ВЕТРОВАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА КАРУСЕЛЬНОГО ТИПА БАЛОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

Полезная модель относится к ветровым турбинам парусного действия карусельного типа с вертикальной осью. Основное предназначение - для различных по мощности ветровых электростанций (ВЭС) стационарного исполнения.
Ветровые двигатели по типу положения оси вращения можно подразделить на двигатели с горизонтальной осью (совпадающей с направлением ветра) и вертикальной осью (перпендикулярной направлению ветра). Устройства с вертикальной осью вращения имеют несколько разновидностей.
1. Ортогональные ветрогенераторы. Он имеют несколько лопастей, которые располагаются параллельно вертикальной оси. Такая конструкция не нуждается в направляющих механизмах, потому что принцип работы никак не зависит от направления ветра. Приводное оборудование можно расположить на уровне земли.
2. Генераторы, имеющие ротор Дарье. У них три или две лопасти, которые представляют плоскую полосу и изготовлены достаточно просто. Устройство также не ориентируется на ветер и его можно располагать на уровне земли.
3. Устройства, в основе которых лежит ротор Савониуса. В этом случае используется несколько полуцилиндров. Работа может осуществляться при низких скоростях. Кроме того, пусковые крутящие моменты очень эффективны, как и технологичность производства.
4. Ветрогенераторы, работающие на многолопастном роторе с направляющим аппаратом. Они являются модификацией ортогонального аппарата. Лопасти выстроены в два ряда, первый из которых неподвижный и несет в себе функцию направляющего аппарата. Он предназначается для того, чтобы захватывать ветровой поток, сжимать его, увеличивая скорость, и подавать поток ветра на второй ряд, который является вращающимся ротором. Этот тип устройства работает очень эффективно по сравнению с другими, но стоимость его значительно превосходит их.
5. Аппарат с геликоидным ротором. Это также модификация первого вида устройств. Из-за то, что лопасти закручиваются, ротор вращается более равномерно, за счет чего на опорные узлы не оказывается сильной динамической нагрузки. Это позволяет дольше эксплуатировать устройство. Стоят они дорого, так как технология производства достаточно сложная.
Парусные установки имеют следующие достоинства:
- эффективно эксплуатируется энергия ветра, при помощи использования большого по площади ветрового потока;
- способность работать в условиях приземных воздушных потоков; их турбулентность мало отражается на эффективности работы;
- не создаются шумовые инфразвуки и радиопомехи;
- благодаря сравнительно медленному вращению парусов-лопастей обеспечивается безопасность для человека и животных;
- компактность, безопасность, простота монтажа и обслуживания;
- невысокая стоимость вырабатываемой энергии.
Известен ротор ветродвигателя, содержащий установленный в опорах вертикальный вал, на концах которого закреплены два стержневых каркаса, связанных между собой набором вертикальных стержней, на которых с возможностью вращения шарнирно закреплены плоские лопасти. Ротор снабжен кольцами, концентричными валу, размещенными между торцевыми поверхностями лопастей, по два в одной горизонтальной плоскости. Вертикальные стержни соединены с каждым кольцом, (аналог - см. а.с. СССР N 992800, МПК 3 F03D 3/00, 1983 г.)
Недостатки данного решения: ввиду прямолинейности парусных лопастей каждая парусная лопасть будет наиболее эффективно действовать только в один момент, когда лопасть находится перпендикулярно к ветровому потоку. Кроме того, этот аналог, может быть использован только для небольших по мощности ветроустановок, т.к. он не имеет защитных устройств от разрушения при возникновении штормовых и особенно ураганных ветров. Тогда, как для крупных ветроустановок с большой парусностью, такая защита крайне необходима. При интенсивном вращении возникает гироскопический эффект, который неблагоприятно воздействует на вертикальную ось и устойчивость всей конструкции. Недостаточно используются возможности конструкции для получения электрической энергии с помощью пьезоэлементов.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая горизонтальные валы, радиально закрепленные на вертикальном валу, установленном в опорах вращения с возможностью передачи вращающего момента валу электрогенератора, ветронапорные лопасти, каждая из которых закреплена с возможностью поворота на одном из горизонтальных валов, и ограничители поворота ветронапорной лопасти в одну сторону. В указанной установке имеются, кроме того, ограничители предельного отклонения лопастей, установленные так, что угол поворота лопасти между двумя такими ограничителями близок к 180 градусам. Фиксации лопастей известная установка не предусматривает, (аналог - см. патент РФ №2276285, МПК F03D 3/06, 2003 г.)
