Ветроэнергетическая установка

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и представляет собой установку для преобразования энергии ветра в электрическую энергию, может использоваться для обеспечения электрической энергией малоэтажных жилых домов, хозяйственных построек, построек для временного проживания и других.
Из уровня техники известно устройство для производства энергии методом парашютного захвата (RU2348831, МПК F03D11/00, опубл. 10.03.2009 г.), содержащее установленную на поворотной оси систему концентратор-диффузор ветрового потока, образующую в продольном сечении сопло Лаваля, в узкой части которого установлено ветроколесо. Устройство снабжено каркасной рамой, на которой располагается ветроколесо, и имеющими возможность деформироваться каркасными кольцами, удерживающими ткань концентратора и диффузора, поворотная ось размещена перед концентратором и связана с ним стропами, обеспечивающими закрытие-открытие концентратора путем регулировки длины строп, при этом концентратор и диффузор выполнены скошенной формы таким образом, что верхние части концентратора и диффузора длиннее их нижних частей.
Недостатком известного устройства является неустойчивость и не безопасность конструкции за счет использования строп, а также малая мощность вырабатываемого электрического тока.
Устройство характеризуется сложностью снятия электрического заряда с генератора, находящегося постоянно в хаотичном движении в воздухе.
Использование данного устройства возможно только на открытом пространстве достаточно большой площади.
Из уровня техники также известна парусная ветроэнергетическая установка (RU102695, МПК F03D1/04, опубл. 10.03.2009 г.), состоящая из воздухоприемного устройства, постоянно поворачивающегося навстречу ветровому потоку, турбины и электрических генераторов, установка выполнена в виде конического конфузора, прямолинейной или криволинейной, приближенной к параболе формы, предназначенного для забора воздуха по площади его наибольшего сечения и многолопастной продольной турбины с горизонтальной или вертикальной осью вращения, направленной ортогонально направлению потока ветра, при этом конфузор устанавливается на круговой поворотной конструкции на поверхности земли или на определенной высоте от поверхности земли и непрерывно поворачивается навстречу ветровому потоку.
Недостатком данной установки является сложность ее конструктивного исполнения за счет наличия круговой поворотной конструкции в виде монорельса или рельсового пути, а также за счет применения системы автоматической ориентации конфузора, содержащей датчик направления ветра, привод ведущего колеса и привод открывающихся створок. Часть энергии, вырабатываемой ветрогенератором, расходуется на работу системы автоматической ориентации конфузора, что снижает энергоэффективность работы установки.
Размещение анкера для защиты от опрокидывания в центральной части установки, а также выполнение диаметра поворотной конструкции меньше ширины конфузора, во-первых, не обеспечивает достаточную устойчивость установки при сильных порывах ветра, а, во-вторых, затрудняет поворот конструкции для её ориентирования по направлению ветра в связи с возникающими силами трения в круговой поворотной конструкции.
Кроме того, известная установка стационарна, требует предварительной подготовки фундамента для установки круговой поворотной конструкции, что значительно сужает область ее применения.
Парусная ветроэнергетическая установка выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в создании простой, надежной и мобильной конструкции ветроэнергетической установки, характеризующейся высокой энергоэффективностью.
Решение поставленной задачи в ветроэнергетической установке, состоящей из, по крайней мере, одного воздухозаборника, ветрогенератора, установленного на выходе воздуха из воздухозаборника, и элементов, обеспечивающих перемещение установки на опорной поверхности относительно узла крепления, достигается тем, что воздухозаборник представляет собой корпус, на котором закреплен дополнительный воздухозаборник, стенки которого ориентированы под углом к корпусу, корпус установлен в воздухосборнике, при этом узел крепления установки на опорной поверхности размещен впереди установки в области входного отверстия воздухозаборника.
В частных вариантах реализации настоящей полезной модели достигается следующее.
Воздухосборник осуществляет функцию накопления воздуха.
Воздухосборник осуществляет функцию переходника с выходного отверстия корпуса на входное отверстие ветрогенератора.
Воздухосборник выполнен из гибкого воздухонепроницаемого материала.
В воздухосборнике образовано, по крайней мере, одно окно, выполненное с возможностью его открывания и закрывания.
Корпус выполнен сборно-разборным.
На выходе воздушного потока из ветрогенератора установлен диффузор.
Диффузор выполнен с возможностью его отсоединения от ветрогенератора и развертки.
Дополнительный воздухозаборник выполнен с возможностью его полного или частичного складывания при сильных порывах ветра.
Дополнительный воздухозаборник образует конфузор, имеющий форму усечённой пирамиды.
Стенки или части стенок дополнительного воздухозаборника соединены между собой разъемно.
Стенки или части стенок дополнительного воздухозаборника выполнены с возможностью их вращения относительно места крепления.
