ЛОПАСТЬ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к ветроэнергетике, в частности к лопастям ветроэнергетических установок карусельного типа, и может быть использована в установке для преобразования энергии ветра в другие виды энергии, например в электрическую.
Известно устройство для преобразования энергии ветра, содержащее корпус, выполненный трубообразным, внутренняя поверхность которого выполнена с последовательным сужением и с расширением по ходу набегающего воздушного потока и, по крайней мере, часть наружной поверхности которого выполнена с расширением по ходу набегающего воздушного потока, причем внутренняя поверхность корпуса сообщена каналом с его наружной поверхностью, преобразователь, установленный внутри корпуса, и выполненный, с возможностью преобразования вращения лопастей ротора его турбины преимущественно в электрическую энергию, отличающееся тем, что внутренняя поверхность корпуса выполнена из пластин, сопряженных своими сторонами в продольном и в поперечном направлении трубообразного корпуса [Патент на полезную модель № RU 35385, дата публикации 10.01.2004, дата приоритета 13.10.2003].
Известна ветротурбина, снабженная соплом с диффузором для направления потока воздуха в лопатки турбины для увеличения скорости ветра при приближении к лопаткам турбины [Заявка № US 2012230810, дата публикации 13.09.2012, дата приоритета 13.03.2012].
В качестве прототипа была выбрана полусферическая лопасть в составе ветроэнергоустановки карусельного типа, которая содержит корпус из четырех ребер жесткости, в котором вертикально закреплен вал с ветроколесом. Ветроколесо состоит из ротора, сообщенного с полусферическими лопастями, покрытыми фотоэлементами, при этом на корпусе расположены дополнительные фотоэлементы с возможностью корректировки их угла наклона по отношению к природному источнику света [Патент на полезную модель № DE 29714614, дата публикации 17.10.1996, дата приоритета 23.08.1996].
Недостатками устройства по прототипу являются повышенная материалоемкость и низкая надежность при шквальных усилениях ветра, поскольку отсутствует механизм сброса избыточной кинетической энергии ветра и аварийной защиты от шквальных усилений ветра. Общим недостатком известных вертикально-осевых ветроэнергоустановок карусельного типа является низкий коэффициент использования ветра (составляет 15-22%) и, как следствие, тихоходность (модуль быстроходности составляет от 1 до 2).
Задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности и эффективности ветроэнергетической установки при экстремальных погодных условиях.
Технический результат заключается в повышении коэффициента использования энергии ветра и прочности при одновременном увеличении модуля быстроходности ветроэнергоустановки при экстремальных погодных условиях.
Сущность заявляемого устройства заключается в следующем.
Лопасть ветроэнергетической установки выполнена в виде полусферы. В отличие от прототипа, лопасть содержит осевое отверстие и полый усеченный конус внутри, жестко соединенный большим основанием с отверстием, при этом меньшее основание конуса снабжено заслонкой с обратным клапаном.
Образующей лопасти может являться усеченный конус или парабола с целью упрощения процесса производства лопасти. Диаметр осевого отверстия полусферической лопасти может составлять от 1/6 до 1/3 внешнего диаметра лопасти, при этом усеченный конус может быть выполнен в виде раструба или, например, сопла Лаваля. Диаметр большего основания раструба совпадает с диаметром отверстия в лопасти, а диаметр меньшего основания раструба составляет от 0 до 0,9 от диаметра отверстия в лопасти. Меньшее основание раструба может быть снабжено выступами для более плотного прилегания подвижного обратного клапана к отверстию. Лопасть и раструб могут быть дополнительно снабжены отверстиями диаметром от 1/6 до 1/3 от диаметра миделевого сечения лопасти в количестве 4+N штук, расположенными симметрично на внешней поверхности лопасти и раструба в их верхней, нижней и боковых частях, при этом отверстия в лопасти снабжены трубами любой формы, сообщенными с отверстиями в раструбе. Трубы, соединяющие отверстия в лопасти и раструбе, обеспечивают работоспособность ветроэнергоустановки при турбулентном движении ветрового потока.
Заслонка представляет собой шайбу, снабженную обратным клапаном внутри раструба. Клапан может представлять собой пластину на пружинах, расположенных на противоположных сторонах заслонки в отдельных корпусах. При этом крепление пластины к заслонке осуществляется с помощью шпилек, сообщенных с пружинами, а внутри корпусов для пружин выполнено отверстие для движения шпильки по нему. Работа обратного клапана обеспечивается движением шпильки в отверстии при растяжении пружины пластиной клапана, на которую действует ветровой поток. Размеры заслонки и пластины определены диаметром раструба и выступами на его меньшем основании. Крепление заслонки с клапаном к раструбу может осуществляться с помощью шарнира или рычага на шарнире или любого другого известного средства, обеспечивающего подвижное соединение заслонки и раструба.