Недостаток известной ветроэнергетической установки состоит в том, что ее конструкция должна иметь запас прочности, рассчитанный на рабочую нагрузку при максимальной для данной местности скорости ветра (включая штормы и редкие порывы ветра). Это утяжеляет конструкцию и повышает ее металлоемкость. При интенсивном вращении возникает гироскопический эффект, который неблагоприятно воздействует на вертикальную ось и устойчивость всей конструкции. Недостаточно используются возможности конструкции для получения электрической энергии с помощью пьезоэлементов.
Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая горизонтальные валы, закрепленные на колесных тележках, которые гибко связаны в непрерывную цепь и установлены на замкнутом рельсовом полотне с возможностью передачи вращающего момента валу электрогенератора, и ветронапорные лопасти, каждая из которых закреплена на горизонтальном валу (аналог - см. патент РФ №2125182, МПК 6 F03D 5/04, 1999 г.].
Недостаток известной ветроэнергетической установки состоит в том, что ее конструкция должна иметь запас прочности, рассчитанный на рабочую нагрузку при максимальной для данной местности скорости ветра (включая штормы и редкие порывы ветра). Это утяжеляет конструкцию и повышает ее металлоемкость. При интенсивном вращении возникает гироскопический эффект, который неблагоприятно воздействует на вертикальную ось и устойчивость всей конструкции. Недостаточно используются возможности конструкции для получения электрической энергии с помощью пьезоэлементов.
Известна «Ветроэлектрическая станция», содержащая ветроколесо карусельного типа, включающее подвесной кольцевой рельс, контактирующие с рельсом колесные опоры, вертикально направленные к земле мачты с установленными поворачивающимися относительно них парусными рабочими органами, выполненными в виде пар складных створок. Под действием ветра рабочие органы перемещаются на колесных опорах по подвешенному кольцевому рельсу. На активном участке траектории под давлением ветра находящиеся в сложенном положении створки раскрываются, а на пассивном - складываются, что и создает рабочий крутящий момент (аналог - см. а.с. СССР №1455037, МПК 4: F03D 5/04, 1989 г.)
Недостатками этой ветроэлектрической станции являются жесткий удароподобный режим работы складных створок парусных рабочих органов, крайне сложный с низким КПД механизм отбора энергии через посредство вращающихся магнитных якорей и расположенного в тоннеле по периметру станции индуктора электрогенератора, необходимость вовлечения в периферийное вращательное движение больших масс - якорей, сложность обеспечения устойчивости и центрирования подвесной конструкции станции при ветровой нагрузке. При интенсивном вращении возникает гироскопический эффект, который неблагоприятно воздействует на вертикальную ось и устойчивость всей конструкции. Недостаточно используются возможности конструкции для получения электрической энергии с помощью пьезоэлементов.
Известна «Ветроэлектрическая станция», содержащая ветроколесо карусельного типа, включающее наземные кольцевые рельсы, контактирующие с ними колесные опоры, установленные на ветроколесе вертикальные мачты с поворачивающимися относительно них ветроприемниками. Станция снабжена системой принудительного управления положением ветроприемников по показаниям автономного флюгера с помощью компьютера и специальными движущимися по своему кольцевому рельсовому пути мини-тележеками и узлом отбора мощности с помощью связанного с установленным на земле электрическим генератором катка, контактирующего с расположенной на ветроколесе кольцевой дорожкой (аналог - см. патент FR №2523220, МПК 7 F03D 5/04, 1983 г.)
