ВЕТРОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к использованию энергии ветра для получения механической энергии.
Известно устройство, в котором реализована идея качающегося щита, на который давит воздушный поток. Это устройство описано в патенте "Ветровая энергетическая установка" (см. патент RU 2277642, F03D 3/00, 10.01.2006). Примем его за аналог. Ветровая энергетическая установка содержит опору и стержень, прикрепленный одним окончанием к опоре при помощи шарнирного соединения. Стержень соединен с устройством (условно называемое "парусом"), которое обладает поверхностной площадью и способностью сопротивляться ветровому потоку, а также в автоматическом и (или) ручном режиме может менять величину своей поверхностной площади.
При этом устройство ("парус"), сопротивляясь ветровому потоку, осуществляет отклонение стержня относительно шарнирного соединения при воздействии на это устройство ветрового потока. Стержень также соединен с компенсатором, удерживающим этот стержень в исходном вертикальном положении при отсутствии воздействия ветрового потока на установку и возвращающим стержень в исходное вертикальное положение после окончания воздействия ветрового потока на ветровую энергетическую установку. Недостатком аналога является низкий КПД. Кроме того, в предлагаемом устройстве конкретно не решены вопросы ориентирования "паруса" относительно направления ветрового потока, переход на режим флюгера (при обратном ходе мачты) и установка активного "паруса". Для внедрения известного устройства необходимо еще решать вопросы управления для циклической работы "паруса".
В качестве прототипа предлагается - Ветровая энергетическая установка - (патент RU №2484296 С2. Опубликован 10.06.2013 г, Бюл. №16). Это ветровая энергетическая установка, содержащая опору, стержень, прикрепленный одним окончанием к опоре, а другим соединенный с устройством, которое обладает поверхностной площадью и способностью сопротивляться ветровому потоку, насос с поршнем, который имеет впускные и выпускные клапаны, соединенные с питающей и напорной магистралями, причем в качестве стержня используется вращающийся вал, который закреплен в верхнем и нижнем опорных стаканах с подшипниками, нижний опорный стакан соединен с поверхностью опоры, а верхний соединен с конструктивным узлом, обеспечивающим вертикальное положение вала, причем на верхнюю часть вала в качестве устройства, способного сопротивляться ветровому потоку закреплено ветроколесо, а ниже на вал симметрично насажена прямоугольная многосторонняя призма с четным числом сторон, к каждой боковой стороне которой прикреплен силовой узел, выполненный в виде мембраны и насоса, поршни насосов подсоединены к соответствующим мембранам, причем противоположные мембраны попарно связаны штоками, а впускные и выпускные клапаны насосов подсоединены к общим напорной и питающей магистралям установки, проходящими внутри вала и переходящими на опору через ротационное соединение, установленное на ней. В этой установке вход питающей магистрали соединен с источником рабочего вещества, а выход напорной магистрали подсоединен к аккумулятору рабочего вещества, причем к выходу последнего подключен напорный трубопровод, соединяющий ее с потребителем. Основным недостатком прототипа является сложность согласования оборотов вала установки, задаваемых ветроколесом, и эффективной работы силовых узлов (насосов) из-за изменения скорости ветрового потока и давления в напорной магистрали. Возможны неэффективные режимы работы:
1) поршни не успевают из своих камер выдавить все рабочее вещество за время активного воздействия ветрового потока на их мембраны (в этом режиме завышены обороты вала установки).
2) поршни выдавили все рабочее вещество из камер, но на их мембраны продолжает активно воздействовать ветровой поток (в этом режиме занижены обороты вала установки).