С целью увеличения хода обратного клапана, он может быть дополнительно снабжен ветровым экраном. Ветровой экран может быть выполнен в виде полого цилиндра, одно из оснований которого снабжено шайбой, а другое - ступицей, с помощью которой осуществляется крепление ветрового экрана к пластине клапана. При этом шайба жестко соединена с цилиндром по внутреннему диаметру, который совпадает с диаметром цилиндра, а основание ступицы меньше диаметра основания цилиндра. Основание цилиндра ветрового экрана, снабженное ступицей, может быть выполнено в виде лепестковой шайбы. Ветровой экран может быть выполнен в форме параллелепипеда, снабженного квадратной шайбой, или в любой другой известной форме, обеспечивающей тот же результат.
Площадь ветрового экрана и упругость пружин обратного клапана рассчитывается в зависимости от величины давления ветрового потока при его превышении в пределах от 0% до 15% от давления при расчетной скорости ветра до 11 м/с.
Наличие обратного клапана обеспечивает сброс избыточной кинетической энергии через зазор, образовавшийся между клапаном и заслонкой, при движении лопасти по ветру и повышение коэффициента использования энергии ветра при движении лопасти против ветра за счет прохождения части ветрового потока через раструб при открытом подвижном клапане. Часть ветрового потока может проходить через лепестковую шайбу, что обеспечивает дополнительный сброс кинетической энергии ветра.
Внешняя поверхность раструба внутри лопасти может быть снабжена ветровыми шайбами. Шайбы представляют собой полусферы с осевым отверстием, расположенные на внешней поверхности раструба с такой частотой, что диаметр осевого и выходного отверстия каждой следующей шайбы уменьшается в пределах от 0% до 20% от диаметра предыдущей шайбы по мере уменьшения диаметра раструба, что позволяет увеличить площадь соприкосновения поверхности лопасти с потоком воздуха и увеличивает коэффициент использования энергии ветра. На поверхности раструба могут быть выполнены отверстия между шайбами с диаметром от 0 до L, где L - расстояние между ветровыми шайбами. Таким образом, часть ветрового потока проходит через отверстия между шайбами, что позволяет дополнительно сбрасывать излишнюю кинетическую энергию.
При малых габаритах лопасти раструб может быть выполнен без подвижного обратного клапана, ветровых шайб и дополнительных отверстий.
За счет наличия отверстий с трубами в лопасти, ветрового экрана, ветровых шайб и отверстий в раструбе, миделевое сечение лопасти остается неизменным, а площадь взаимодействия лопасти с ветровым потоком увеличивается в 1,5 раза и более, в зависимости от габаритов лопасти и количества вышеупомянутых элементов, за счет чего дополнительно увеличивается коэффициент использования энергии ветра.
Лопасть может быть расположена на концах горизонтальных стержней ветроэнергетической установки. При этом ветроэнергетическая установка содержит два вертикальных вала, соосно установленные друг в друга, с возможностью вращения в противоположные стороны, каждый из которых снабжен горизонтальными стержнями. Длина внешнего вала меньше длины внутреннего, а разница в длине определяется в зависимости от параметров полусферических лопастей таким образом, чтобы обеспечивалась возможность их беспрепятственного вращения. С целью увеличения мощности ветроэнергоустановки на конце каждого горизонтального стержня перпендикулярно ему может быть расположен дополнительный стержень, при этом лопасти могут располагаться на его концах.
Возможность вращения валов ветроэнергоустановки в противоположные стороны обеспечивается за счет того, что на горизонтальном стержне внутреннего вала лопасти расположены выходным отверстием в одну сторону, а на горизонтальном стержне внешнего вала - в противоположную. Таким образом, при любом направлении потока ветра один из вертикальных валов вращается по направлению движения часовой стрелки, а другой - против направления движения часовой стрелки за счет того, что давление при действии потока ветра на внутреннюю поверхность лопасти много больше давления при действии потока ветра с той же силой на внешнюю поверхность лопасти.