Недостатками этой ветроэлектрической станции являются наличие сложной системы непрерывного управления ветроприемниками, требующей значительных энергетических затрат и снижающих КПД станции, принципиальная невозможность учета характерных для приземной зоны (высотой до 50 метров), в которой располагается станция, рыскающих и разнонаправленных по высоте потоков ветра, сложный с низким КПД механизм отбора энергии. При интенсивном вращении возникает гироскопический эффект, который неблагоприятно воздействует на вертикальную ось и устойчивость всей конструкции. Недостаточно используются возможности конструкции для получения электрической энергии с помощью пьезоэлементов.
Известна ветровая силовая установка карусельного типа балочной конструкции с вертикальной осью вращения. Установка содержит приемники ветрового напора, установленные на вращающихся радиальных горизонтальных балках и совершающие угловые повороты вокруг вертикальных осей, а также беговые дорожки и контактирующие с ними катки. Установка содержит самоуправляемую несущую балочную конструкцию наземного базирования карусельного типа, вращающуюся по одной или нескольким опорным беговым дорожкам вокруг вертикальной оси. Приемники ветрового напора размещены на радиальных балках и выполнены в виде напорных и направляющих рамок с вертикальными осями вращения и ограничивающими упорами (см. патент РФ №2305795, МПК F03D 5/04 (2006.01) от 2007 г.). Данное решение принято за прототип.
Недостатком известной конструкции является то, что при интенсивном вращении для обеспечения нужной точности смещения центра тяжести от центра подвеса не должны превышать долей микрона, иначе момент силы тяжести вызовет нежелательную прецессию (уход) оси гироскопа. Кроме того, на точность показаний приборов с гироскопом в карданном подвесе влияет трение в осях, возникает гироскопический эффект, который неблагоприятно воздействует на вертикальную ось и устойчивость всей конструкции. Недостаточно используются возможности конструкции для получения электрической энергии с помощью пьезоэлементов и солнечных батарей.
Техническая задача - повышение надежности работы и увеличение коэффициента полезного действия конструкции.
Для достижения поставленной технической задачи, ветровая силовая установка карусельного типа балочной конструкции с вертикальной осью вращения, содержащая приемники ветрового напора, установленные с возможностью угловых поворотов вокруг вертикальных осей на вращающихся радиальных горизонтальных балках, в соответствии с полезной моделью снабжена опорной мачтой, в верхней части которой установлен с возможностью вращения, по крайней мере, один подвижный полукорпус, к которому присоединена, по крайней мере, одна верхняя радиальная горизонтальная балка, выполненная в виде горизонтальной лопасти, а на беговой дорожке нижней части полукорпуса размещены пьезоэлементы.
Ветровая силовая установка может быть снабжена вторым подвижным полукорпусом, причем полукорпуса установлены с возможностью вращения в противоположных направлениях.
Ко второму полукорпусу присоединена нижняя радиальная горизонтальная балка, выполненная в виде горизонтальной лопасти с приемниками ветрового напора.
На верхних радиальных горизонтальных балках, в местах, обращенных к солнцу, размещены солнечные батареи.
В полукорпусах размещены электрогенераторы.
Технический результат от использования всех признаков полезной модели заключается в повышении надежности работы при увеличении коэффициента полезного действия конструкции.
Наличие мачты, снабженной, по крайней мере, одним полукорпусом, к которому присоединена радиальная горизонтальная балка, выполненная в виде горизонтальной лопасти, позволяет повысить надежность работы установки и ее КПД.
Выполнение горизонтальных балок в виде лопастей, наличие пьезоэлементов, контактирующих с вращающимся полукорпусом, значительно повышает надежность работы и при этом позволяет увеличить КПД установки.
Дополнительно размещение на горизонтальных балках солнечных батарей также позволяет увеличить КПД установки.
Использование пьезоэлементов, которые под действием деформации индуцируют электрический заряд, уже давно известно для преобразования механической энергии в электричество. Известно применение в качестве пьезоэлемента нитрид алюминия вместо традиционного цирконат-титаната.