В предлагаемой ветровой энергетической установке (ВЭУ) для надежного согласования оборотов вала с эффективной работой силового узла, выполненного в виде мембраны и насоса (когда поршень полностью выдавливает из камеры рабочее вещество, происходит поворот вала установки на один шаг и на мембрану этого силового узла прекращается активное воздействие ветрового потока (ВП), причем одновременно под активное воздействие ВП попадает очередная мембрана и силовой узел, в ее конструкцию вводится ряд дополнительных узлов и деталей, обеспечивающих шаговый (циклический) режим ее работы и повышающий ее энергоэффективность по сравнению с прототипом. Этот результат обеспечивается за счет того, что ВЭУ наряду с элементами и узлами используемыми в прототипе, дополнительно в камере каждого насоса напротив поршня установлен конечный выключатель, фиксирующий контакт движения поршня с противоположной стенкой камеры насоса, а на валу установки под призмой жестко закреплен тормозной диск с числом фиксирующих отверстий, равным количеству сторон призмы, под диском на опоре также установлен в тормозном стакане тормоз, состоящий из соленоида, пружины и тормозного цилиндрического штока с контактным роликом на верхнем его конце. При этом вход питающей магистрали соединен с источником рабочего вещества, а выход напорной магистрали подсоединен к аккумулятору рабочего вещества, задающему давление в напорной магистрали, и связанному с потребителем.
На Фиг. 1 изображен общий вид ветровой энергетической установки, обдуваемой ВП-15. Призма-1, ветроколесо-14, тормозной диск-26 закреплены на валу-2, который входит в опорные стаканы-3,4. На опоре -5 под тормозным диском находится тормозной стакан-20. Вся установка закрепляется на опоре-5 и поддерживается в вертикальном положении конструктивным узлом-6.
На Фиг. 2 изображена конструкция ветровой энергетической установки в разрезе, вид сбоку. Наряду с узлами и элементами, отмеченными на Фиг. 1, показаны мембраны-8, поршни насосов-9, камеры насосов-10, выпускные-11 и впускные -12 клапаны насосов, конечные выключатели-7, штоки-13, питающая-16 и напорная-17 магистрали, ротационное соединение -18, тормозной стакан-20, аккумулятор рабочего вещества 29, источник рабочего вещества-30.
На Фиг. 3 изображена конструкция ВЭУ в разрезе по А-А Фиг. 2.
На Фиг. 4 изображен тормозной диск-26 с фиксирующими отверстиями-19.
На Фиг. 5 изображены тормозной стакан-20 с соленоидом (втягивающей катушкой) -21, пружиной-22, фиксатор пружины на штоке-23, тормозной цилиндрический шток-24, контактный ролик-25.
На Фиг. 6 дана блок-схема управления шаговым режимом работы ВЭУ. Конечные выключатели-7, формирователи коротких импульсов-27, логическая схема ИЛИ-28, соленоид-21.
ВЭУ представляет собой прямоугольную призму -1 с четным числом сторон, не менее 4-х, и симметрично по центру расположенным валом - 2. Вал - 2 закреплен в верхнем - 3 и нижнем - 4 опорных стаканах с подшипниками. Нижний опорный стакан - 4 жестко соединен с поверхностью опоры - 5, на которой располагается ВЭУ. Опорой - 5 может быть поверхность земли, крыша здания и т.п. Верхний опорный стакан-3 соединен с конструктивным узлом- 6, обеспечивающим жесткое, строго вертикальное положение вала - 2. В конструктивном узле - 6 могут быть применены, например, стальные растяжки, показанные на Фиг. 1. На каждую боковую сторону призмы - 1 закреплен силовой узел, состоящий из мембраны-8, насоса с поршнем-9 и рабочей камерой-10, причем на ее стенке, противоположной поршню, установлен конечный выключатель-7 и выпускные-11, и впускные-12 клапаны. Мембрана 8 также соединена со штоками-13, которые связаны с мембраной 8 силового узла на противоположной стороне призмы - 1.
