МОДУЛЬНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к ветроэнергетике и касается ветроагрегатов с ветроколесами барабанного типа, у которых лопасти параллельны оси вращения.
Известен ветроагрегат, содержащий ветроколеса барабанного типа, установленные на радиальных траверсах, расположенных в одной вертикальной плоскости с направляющими экранами, флюгеры, закрепленные на концах траверс - для ориентации ветроколес с экранами на ветер, и электрогенератор с ротором, кинематически связанным с половиной ветроколес и контрротором, связанным с остальной половиной ветроколес. Имеется центральная поворотная мачта с симметричным направляющим обтекателем, к которой прикреплены траверсы, а ветроколеса, связанные с ротором и контрротором, установлены, соответственно, по разные стороны мачты с возможностью вращения в противоположные стороны - авт. свид. СССР №1564375, F03D 3/02,1990 г.
Недостатки известного решения состоят в следующем.
Поворотная конструкция, используемая в устройстве, не допускает значительного повышения мощности за счет увеличения количества аналогичных конструкций - модулей. При горизонтальном расположении модулей они, так или иначе, будут перекрывать друг друга. Добавление каждого следующего модуля требует изменения размещения всех уже установленных модулей. При вертикальном расположении модулей наступает ограничение по количеству модулей из-за прочности мачты.
Поворотная конструкция обладает определенным моментом инерции, который оказывает непосредственное влияние на время разворота установки на ветер. Во время разворота установка работает неэффективно (практически не работает); таким образом, обрезается высокочастотная часть энергетического спектра переменных воздушных потоков. Наступает ограничение по ширине установки (с ростом ширины растет момент инерции, увеличивается время разворота, меньшая часть энергетического спектра участвует в преобразовании энергии), что ограничивает активную площадь сбора энергии.
Наличие обтекателей и флюгеров увеличивают материалоемкость установки, что сказывается на ее весе и себестоимости.
Вышеуказанные ограничения сужают границы применения ветроустановки (мощность, территориальное размещение и т.д.).
Прототипом полезной модели является модульная ветроэнергетическая установка, содержащая, по меньшей мере, один модуль, состоящий из одного ротора пропеллерного типа, связанного с валом генератора, соединенного с нагрузкой, при этом увеличение количества модулей предполагает их жесткое соединение при симметричном размещении на каркасе - патент Швейцарии №625018, F03D 1/04, 1981 г.
Недостаток прототипа заключается в том, что стационарный (неповоротный) вариант установки требует большого числа панелей, развернутых по каждому из направлений: от 0° до 360° горизонта (число панелей равно отношению полного угла 360° к сектору направленности каждой панели). При такой компоновке в каждый момент времени (при определенном направлении ветра) больше половины таких панелей будут бездействовать.
Быстроходные роторы машин пропеллерного типа, используемые в прототипе, характеризуются повышенным уровнем акустических шумов. Это обстоятельство ограничивает применение таких машин в густонаселенной и жилой зоне.
В связи с этим технической задачей, решаемой полезной моделью, является увеличение коэффициента преобразования энергии и расширение границ применения ветроэнергетической установки.
Эта задача решена в модульной ветроэнергетической установке, содержащей, по меньшей мере, один модуль, состоящий из минимум двух роторов, лопасти которых параллельны оси вращения, каждый из которых механически связан с валом генератора, соединенного с нагрузкой, при этом образующие двух соседних роторов в каждом модуле параллельны, а зазор между ними - не более радиуса ротора.
В одном из частных случаев исполнения устройства ротор в модуле выполнен цилиндрическим.
В другом частном случае ротор в модуле выполнен коническим.
Предполагается возможность соединения модулей в единую конструкцию в вертикальном и/или горизонтальном направлении.
Отдельный модуль ветроэнергетической установки (ветропанель) собирается из нескольких роторов, лопасти которых параллельны оси вращения, любого известного типа (Савониуса и т.п.). Недостаток такого одиночного ротора заключается в том, что у него работает лишь одна половина, лопатки которой движутся по ветру. Вторая половина, лопатки которой движутся против ветра, только тормозит движение. В предложенном устройстве решена задача использования второй половины ротора. Когда мы располагаем роторы рядом друг с другом, поток воздуха, набегающий на половину ротора, движущуюся навстречу ветру, обтекает ее и попадает на рабочие лопатки соседнего ротора. Таким образом, в преобразовании энергии ветра участвует вся площадь ветропанели (крайним ротором пренебрегаем), а не половина, как в
случае отдельного ротора. Влияние этого эффекта зависит от зазора между соседними роторами: чем меньше этот зазор, тем сильнее влияние. При величине зазора, сравнимой с радиусом ротора, воздушный поток увлекается в промежуток между роторами мимо рабочих лопаток, что обуславливает несущественное проявление эффекта.
