ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей относится к области ветроэнергетики и предназначена для получения энергии за счет набегающего воздушного потока ветра.
Из уровня техники известен способ производства электроэнергии при помощи ветряной системы и, соответственно, ветровая система для преобразования энергии, содержащая, по меньшей мере, один воздушный змей, выполненный с возможностью управления им с земли, который погружен, по меньшей мере, в одну струю W ветра, по меньшей мере, один модуль, выполненный с возможностью поступательного перемещения, по меньшей мере, по одной направляющей, размещенной у земли, причем упомянутый модуль соединен посредством, по меньшей мере, одного троса с воздушным змеем, воздушный змей выполнен с возможностью управления им при помощи упомянутого модуля, с целью буксирования этого модуля по направляющей и выполнения преобразования энергии ветра в электрическую энергию при помощи, по меньшей мере, одной системы генерации, работающей совместно с упомянутыми модулем и направляющей, и трос выполнен с возможностью как передачи механической энергии от воздушного змея и к этому змею, так и управления траекторией полета упомянутого воздушного змея, при этом система генерации содержит, по меньшей мере, один генератор/двигатель, выполненный с возможностью преобразовывать энергию ветра в электрическую энергию при помощи движения модуля относительно направляющей (см. RU 2451826 C2, опубл. 27.05.2012).
Недостатком аналога является сложность способа и конструктивного выполнения ветряной системы, что негативно сказывается на реализации способа и надежности устройства в целом.
Из уровня техники известен преобразователь энергии для преобразования энергии ветра в движение ветряного элемента, содержащий первую опору (11), вторую опору (12) и ветряной элемент (10), установленный между опорами (11, 12) так, что он способен перемещаться между первым местоположением (L1) и вторым местоположением (L2) посредством качания вокруг оси (А), проходящей между опорами (11, 12), когда ветряной элемент (10) подвергается воздействию ветра (W). Ветряной элемент (10) выполнен с возможностью многократного колебания между двумя положениями, так что первая опора (11), периодически перемещается от первого местоположения (L1) во второе положение (L2) и обратно в первое положение (L1), когда ветряной элемент (10) колеблется от первого положения во второе положение (см. EP 2343452 A2, опубл. 2011-07-13).
Недостатком аналога является метод преобразования энергии ветра, т.к. данный метод заключается в создании колебаний и вибраций в устройстве, которые, как известно в технике являются негативными явлениями. При этом у данного устройства пониженный коэффициент полезного действия, поскольку фронтальное, максимально эффективное положение ветрового элемента длится короткий миг, когда лепесток проскакивает среднее положение сектора вращения вокруг оси (А).
Наиболее близким аналогом является ветровая энергетическая установка, содержащая снабженный флюгером ротор с вертикальным валом и закрепленной на нем радиальной траверсой с поворотными лопастями и электрогенератор, кинематически связанный с лопастями, при этом ротор выполнен в виде поворотной относительно опорной поверхности горизонтальной платформы с жестко закрепленным на ней флюгером вертикальным валом и направляющими, радиальная траверса выполнена раздвижной, концы которой шарнирно связаны с тележками, установленными с возможностью возвратно-поступательного движения по направляющим, расположенным параллельно одна другой и рабочей поверхности флюгера, размещенной в вертикальной плоскости и проходящей через вертикальный вал, поворотные лопатки установлены на вертикальных осях в опорных рамках, каждая из которых жестко закреплена на тележке (см. RU 2002107 C1, опубл. 30.10.1993).
Однако в данном решении возвратно-поступательное движение совершают две тележки 8, на каждой из которых закреплен (перпендикулярно направляющим 9) принимающий энергию ветра элемент «парус», выполненный в виде опорной рамки 11, в которой размещены три лопатки 12 посредством поворотных осей 13. Здесь стоит отметить, что для уменьшения аэродинамического сопротивления двух «парусов» при возврате одного из них разворачиваются только три лопатки 12, т.е. только часть «паруса», при этом опорная рамка 11, являющаяся неотъемлемой частью «паруса» остается неподвижной, тем самым создавая значительное сопротивление ветровому потоку при возвращении в исходное положение, когда необходимо минимальное сопротивление ветровому потоку.