Для того чтобы ВП воздействовал на все стороны призмы-1, ВЭУ снабжена ветроколесом-14. Оно преобразует кинетическую энергию ВП- 15 во вращательное движение вала-2, когда отсутствует его торможение. В качестве ветроколеса могут применяться любые известные типы с вертикальной осью вращения ротора. ВЭУ содержит питающую-16 и напорную-17 магистрали, которые могут быть наполнены газовым (в самом простом случае просто воздухом) или жидким рабочим веществом. Питающая магистраль соединена с впускными клапанами-12 камеры-10, а напорная магистраль соединена с выпускными клапанами-11 камер-10. Для передачи рабочего вещества по напорной-17 и питающей-16 магистралям с вращающейся части ВЭУ на опору-5, используется ротационное соединение-18, установленное на опоре-5.
ВЭУ (по фиг. 1-6) работает следующим образом: при воздействии ВП-15 на мембрану-8 одного из силовых узлов, она движется параллельно начальному положению в направлении вала-2, преодолевая сопротивление рабочего вещества в поршне- 9 соответствующего насоса, вытесняя из рабочей камеры-10 этого насоса рабочее вещество в напорную магистраль-17 через выпускной клапан-11 и смещая противоположную мембрану-8 от вала-2 в другое крайнее (начальное) положение с помощью штоков-13, создавая при этом разрежение в пустой противоположной камере-10 насоса, которое способствует заполнению ее жидким или газообразным рабочим веществом. Вал-2 ВЭУ в этом режиме неподвижен и удерживается тормозными диском-26 и штоком-24, а в момент, когда из камеры-10 очередного насоса вытесняется полностью рабочее вещество и поршень-9 касается конечного выключателя-7, формирователем коротких импульсов-27 и логическим элементом-28 на соленоид-21 тормоза подается короткая команда на втягивание тормозного штока-24. Шток 24 кратковременно выходит из фиксирующего отверстия-19, вал-2 под действием ветроколеса-14 поворачивается, шток-24 после окончания короткой команды на соленоид, под действием пружины-22, касается контактным роликом-25 поверхности тормозного диска-26 и движется к очередному фиксирующему отверстию-19, а попадая в него останавливает вращение вала-2 до очередной команды от конечника-7 следующего силового узла (следующей стороны призмы) и т.д. Рабочее вещество по питающей-16 и напорной-17 магистралям передается с вращающейся части установки на опору-5 через ротационное соединение-18.
Коэффициент усиления давления рабочего вещества в напорной магистрали-17 зависит от соотношения площадей мембраны Si и поршня S2, что позволяет варьировать соотношение Si/ S2 существенно расширить рабочий диапазон скоростей ВП-15 при заданном давлении в аккумуляторе-29.
Один из вариантов ВЭУ (по Фиг. 2) устанавливается вблизи источника рабочего вещества- 30 (например - водоема), расположенного на уровне земли или ниже. При этом питающая магистраль-16 соединяется с указанным источником, а напорная магистраль-17 соединяется с аккумулятором рабочего вещества-29, сооруженным на значительном возвышении над уровнем земли (например, водонапорная башня, верхнее помещение жилого, административного или заводского здания и т.п.). Выход аккумулятора рабочего вещества- 29 подключен к потребителю рабочего вещества с заданным давлением.
Под воздействием ВП-15 призма-1 с помощью ветроколеса-14 будет вращаться, а элементы силовых узлов будут совершать возвратно-поступательные движения, вытесняя рабочее вещество из питающей магистрали -16 в напорную магистраль-17 через ротационное соединение-18.Таким образом, предлагаемая ВЭУ позволяет по сравнению с прототипом обеспечить более высокий КПД и надежную работу по четкому шаговому алгоритму даже при порывистых и переменных ВП. Может применяться при отсутствии надежного электроснабжения (и в качестве аварийного резерва) для подъема воды в водонапорные башни, для полива в сельском хозяйстве, для работы пневматическими и гидравлическими инструментами и устройствами. В связи с этим разработанная конструкция ВЭУ имеет более широкую область применения.