На фиг.1 представлена конструкция одного модуля с двумя цилиндрическими роторами; на фиг.2 а, б - схема модуля с тремя коническими роторами; на фиг.3 - вид конструкции плоской многороторной ветропанели (модуля) с одним общим генератором, в которой роторы симметрично расположены по обе стороны от главного вала модуля; на фиг.4 - применение ветропанелей с цилиндрическими роторами для автономного освещения периметра огороженной территории; на фиг.5 - применение установки с ветропанелями, содержащими и конические, и цилиндрические роторы, для автономного освещения территории; на фиг.6 изображено вертикальное присоединение двух цилиндрических модулей, предназначенных для автономного освещения рекламных тумб; на фиг.7 - присоединение плоских ветропанелей в вертикальном и горизонтальном направлении в единую многомодульную конструкцию по компоновочной схеме «угол».
Установка по фиг.1 содержит два ротора 1, лопасти которых параллельны оси вращения, каждый из которых механически связан с валом 2 генератора 3, соединенного с нагрузкой 4. Образующие роторов 1 параллельны, а зазор между ними - не более радиуса ротора. Приведенные на фиг.2 а, 6 варианты конических роторов 5 отличаются положением их осей: на фиг.2 а - оси параллельны, на фиг.2 6 - оси пересекаются. При этом зазор между ними - не более среднего радиуса конуса ротора.
На фиг.3 плоская многороторная ветропанель содержит роторы 1, закрепленные на траверсах 6 между стойками 7 по обе стороны зубчатого конического сбалансированного мультипликатора 8. Мультипликатор содержит единый главный
вал, каждая коническая шестерня которого входит в зацепление с соответствующей конической шестерней, жестко соединенной с соответствующим ветроротором (не показано). Главный вал мультипликатора 8 через механическое устройство (муфту или зубчатую передачу) присоединяется к генератору 3.
На фиг.4 показан вариант использования плоских ветропанелей 9 с цилиндрическими роторами. Ветропанели установлены сверху ограждения для автономного питания освещения периметра территории. Установка по фиг.5 отличается от установки по фиг.4 наличием ветропанелей 10 с коническими роторами.
Установка собирается из одной или нескольких многороторных ветропанелей в различные конфигурации по геометрии и по мощности. Ветропанели могут соединяться между собой и с другими элементами конструкции с помощью резьбовых, клепаных, сварных и т.п. соединений. Возможно также применение быстроразъемных соединений (замковых). Такие соединения хорошо применять для переносных ветроустановок, которые в процессе эксплуатации многократно монтируются и демонтируются (установки автономного питания отдаленных стройплощадок и т.д.).
Интегральная мощность всей установки задается количеством используемых ветропанелей и мощностью каждой ветропанели. Геометрия установки может быть различна, в зависимости от решаемой задачи. Ветропанели могут быть собраны в одной или нескольких плоскостях, расположенных по компоновочным схемам: «звезда», «многоугольник» или «ломаная линия» - для получения необходимой диаграммы направленности. На фиг.6 показано вертикальное присоединение цилиндрических ветропанелей 11, которые могут устанавливаться, например, сверху цилиндрических рекламных тумб для их автономного освещения. На фиг.7 изображена многомодульная конструкция, собранная из ветропанелей 9 по
компоновочной схеме «угол». Диаграмма направленности такой схемы приближается к круговой, т.е. работа установки в целом не зависит от направления ветра.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Все роторы 1 механически связаны с валом генератора 3 через мультипликатор 8, который может быть выполнен, например, в виде зубчатой конической передачи. Для преобразования энергии важен параметр - скорость вращения вала преобразователя (для роторных машин). В некоторых случаях выгодно использовать мультипликатор, увеличивающий скорость вращения. Но любой мультипликатор вносит дополнительные потери, поэтому важно выбрать конструкцию мультипликатора с наименьшим количеством потерь.
