления ветра. Таким образом, в установке воздухозаборник всегда ориентируется по направлению ветра, что повышает эффективность использования ветрового потока и, как следствие, повышает энергоэффективность установки.
Кроме того, введение в конструкцию диффузора облегчает отвод воздуха из рабочей зоны ветрогенератора. Ветер, обтекающий диффузор снаружи, создает разряженное пространство внутри диффузора, что обеспечивает дополнительную тягу на лопастях ветрогенератора, увеличивая выходную мощность установки.
Предложенная конструкция ветроэнергетической установки позволяет ее использовать даже при небольших скоростях ветра.
Мобильность установки обеспечивается за счет выполнения каркаса сборно-разборным, выполнения воздухозаборника из гибкого материала, разъемного соединения стенок дополнительного воздухозаборника, выполнения диффузора с возможностью его отсоединения от ветрогенератора и развертки.
Простота конструкции ветроэнергетической установки заключается в исключении электрического привода для ориентирования установки по ветру, как это предусмотрено в прототипе. Поворот конструкции по ветру в заявляемом решении обеспечивается за счет расположения стенок дополнительного воздухозаборника под углом к каркасу, выноса узла крепления на опорной поверхности перед установкой, а также за счет наличия поворотных планок.
Наличие сборно-разборного каркаса, на котором закреплено все оборудование установки, повышает прочность и надежность конструкции, а также обеспечивает установку нескольких воздухозаборников с ветрогенераторами.
Дополнительным техническим результатом настоящей полезной модели является расширение арсенала технических средств, в частности ветроэнергетических установок.
Настоящая полезная модель поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
Сущность заявляемой ветроэнергетической установки поясняется чертежами:
На фиг. 1 - общий вид установки (вид сбоку);
на фиг. 2 - общий вид установки состоящей из двух воздухозаборников и ветрогенераторов, установленных на одном каркасе (вид сверху);
на фиг. 3 - общий вид установки состоящей из двух воздухозаборников и ветрогенераторов, установленных на одном каркасе (вид спереди);
на фиг. 4 - общий вид установки, состоящей из четырех воздухозаборников и ветрогенераторов, установленных на одном каркасе (вид сверху).
Ветроэнергетическая установка содержит сборно-разборный каркас 1. Каркас 1 может быть выполнен из труб различного поперечного сечения. В преимущественном варианте каркас 1 выполнен из труб квадратного сечения. Трубы 1 могут быть выполнены как из металла, например, стали, алюминия, так и из композитных материалов повышенной прочности.
В частных вариантах исполнения каркас 1 может быть выполнен из прочного упругого материала.
Элементы каркаса 1 соединяют между собой либо с помощью дополнительных крепежных средств: болтов, муфт, уголков, фитингов, либо устанавливая их друг в друга с натягом, в этом случае одну из соединяемых труб выполняют меньшего поперечного размера (диаметра).
Собранный из труб каркас 1 представляет собой раму, ширина которой равна высоте, либо ширина которой превышает высоту (в случае установки в каркасе 1 нескольких воздухозаборников 2 с ветрогенераторами 3 в ряд).
К каркасу 1 присоединен воздухозаборник 2, выполненный в виде мешка с округлым дном, имеющий форму близкую к форме параболлоида или полусферы. Воздухозаборник 2 выполнен из воздухонепроницаемого гибкого материала, например, из парашютной ткани, парусной ткани, синтетической ткани, армированной резины и других материалов.
Воздухозаборник 2 закреплен своим широким входом на, по крайней мере, одной боковой стороне каркаса 1 и ориентирован преимущественно горизонтально. Средняя часть воздухозаборника 2 может быть дополнительно закреплена на каркасе 1 посредством, например, растяжек, веревок, дополнительных дуговых элементов, обеспечивающих правильное положение воздухозаборника 2 при ветре.
В округлом дне воздухозаборника 2 (в наименьшем его поперечном сечении) горизонтально установлен либо ветрогенератор 3 целиком, либо лопасти, связанные с ротором электрического генератора. Ветрогенератор 3 может иметь несколько рядов лопастей как одинакового, так и разного размеров, установленных на общей оси.