Кроме того, если внимательно ознакомится с конструкцией решения, раскрытого в RU 2002107 C1 и представить его работоспособность, то имеет место ее несостоятельность, как неспособная обеспечивать стабильное рабочее положение, когда лопатки 12 находятся в одной плоскости, перпендикулярно направлению ветра. Платформа 3, оснащенная флюгером 10 и роликами 4, опирается на рельс 2 определенного радиуса. Через центр этого радиуса проходит ось вращения платформы 3 при попытке, с помощью флюгера 10, занять правильное положение относительно направления ветра. Но занять правильное и стабильное положение система не способна. Причина такой неспособности простая - парусность фронтальная всех деталей расположенных слева от оси вращения платформы 3 значительно отличается от парусности всех деталей, что расположены справа от оси вращения и, соответственно, крутящий момент результирующей силы ветра слева значительно отличается от крутящего момента справа. Как следствие значительной разницы крутящих моментов платформа повернется таким образом, что лопатки 12, которые в рабочем положении должны бать под углом 90 градусов к направлению ветра, окажутся под острым углом к нему, а лопатки холостого хода не будут относительно ветра располагаться ребрами. Механизм остановится в каком-то уравновешенном положении, когда моменты слева и справа сравняются, работа механизма прекратится, выработки электроэнергии не будет.
Данный существенный недостаток решения, раскрытого в RU 2002107 C1 полностью устранен в заявленных полезных моделях, охарактеризованных в независимых пунктах 1, 2.
Задачей группы полезных моделей является разработка ветроэнергетических установок (варианты), лишенных таких недостатков.
Технический результат заключается в упрощении конструкции при повышении надежности с максимально возможным съемом энергии ветра.
Технический результат обеспечивается тем, что ветроэнергетическая установка содержит принимающий энергию ветра элемент, выполненный в виде лопасти, установленной на каретке с возможностью возвратно-поступательного движения по направляющей от одной конечной точки до другой и поворота вокруг своей оси посредством поворотного устройства, электрогенератор и механизм возврата.
При этом указанный технический результат обеспечивается вторым вариантом выполнения ветроэнергетической установки, содержащей принимающий энергию ветра элемент, выполненный в виде лопасти, установленной на каретке с возможностью возвратно-поступательного движения по направляющей от одной конечной точки до другой и поворота вокруг своей оси посредством поворотного устройства, и электрогенератор, выполняющий функции механизма возврата и являющийся его составляющим элементом.
Выполнение заявленных устройств с данным конструктивным исполнением позволяет получить компактную работоспособную ветроэнергетическую установку (варианты) по отношению к прототипу при минимальном сопротивлении ветровому потоку при возвращении лопасти в исходное положение, а выполнение электрогенератора в качестве составляющего элемента механизма возврата, выполняющего его функции позволяет значительно упростить конструктивное выполнение заявленных устройств.
Группа полезных моделей поясняется фигурой. На фигуре изображена схема ветроэнергетической установки.
Ветроэнергетическая установка содержит принимающий энергию ветра элемент, в частности, лопасть 1, установленную на каретке 2 и выполненную с возможностью возвратно-поступательного движения по направляющей 3 от одной конечной точки до другой и поворота вокруг своей оси посредством поворотного устройства 4, электрогенератор 5 и механизм возврата лопасти 6. Электрогенератор 5 и часть механизма возврата лопасти 6 установлены на каретке 2. Лопасть 6 выполнена так, что в поперечном сечении имеет толщину, обеспечивающую минимальное сопротивление потоку ветра.