Солнечные батареи на горизонтальных лопастях служат дополнительным источником энергии при безветрии или слабом ветре и во время вращения, несмотря на то, что энергия будет пульсирующей и менее эффективной.
Фиг. 1 - ветровая силовая установка;
Фиг. 2 - кинематическая схема восьми * двенадцати лопастной ветровой силовой установки;
Фиг. 3 - принципиальная схема работы восьми * двенадцати лопастной ветровой силовой установки;
Фиг. 4 - устройство парусов шести лопастной ветровой силовой установки;
Фиг. 5 - схема работы шести лопастной ветровой силовой установки.
Предлагаемая ветровая силовая установка может использоваться, как на плавучей платформе, так и на земле.
Ветровая силовая установка карусельного типа балочной конструкции оснащена вертикальной осью 1 вращения, установленной в подшипниках 2 полукорпуса 3. В предпочтительном варианте ветровая установка снабжена двумя полукорпусами 3, 4, выполненными с возможностью вращения в противоположные стороны. Полукорпуса 3, 4 установлены в верхней части опорной мачты 5.
С полукорпусом 3 соединена, по крайней мере, одна вращающаяся верхняя радиальная горизонтальная балка 6. С полукорпусом 4 соединена вращающаяся нижняя радиальная горизонтальная балка 7. На балке 6 установлены приемники ветрового напора основные - 8 и дополнительные 9, на балке 7 установлены вспомогательные приемники ветрового напора 10. Приемники ветрового напора (основные, дополнительные и вспомогательные) установлены на балках 6, 7 с возможностью угловых поворотов вокруг вертикальных осей 11. Каждый приемник ветрового напора снабжен индивидуальной вертикальной осью 11.
В местах контакта полукорпусов 3 и 4 и на беговой дорожке 12 (рольганге) нижней части нижнего полукорпуса 4 размещены пьезоэлементы 13. Каждый пьезоэлемент обычно изготовляется как плоская пластина, по противоположным сторонам которой монтируются (напыляются) электроды. При ее деформации на этих электродах появляется ЭДС.
На фигуре 2 показана принципиальная схема восьми лопастной ветровой силовой установки. Схема установки (Фиг. 2) представляет балочную конструкцию с лопастями. Балки 6, 7 крепятся соответственно к верхнему 3 и нижнему 4 полукорпусам и находятся на общей оси 1 вращения, установленной на подшипниках 2 в полукорпусах. Для устойчивости установки по наружной окружности нижнего полукорпуса 4 располагаются рольганги 12, которые удерживают конструкцию от горизонтальных перемещений и одновременно являются возбудителями энергии воздействуя на пьезоэлементы 13, расположенных на дорожке перемещения по роликам 12.
В данной конструкции (Фиг. 2, 3) лопасти, которые крепятся соответственно к верхнему 3 и нижнему 4 полукорпусам, вращаются в противоположном направлении за счет ориентации лопастей и сателлитов 14, расположенных между верхним и нижним полукорпусами, которые также воздействуют на пьезоэлементы 13. Горизонтальные балки 6, 7 также выполнены в виде лопастей и являются несущими для приемников ветрового напора 8, 9, 10. Горизонтальные балки имеют конструкцию фермы, снабженной оболочкой, которая и образует форму лопасти балок, что повышает жесткость балок и одновременно позволяет использовать их как дополнительные лопасти.
На горизонтальных балках размещены вертикальные приемники ветрового напора - 8, 9, 10, которые крепятся через фланцы на осях 11 и имеют при этом свободный поворот, в данном случае (Фиг. 2, 3) до 90°. Такая свобода поворота приемников ветрового напора, ориентированная на направление ветра, является основой получения максимального КПД установки. На верхних горизонтальных балках 6 на плоскости, направленной в сторону солнца устанавливаются солнечные батареи 15, которые дают дополнительный источник энергии, компенсируя потери при отсутствии или слабом ветре. Солнечная батарея характеризуется как источник электрического тока посредством фотоэлектрических преобразователей. Преимущество солнечных батарей обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок службы практически не ограничен.