Ветрогенератор 3 закреплен на каркасе 1 с обеспечением его неподвижности относительно каркаса 1 во время эксплуатации ветроэнергетической установки.
Ветрогенератор 3 закреплен на каркасе 1 и в воздухозаборнике 2 с возможностью его съема (разборная конструкция для целей транспортировки).
На выходе воздушного потока из ветрогенератора 3 установлен диффузор 4. Диффузор 4 в преимущественном варианте выполнен в форме усеченного конуса. Диффузор 4 может быть выполнен из упругого материала малой толщины, например, листов полимерного материала. Диффузор 4 выполнен с возможностью его отсоединения от ветрогенератора 3 и развертки с получением плоского листа, удобного для транспортировки.
Диффузор 4 облегчает отвод воздуха из рабочей зоны ветрогенератора 3, снижая его турбулентность и сопротивление отводу.
Воздухозаборник 2 выполняет функцию конфузора, направляя поступающий воздушный поток и концентрируя его в области лопастей ветрогенератора 3.
С целью увеличения площади соприкосновения воздухозаборника 2 с потоком ветра к каркасу 1 со стороны крепления (входного отверстия) воздухозаборника 2 присоединен дополнительный воздухозаборник 5. Дополнительный воздухозаборник 5 состоит из, по крайней мере, четырех стенок (направляющих), соединенных между собой с использованием уплотнителей, либо закрывающих щели планок. Дополнительный воздухозаборник 5 образует конфузор в форме усеченной пирамиды, который захватывает воздух с большой площади и направляет его в воздухозаборник 2.
Стенки дополнительного воздухозаборника 5 ориентированы преимущественно под углом более 120° (на чертежах угол А) к наружной верхней и боковым сторонам каркаса 1. Размер угла определен практическими исследованиями. При установке стенок на угол 120°-180° обеспечивается достаточное сопротивление и соответственно захват воздуха внутрь воздухозаборника 2, при меньших же значениях угла возникает эффект парусности, приводящий к большой нагрузке на конструкцию, при этом количество поступающего в воздухозаборник 2 воздуха увеличивается незначительно.
В частных случаях выполнения угол А может быть и менее 120°.
Стенки дополнительного воздухозаборника 5 выполнены из листов легкого по весу материала, например, алюминия, фанеры, полимерного материала и других. Стенки в преимущественном варианте исполнения имеют трапецеидальную форму.
Стенки дополнительного воздухозаборника 5 соединены между собой разъемно с возможностью их отсоединения друг от друга во время эксплуатации установки.
Стенки дополнительного воздухозаборника 5 присоединены к каркасу 1 с возможностью их вращения относительно места крепления, например, посредством шарнирного соединения, либо с помощью вспомогательных крепежных средств.
Верхняя и боковые стенки дополнительного воздухозаборника 5 выполнены с возможностью их автоматического складывания к наружным верхней и боковым сторонам каркаса 1 при сильных порывах ветра. Отсоединение стенок друг от друга обеспечено посредством, например, предохранительных зажимов, защелок, рассчитанных на определенную силу воздействия. Складывание дополнительного воздухозаборника 5 уменьшает площадь забора воздуха, что приводит к снижению сопротивления воздушному потоку, препятствуя разрушению конструкции при сильном ветре. При этом нижняя стенка, прижимаясь к опорной поверхности за счет прижимной силы ветра, обеспечивает повышение устойчивости всей конструкции ветроэнергетической установки.
В воздухозаборнике 2 может быть выполнено, по крайней мере, одно отверстие, представляющее собой окно (на чертежах не показано). В преимущественном варианте изготовления в воздухозаборнике 2 выполнены два окна. При слабом ветре окна закрыты посредством, например, клапанов (накладок), образованных из тела воздухозаборника 2. При сильном ветре клапаны открываются, выпуская часть воздушного потока наружу. В качестве элементов, служащих для закрытия окон клапанами (накладками), могут быть использованы магниты.