Заявляемая лопасть ветроэнергетической установки характеризуется такими отличительными существенными признаками, как осевое отверстие и полый усеченный конус внутри лопасти, жестко соединенный большим основанием с отверстием, а также заслонка с обратным клапаном, которой снабжено меньшее основание конуса, что обеспечивает возможность сброса излишней кинетической энергии ветра при одновременном увеличении коэффициента использования ветра и прочности ветроэнергоустановки, в которой используется полусферическая лопасть, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию «новизна».
Заявляемая полезная модель может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что позволяет судить о соответствии заявляемой полезной модели критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Заявляемое устройство поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1. - ветроэнергетическая установка в изометрии;
Фиг. 2 - заслонка с обратным клапаном в разрезе;
Фиг. 3 - вид лопасти при движении по ветру;
Фиг. 4 - вид лопасти при движении против ветра;
Фиг. 5 - лопасти, расположенные на горизонтальных стержнях.
Ветроэнергетическая установка содержит подставку 1, содержащую четыре ножки с костылями 2 и талреп 3, мультипликатор с приводом 4 и два соосных вращающихся вала 5 и 6, установленные один в другой. Каждый вал снабжен горизонтальным стержнем 7, на концах которого расположены полусферические лопасти 8. На горизонтальном стержне внутреннего вала 5 лопасти расположены выходным отверстием в одну сторону, а на горизонтальном стержне внешнего вала 6 - в противоположную. Мультипликатор содержит корпус с крышкой, внутри которого расположен горизонтальный вал, сообщенный с вертикальными вращающимися валами посредством конической зубчатой передачи (не показано на чертежах). Горизонтальный вал сообщен с генератором посредством клиноременной передачи через фрикционную муфту предельного момента (не показано на чертежах). Полусферические лопасти 8 содержат осевое отверстие 9 и раструб 10 в виде полого усеченного конуса внутри, жестко соединенный большим основанием с осевым отверстием 9, при этом меньшее основание конуса снабжено заслонкой 11 с обратным клапаном 12. Заслонка 11 представляет собой шайбу, снабженную обратным клапаном 12 внутри раструба. Клапан выполнен в виде пластины 13 на пружинах 14, расположенных на противоположных сторонах заслонки в отдельных корпусах 15. При этом крепление пластины 13 к заслонке 11 осуществляется с помощью шпилек 16, сообщенных с пружинами 14, а внутри корпусов 15 для пружин выполнено отверстие 17 для движения по нему шпильки 16. Обратный клапан 12 снабжен ветровым экраном 18, выполненным в виде полого цилиндра, одно из оснований которого снабжено шайбой 19, а другое - ступицей 20, с помощью которой осуществляется крепление ветрового экрана 18 к пластине клапана 13. При этом шайба 19 жестко соединена с цилиндром по внутреннему диаметру, который совпадает с диаметром цилиндра, а основание ступицы 20 меньше диаметра основания цилиндра. Основание цилиндра ветрового экрана, снабженное ступицей 20, выполнено в виде лепестковой шайбы 21. Подвижное соединение заслонки 11 с клапаном 12 к раструбу обеспечивается рычагом на шарнире 22. На внешней поверхности раструба расположены ветровые шайбы 23, выполненные в виде полусфер с осевым отверстием, с такой частотой, что диаметр каждой следующей шайбы уменьшается в пределах от 0% до 20% от диаметра предыдущей шайбы по мере уменьшения диаметра раструба 10, при этом на поверхности раструба между шайбами выполнены отверстия 24.
Принцип действия заявляемой лопасти в составе ветроэнергетической установки заключается в следующем.
Давление на внутреннюю конструкцию лопасти много больше при ее движении по ветру, чем лобовое давление на внешнюю поверхность лопасти, расположенной на другом конце данного горизонтального стержня, за счет этого вертикальные валы, на которых расположены горизонтальные стержни с лопастями, вращаются в противоположные стороны. При увеличении скорости потока ветра до 11 м/с, под действием давления ветрового потока на ветровой экран 18 и обратный клапан 12 лопасти, движущейся по ветру, преодолевая силу упругости пружин 14, обратный клапан 12 приоткрывается и в образовавшийся зазор между пластиной клапана 13 и заслонкой 11, а также через отверстия в раструбе 24 между ветровыми шайбами 23, проходит часть ветрового потока. Под действием давления потока ветра на лопасть, движущуюся против ветра, заслонка 11 с обратным клапаном 12 поворачивается на шарнире рычага 22 и часть ветрового потока проходит сквозь лопасть через раструб 10. Кинетическая энергия вращения лопастей на горизонтальных валах 7 преобразуется путем передачи вращательного момента через клиноременную передачу и фрикционную муфту предельного момента на генератор.