Приемники ветрового напора 8, 9, 10 ветровой силовой установки устроены по принципу яхтовых парусов, плавность свободного хода обеспечивают амортизаторы гидро или воздушного типа (не показаны). Стабильность вращения ветровой силовой установки (в зависимости от силы ветра) достигается увеличением или уменьшением нагрузки путем включения или выключения электрогенераторов. При штормовом ветре приемники ветрового напора 8, 9, 10 становятся по ветру через храповой механизм 16 (см. фиг. 2, 4) и тем самым прекращается вращение ветровой силовой установки.
Вертикальные приемники ветрового напора 8, 9, 10 выполняются из композитных материалов при этом легкие и прочные. Мощность ветровой силовой установки установки зависит от плеча, то есть длины и площади горизонтальных балок 6, 7 и общей площади приемников ветрового напора 8, 9, 10.
На фиг. 3 представлен принцип работы приемников ветрового напора восьми-двенадцати лопастной ветровой силовой установки относительно направления ветра, указанного волнистыми стрелками. Приемники ветрового напора 8, 9, 10, находясь параллельно горизонтальным балкам, работают в наиболее в активной зоне, но, переходя критическую точку, автоматически под воздействием ветра разворачиваются на 90° оставаясь в активной зоне. Двигаясь на встречный ветер, приемники ветрового напора работают во флюгерном режиме. Таким образом, уменьшается сопротивление ветру, а в итоге увеличивается КПД установки. Нижние приемники ветрового напора работают по аналогичной схеме, но вращаются в противоположном направлении, уменьшая момент разворота всей конструкции при работе.
Данная схема работы (Фиг. 2, 3) может применяться, в том числе, и на плавучих платформах (Фиг. 1) в качестве энергетической установки для жилых комплексов.
На фиг. 5 представлена работа шести лопастной ветровой силовой установки только с верхним вращающимся полукорпусом 3, в нижней части схемы волнистыми стрелками показано направление ветра. Принцип работы приемников ветрового напора аналогичный предыдущей восьми лопастной конструкции, при условии разворота приемников ветрового напора 8, 9 до 120°.
Плавность поворота приемников ветрового напора 8, 9 от критической точки до 120° достигается путем балансировки относительно оси поворота, центра площади каждого из приемников и его центра массы. Безопасность работы приемников ветрового напора при штормовой ситуации обеспечивается храповым устройством 16 (см. фиг. 4). Он обеспечивает при максимальной ветровой нагрузке переход приемников ветрового напора во флюгерный режим.
Необходимую стабильность вращения приемников ветрового напора при любой силе ветра в пределах одного - двух оборотов в секунду обеспечивает стандартное автоматическое устройство вариаторного типа (не показано) при различных типах электрогенераторов 17, в данном случае уменьшая или увеличивая зазор между статором и ротором, исходя из силы ветра. Также стабильность вращения приемников ветрового напора обеспечивается за счет автоматического включения или отключения электрогенераторов в зависимости от силы ветра.
Под действием воздушного потока на автономные узлы приемников ветрового напора, находящихся на установке максимально удаленно от оси ее вращения, создается вращающий момент установки, который передается электрогенераторам 17 (см. фиг 5).
При скорости ветра, превышающей допустимую, приемники ветрового напора разворачиваются, уменьшая свою площадь с помощью стандартного устройства (не показано).
Испытания макетных образцов показали высокую надежность работы и высокий коэффициент полезного действия конструкции.
Предлагаемая ветровая силовая установка может быть использована также и для привода ветровых насосных или компрессорных станций, ветровых мельниц и маслобоен, ветровых зерноочистительных агрегатов, пилорам и циркульных пил и т.п. используя при этом экологически чистый вид энергии - ветровую энергию, не затрачивая материальные и трудовые ресурсы на добычу, переработку, транспортировку жидкого или твердого топлива и не загрязняя окружающую среду вредными выбросами.
Устройство может быть изготовлено с применением современного оборудования, материалов и технологий.