Ветер, попадая на лопасти роторов 1, приводит их во вращение. Коническая шестерня, жестко закрепленная на валу каждого ротора 1, передает момент вращения своей парной конической шестерне, закрепленной на едином главном валу мультипликатора 8. Главный вал приводит во вращение генератор 3, который вырабатывает энергию и передает ее нагрузке 4.
Эффект увеличения коэффициента преобразования энергии обусловлен следующим.
За счет малых размеров каждого ротора 1 и небольших размеров ветропанелей 9-11, лучше учитывается пространственная неоднородность ветра. Установки с большой площадью ротора усредняют воздушные потоки по всей своей площади и работают не в самом эффективном режиме для каждого потока. Малая активная площадь каждого самостоятельного элемента установки позволяет различить воздушные потоки и подобрать для них эффективные режимы работы, а суммарно - по всем элементам для всей установки - шире охватить пространственно-энергетический спектр ветра.
За счет малого диаметра каждого ротора 1, сокращается время реакции ротора на изменения ветра (малый момент инерции). Инерционные установки обрезают высокочастотную часть спектра плотности энергии ветра (фильтр высоких частот) и не используют ее. Малоинерционная установка шире охватывает энергетический частотный спектр ветра.
За счет малого диаметра каждого ротора 1, увеличивается его частота вращения. Это важно для последующего преобразования энергии (в электрическую, гидравлическую или тепловую). Например, мощность электрической машины (генератора) при фиксированных параметрах (габариты, вес, себестоимость и т.п.) растет как квадрат частоты вращения, т.е. при увеличении скорости вращения в 3 раза (уменьшении диаметра ветроколеса в 3 раза), расчетная мощность генератора фиксированного веса возрастает в 9 раз.
Следует отметить также другие положительные свойства ветроэнергетической установки, которые предполагают ее широкое применение.
Толщина ветропанели (диаметр ротора 1) много меньше ее габаритных размеров по высоте и ширине. Геометрическая форма ветропанели улучшает соотношения: активная площадь/объем, активная площадь /вес. Ветропанель занимает меньше полезной территории, на которой она установлена. Ветропанель меньше весит, а значит и меньше стоит, удобна при монтаже и в обслуживании.
Ветропанель безопасна для человека. Запасенная кинетическая энергия распределена по всей площади и не концентрируется в одном месте. Вес лопаток и каждого ротора небольшой и не может принести при аварии существенный вред человеку и сооружениям.
Быстроходные установки (пропеллерного типа) производят большие акустические шумы. Тихоходные установки практически бесшумны. В многороторной ветропанели все шумы распределены по площади и не коррелируют
между собой, частично подавляя друг друга. Таким образом, многороторная ветропанель приносит меньший вред окружающей среде в сравнении со всеми известными типами ветроустановок.
Использование прозрачных материалов (пластиков) при изготовлении ветропанели позволяет создавать ветропанели, не препятствующие прохождению естественного и искусственного освещения.
Использование цветных материалов (пластиков) или технологии окраски при изготовлении ветропанели позволяет создавать ветропанели с мозаичным рисунком (логотипом, лозунгом, рекламой и т.п.).
Ветропанель приспособлена работать как в одиночку, так и в едином ансамбле ветропанелей. Установки из ветропанелей обладают большой конструкционной гибкостью, что позволяет легко вносить изменения в конструкцию (добавление или демонтаж), без переделки основного «ядра» установки, обслуживать, не прерывая ее работы.
Модульно-независимая структура установок из ветропанелей повышает их интегральную надежность и устойчивость: при выходе из строя ветропанели, частично или полностью, установка в целом не теряет работоспособности.
Исходя из вышеперечисленных свойств, можно утверждать, что конструкции, состоящие из ветропанелей, приспособлены к использованию как в отдаленных ненаселенных районах, так и в густонаселенных пунктах, в том числе - крупных городах. Они могут быть смонтированы как отдельное сооружение, так и вписаны или дополнены в состав уже существующих зданий и сооружений.
Себестоимость установки сокращают не только малые затраты материалов на изготовление. Установка состоит из нескольких ветропанелей, а каждая ветропанель состоит из многих одинаковых элементов. Массовое производство, как известно, сокращает себестоимость и более привлекательно для производителей.