Примеры выполнения основных конструктивных узлов заявленных устройств (вариантов):
1. Элемент, принимающий энергию ветра в виде лопасти состоит из центральной мачты, композитных панелей, горизонтальных рей, крепежных деталей. Мачта выполнена из алюминиевой трубы, на которой, для дополнительной прочности, закреплены горизонтальные реи из листового алюминиевого сплава, к которым прикреплены алюминиевые композитные панели (FORMA, DIBOND, BILDEX, ALTEC) толщиной 3 или 4 мм. Материал (композитные панели, композит) широко известен в строительстве, в производстве рекламных конструкций и других отраслях благодаря небольшому удельному весу, достаточной жесткости, современному внешнему виду, в сочетании с широкой цветовой палитрой. Крепежные детали - болты, винты, шайбы, гайки, с антикоррозионным покрытием или заклепки. Конструкция (компоновка) паруса (лопасти) может быть различной в зависимости от площади и предельных ветровых нагрузок. Так, например, при скорости ветра до 15 метров в секунду, коэффициенте запаса прочности к=2.5, парус (лопасть) площадью 2,5 метров квадратных выполнен из двух композитных панелей (по одной слева и справа от мачты) и двух горизонтальных рей (сверху и снизу), а парус (лопасть) площадью 6 метров квадратных выполнен уже из четырех композитных панелей и трех горизонтальных рей (сверху, снизу и посередине). Для передачи крутящего момента при повороте паруса (лопасти) на 90 градусов, за одну секунду, нижний конец мачты оснащен стальной цапфой со шпонкой в=6×30 мм, а для возможности поворота с минимальными потерями на трение - фланцевым подшипниковым узлом.
2. Поворотное устройство состоит из асинхронного электродвигателя (тип АИС 56 В4 У2, P=0,09 кВт, n=1300 об/мин.) и червячного редуктора тип RW 040, с передаточным числом i=80. Электродвигатель управляется частотным преобразователем типа VFD-E DELTA, питание 220 V, однофазное.
3. Каретка представляет собой горизонтальную платформу с отверстиями для крепления фланцевого подшипникового узла с парусом (лопастью) и шестью роликами, оснащенными подшипниками и свободно вращающимися на стальных осях. Ролики могут иметь бандаж из полимерного материала, например полиуретан или полиамид, для плавного и бесшумного хода каретки. Оси роликов закреплены посредством гаек и шайб в наклонных пазах, что в свою очередь обеспечивает монтажные зазоры между роликами и продольными направляющими. В центре горизонтальной платформы имеется сквозное отверстие для стальной цапфы со шпонкой. Материал горизонтальной платформы и кронштейнов крепления роликов - листовая сталь или листовой алюминиевый сплав. К каретке закреплен замкнутый в кольцо зубчатый приводной ремень механизма возврата.
4. Направляющая выполнена из круглых и профильных труб из нержавеющей стали и представляет собой сварную ферму. Две круглых, шлифованных, параллельных трубы, входящие в ферму, расположенные в верхней части, диаметром 40 мм и толщиной стенки 2 мм, являются непосредственно направляющими для роликов. По этим круглым трубам, на роликах, плавно перемещается каретка с парусом и поворотным устройством.
5. Электрогенератор 3-х фазный переменного тока оснащен преобразователем постоянного тока DC 12V-DC 14V для зарядки аккумуляторной батареи АКБ 12V. На коническом хвостовике генератора закреплена шестерня, находящаяся в зацеплении с приводным зубчатым ремнем, который в свою очередь присоединен к каретке и взаимодействует с механизмом возврата.
6. Механизм возврата состоит из электродвигателя (тип GR 35X58, 24V, 3000 об/мин), червячного редуктора i=80, электромуфты, шестерни и зубчатого ремня, закреплен посредством кронштейна с натяжным устройством и предназначен для возврата элемента, принимающего энергию ветра в исходное рабочее положение.
Механизмом возврата (во втором варианте) служит электрогенератор во время обратного хода, когда не выполняется функция электрогенерации. Для этого в конце рабочего пути, на обмотки электрогенератора подается трехфазный ток заданных параметров. При таком исполнении устройства, когда электрогенератор совмещает в себе и функцию механизма возврата, вместо последнего, описанного в начале п. 6, на установочный кронштейн крепится натяжной ролик для зубчатого ремня.
Устройство (варианты) функционирует следующим образом. Лопасть располагается перпендикулярно потоку ветра и под его воздействием совершает поступательное прямолинейное движение на каретке по направляющей от первой конечной точки до второй, т.е. совершает рабочий ход, при котором без каких-либо колебаний и вибраций снимается возможный максимум энергии потока ветра, преобразуя его посредством электрогенератора в электрический ток (энергию). Достигнув второй конечной точки, с помощью устройства поворота лопасть поворачивается на 90° и с помощью механизма возврата с минимальным сопротивлением потоку ветра возвращается к первой конечной точке (исходной позиции). Цикл повторяется неограниченное количество раз.