Установка снабжена поворотными планками, расположенными под углом к горизонтали и/или вертикали.
Элементы, обеспечивающие перемещение установки, выполнены в виде роликовых элементов или колес.
Узел крепления установки на опорной поверхности выполнен в виде шарнирного соединения.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящей полезной модели, заключается в повышении энергоэффективности установки за счет следующего.
Введение в конструкцию дополнительного воздухозаборника, который увеличивает площадь соприкосновения установки с воздушным потоком, обеспечивает увеличение количества поступающего в воздухозаборник (корпус) воздуха при слабом ветре и, как следствие, повышение мощности воздушного потока, поступающего на лопасти ветрогенератора, и выходной энергомощности установки.
Расположение узла крепления установки на опорной поверхности в передней части конструкции со стороны входного отверстия воздухозаборника  обеспечивает вынос шарнирного соединения за центр масс, что повышает эффективность поворота конструкции ветроэнергетической установки при изменении направления ветра. Таким образом, в установке воздухозаборник всегда ориентируется по направлению ветра, что повышает эффективность использования ветрового потока и, как следствие, повышает энергоэффективность установки.
Установка корпуса воздухозаборника внутри воздухосборника исключает возможность завихрения воздушного потока на выходе из корпуса за счет возникающих в воздухосборнике встречных потоков воздуха, что повышает мощность воздушного потока, поступающего на лопасти ветрогенератора, и выходной энергомощности установки.
Воздухосборник также облегчает прохождение воздуха из выходного отверстия корпуса во входное отверстие ветрогенератора, выполняя роль переходника, как правило, поперечное сечение выходного отверстия корпуса имеет прямоугольную форму, а поперечное сечение входного отверстия ветрогенератора имеет круглую форму.
Конструкция дополнительного воздухозаборника выполнена с возможностью его полного или частичного складывания к верхней и боковым сторонам корпуса при сильном ветре, благодаря чему уменьшается площадь соприкосновения установки с воздушным потоком, что предотвращает избыточную нагрузку на конструкцию при сильных порывах ветра.
Кроме того, введение в конструкцию диффузора облегчает отвод воздуха из рабочей зоны ветрогенератора. Ветер, обтекающий диффузор снаружи, создает разряженное пространство внутри диффузора, что обеспечивает дополнительную тягу на лопастях ветрогенератора, увеличивая выходную мощность установки.
Мобильность установки обеспечивается за счет выполнения корпуса сборно-разборным, разъемного соединения стенок или частей стенок дополнительного воздухозаборника, выполнения воздухосборника из гибкого материала, выполнения диффузора с возможностью его отсоединения от ветрогенератора и развертки.
Простота конструкции ветроэнергетической установки заключается в исключении электрического привода для ориентирования установки по ветру, как это предусмотрено в прототипе. Поворот конструкции по ветру в заявляемом решении обеспечивается за счет расположения стенок дополнительного воздухозаборника под углом к корпусу, выноса узла крепления на опорной поверхности в переднюю часть установки, а также за счет наличия поворотных планок.
Предложенная конструкция ветроэнергетической установки позволяет ее использовать даже при небольших скоростях ветра.
Дополнительным техническим результатом настоящей полезной модели является расширение арсенала технических средств, в частности ветроэнергетических установок.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
Сущность заявляемой ветроэнергетической установки поясняется чертежами:
на фиг. 1 – общий вид ветроэнергетической установки с местным сечением в области узла крепления ее на опорной поверхности и в области расположения ветрогенератора (вид сбоку);
на фиг. 2 – общий вид ветроэнергетической установки (вид сверху);
на фиг. 3 – общий вид ветроэнергетической установки (вид спереди);
на фиг. 4 – общий вид ветроэнергетической установки (вид сзади).
Ветроэнергетическая установка содержит сборно-разборный корпус 1, представляющий собой направляющий канал прямой или сужающейся формы, ориентированный преимущественно горизонтально. Корпус 1 в преимущественном варианте выполнен из панелей. В качестве материала панелей могут быть использованы листы полимерных, композитных материалов, ДСП, ЛДСП, металла и других. Панели также могут быть выполнены из прочного упругого материала. Корпус 1 в поперечном сечении в преимущественном варианте имеет прямоугольную форму. Корпус 1 также может иметь в поперечном сечении форму окружности или эллипса.
Панели корпуса 1 соединены между собой разъемно. Соединение панелей может быть осуществлено с помощью крепёжных средств: болтов, муфт, уголков, накладок. Панели корпуса 1 могут быть соединены между собой с использованием уплотнителей, например, резиновых уплотнителей.
Корпус 1 прикреплен разъемно к раме 2. Рама 2 в предпочтительном варианте выполнена горизонтальной. Рама 2 может быть выполнена сборно-разборной. Корпус 1 прикреплен к раме 2 посредством одной или более сборно-разборных стоек 3, выполненных с возможностью их отсоединения от рамы 2 и корпуса 1.