Каркас 1 установки закреплен на опорной поверхности через узел крепления 6 с возможностью свободного вращения относительно места крепления. В качестве опорной поверхности могут быть использованы грунт (земля), фундамент, крыша здания и иные ровные поверхности.
Узел крепления 6 каркаса 1 на опорной поверхности может быть осуществлен, например, посредством шарнирного соединения.
В преимущественном варианте исполнения узел крепления 6 каркаса 1 на опорной поверхности вынесен с помощью дополнительных конструктивных элементов и размещен перед каркасом 1 (воздухозаборником 2).
В частных вариантах исполнения узел крепления 6 каркаса 1 на опорной поверхности может быть расположен в передней центральной части каркаса 1 со стороны крепления к нему воздухозаборника 2.
Каркас 1 снабжен элементами 7, обеспечивающими возможность перемещения (вращения) установки относительно узла крепления 6 на опорной поверхности, выполненными в виде роликов или колес. Количество роликовых элементов или колес 7 в преимущественном варианте исполнения - два. Количество роликовых элементов или колес 7 в зависимости от габаритов установки и количества воздухозаборников 2 может быть более двух.
Шарнирное соединение 6 установки с опорной поверхностью обеспечивает возможность поворота установки и ориентирования воздухозаборника 2 по направлению ветра.
На боковых сторонах и/или на задней стороне каркаса 1 установлены поворотные планки 8, ориентированные под углом к вертикальной и/или горизонтальной плоскости.
Поворотные планки 8 могут быть выполнены с возможностью изменения их положения относительно горизонтальной и/ или вертикальной осей.
Поворотные планки 8 выполнены из легкого и прочного материала, например, алюминия, композитного или полимерного материала, или других материалов.
Поворотные планки 8 обеспечивают разворот воздухозаборника 2 для его ориентирования по ветру в случае изменения направления ветра.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка может содержать несколько воздухозаборников 2 и соответственно ветрогенераторов 3, размещенных в одном каркасе 1, например, в ряд. При этом для каждого воздухозаборника 2 и ветрогенератора 3 на каркасе 1 предусмотрено соответствующее место крепления. Для всех воздухозаборников 2, установленных в каркасе 1, дополнительный воздухозаборник 5 выполнен общим.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка, состоящая из четырех воздухозаборников 2, установленных в одном каркасе 1 при среднем воздушном потоке может выдавать порядка 10-20 кВт/ч электроэнергии, что позволяет обеспечить электропитанием одно или несколько небольших хозяйств.
Предлагаемая установка работает следующим образом.
Ветроэнергетическую установку собирают и через шарнирное соединение 6 устанавливают на ровной опорной поверхности, обеспечивающей возможность беспрепятственного качения по ней роликовых элементов или колес 7.
В преимущественном варианте реализации для получения необходимой выходной мощности на каркасе 1 монтируют два и более ветрогенератора 3 с воздухозаборником 2, устанавливаемых в ряд.
Воздушный поток, попадая через дополнительный воздухозаборник 5 в основной воздухозаборник 2, направляется к лопастям ротора ветрогенератора 3, который за счет вращения ротора вырабатывает переменный электрический сигнал, поступающий далее через, например, контроллер на аккумуляторы или напрямую к потребителю.
В случае изменения направления ветра, воздушный поток, ударяясь о поворотные планки 8 и стенки дополнительного воздухозаборника 5, создает толкающую силу для поворота каркаса 1 и соответственно воздухозаборника 2 по направлению движения ветра. Повороту установки способствует расположение шарнирного соединения 6 каркаса 1 с опорной поверхностью перед установкой, т.е. за центром масс. Таким образом, ветроэнергетическая установка всегда поворачивается по направления движения ветра.
При сильных порывах ветра стенки дополнительного воздухозаборника 5 отсоединяются друг от друга, при этом верхняя и боковые стенки складываются к наружным верхней и боковым сторонам каркаса 1. Сложенные стенки дополнительного воздухозаборника 5 создают сопротивление боковым (торцевых, поперечных) воздушным потокам, приводящее, во-первых, к повороту установки по ветру, а, во-вторых, препятствующее 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.