Направляющий канал корпуса 1 выполняет функцию воздухозаборника, собирая поступающий воздушный поток и концентрируя его в области лопастей ветрогенератора 4. Ветрогенератор 4 установлен горизонтально с использованием, например, одной или более сборно-разборных стоек 3 и/или штанг 5 на определенной высоте над рамой 2. Ветрогенератор 4 может быть установлен посредством каркасной конструкции, обеспечивающей его крепление на раме 2 с возможностью беспрепятственного вращения его лопастей. Вместо ветрогенератора 4 на каркасе или сборно-разборных стойках 3 и/или штангах 5 могут быть установлены лопасти, связанные с ротором электрического генератора. Ветрогенератор 4 может иметь несколько рядов лопастей как одинакового, так и разного размеров, установленных на общей оси. Ветрогенератор 4 закреплен с возможностью его съема (разборная конструкция для целей транспортировки). Между выходным отверстием корпуса 1 и ветрогенератором 4 имеется зазор.
В качестве материала сборно-разборных стоек 3, штанг 5 и рамы 2 могут быть использованы любые материалы, например, металлические, композитные материалы и другие, обладающие необходимой прочностью к знакопеременным вертикальным и горизонтальным нагрузкам.
Со стороны поступления воздушного потока в корпус 1 он снабжен дополнительным воздухозаборником 6, предназначенным для увеличения площади соприкосновения воздухозаборника (корпуса) 1 с потоком ветра. Дополнительный воздухозаборник 6 в преимущественном варианте состоит из, по крайней мере, четырех стенок (направляющих). Дополнительный воздухозаборник 6 образует конфузор в форме усеченной пирамиды, который захватывает воздух с большой площади и направляет его в направляющий канал (воздухозаборник) корпуса 1 и далее к ветрогенератору 4.
Стенки дополнительного воздухозаборника 6 ориентированы преимущественно под углом более 120° (на чертежах угол А) к наружным верхней и боковым сторонам корпуса 1. Размер угла определен практическими исследованиями. При установке стенок на угол 120° - 180° обеспечивается наименьшее сопротивление потоку воздуха и соответственно наибольший захват воздуха внутрь корпуса 1, при меньших же значениях угла возникает эффект парусности, приводящий к большой нагрузке на конструкцию, при этом количество поступающего в корпус 1 воздуха увеличивается незначительно.
В частных случаях выполнения угол А может быть и менее 120°.
Стенки дополнительного воздухозаборника 6 выполнены из листов легкого по весу материала, например, алюминия, фанеры, полимерного или композитного материала и других. Стенки в преимущественном варианте исполнения имеют трапецеидальную форму.
Нижняя стенка дополнительного воздухозаборника 6 может быть выполнена увеличенной длины, что обеспечивает лучший захват воздуха у поверхности земли (опорной поверхности), исключая возможность его прохождения под конструкцией ветроэнергетической установки.
Части верхней и боковых стенок дополнительного воздухозаборника 6 могут быть выполнены подвижными.
Подвижные 7 и неподвижные 8 части  стенок дополнительного воздухозаборника 6 соединены между собой с возможностью вращения подвижной части 7 относительно неподвижной части 8, например, посредством шарнирного соединения, либо с помощью вспомогательных средств.
Стенки или подвижные части 7 стенок дополнительного воздухозаборника 6 соединены между собой разъемно с возможностью их отсоединения друг от друга во время эксплуатации установки. Стенки или подвижные части 7 стенок соединены между собой с использованием уплотнителей, либо закрывающих щели планок (на чертежах не показаны). Отсоединение стенок или подвижных частей 7 стенок друг от друга обеспечено посредством, например, предохранительных зажимов, защелок (на чертежах не показаны), рассчитанных на определенную силу воздействия.
Стенки или подвижные части 7 верхней и боковых стенок дополнительного воздухозаборника 6 выполнены с возможностью их автоматического складывания к неподвижным частям 8 стенок или к корпусу 1. Складывание дополнительного воздухозаборника 6 частично или полностью уменьшает площадь забора воздуха, что приводит к снижению сопротивления воздушному потоку, препятствуя разрушению конструкции при сильном ветре. При этом его нижняя стенка, прижимаясь к опорной поверхности за счет прижимной силы ветра, обеспечивает повышение устойчивости всей конструкции ветроэнергетической установки.
Корпус 1 размещен в воздухосборнике 9, выполненном в преимущественном варианте в форме сферы или эллипса. Воздухосборник 9 осуществляет функцию накопителя воздуха, отводя избыточное количество воздуха из выходного отверстия направляющего канала корпуса 1. Кроме того, воздухосборник 9 осуществляет функцию переходника с прямоугольного выходного отверстия корпуса 1 на круглое входное отверстие ветрогенератора 4.
Воздухосборник 9 выполнен из воздухонепроницаемого гибкого материала, в преимущественном варианте обладающего возможностью растягиваться и возвращаться в исходное состояние. В качестве материала для изготовления воздухосборника 9 могут быть использованы, например, резина, армированная резина, парашютная ткань, парусная ткань, синтетическая ткань и другие материалы.
Воздухосборник 9 закреплен герметично в месте установки ветрогенератора 4 и на корпусе 1 в районе входного отверстия и/или на дополнительном воздухозаборнике 6.
Соединение воздухосборника 9 со сборно-разборными стойками 3 осуществлено или жестко или с возможностью перемещения его нижней части вдоль стоек 3, например, в случае его растягивания во время сильных порывов ветра. Подвижное соединение воздухосборника 9 со стойками 3 может быть осуществлено посредством  сальников.
В воздухосборнике 9 может быть выполнено, по крайней мере, одно отверстие, представляющее собой окно (на чертежах не показано). В преимущественном варианте изготовления в воздухосборнике 9 выполнены два окна. При слабом ветре окна закрыты посредством, например, клапанов (накладок), образованных из тела воздухосборника 9. При сильном ветре клапаны открываются, выпуская часть воздушного потока наружу. В качестве элементов, служащих для закрытия окон клапанами (накладками), могут быть использованы магниты.
На выходе воздушного потока из ветрогенератора 4 может быть установлен диффузор 10. Диффузор 10 в преимущественном варианте выполнен в форме усеченного конуса, также он может иметь форму усеченной пирамиды. Диффузор 10 может быть выполнен из упругого материала малой толщины, например, листов полимерного материала. Диффузор 10 может быть выполнен с возможностью его отсоединения от ветрогенератора 4 и развертки с получением плоского листа, удобного для транспортировки.
Диффузор 10 облегчает отвод воздуха из рабочей зоны ветрогенератора 4, снижая его турбулентность и сопротивление отводу.
Рама 2 закреплена на опорной поверхности через узел крепления 11 с возможностью свободного вращения относительно места крепления. В качестве опорной поверхности могут быть использованы грунт (земля), фундамент, крыша здания и иные ровные поверхности.
Узел крепления 11 рамы 2 на опорной поверхности может быть осуществлен, например, посредством шарнирного соединения.
В преимущественном варианте исполнения узел крепления 11 рамы 2 на опорной поверхности размещен в передней центральной части установки в области расположения дополнительного воздухозаборника 6.
Рама 2 снабжена элементами 12, обеспечивающими возможность перемещения (вращения) установки относительно узла крепления 11 на опорной поверхности, выполненными в виде роликов или колес. Количество роликовых элементов или колес 12 в преимущественном варианте исполнения – два. Количество роликовых элементов или колес 12 в зависимости от габаритов установки может быть более двух.
Шарнирное соединение 11 установки с опорной поверхностью обеспечивает возможность поворота установки и ориентирования корпуса 1 по направлению ветра.
Конструкция ветроэнергетической установки может быть снабжена поворотными планками (на чертежах не показаны), ориентированными под углом к вертикальной и/или горизонтальной плоскости.
Поворотные планки могут быть выполнены с возможностью изменения их положения относительно горизонтальной и/ или вертикальной осей.
Поворотные планки  выполняют из легкого и прочного материала, например, алюминия, композитного или полимерного материала, или других материалов.
Поворотные планки помогают осуществить поворот ветроэнергетической установки для ориентирования корпуса 1 и дополнительного воздухозаборника 6 по ветру в случае изменения направления ветра.
Заявляемая ветроэнергетическая установка может содержать несколько корпусов 1 с воздухосборниками 9 и соответственно ветрогенераторами 4, соединенными друг с другом разъемно, например, в ряд. Для всех установок, установленных в ряд, дополнительный воздухозаборник 6 может быть выполнен общим.
Предлагаемая установка работает следующим образом.
Ветроэнергетическую установку собирают и через шарнирное соединение 11 устанавливают на ровной опорной поверхности, обеспечивающей возможность беспрепятственного качения по ней роликовых элементов или колес 12.
В преимущественном варианте реализации для получения необходимой выходной мощности два и более корпуса 1 с ветрогенераторами 4 и воздухосборниками 9 соединяют в ряд, устанавливая общий для них дополнительный воздухозаборник 6.
Воздушный поток, попадая через дополнительный воздухозаборник 6 в направляющий канал корпуса 1 направляется к лопастям ротора ветрогенератора 4, который за счет вращения ротора вырабатывает переменный электрический ток, поступающий далее через, например, контроллер на аккумуляторы или напрямую к потребителю.
В случае изменения направления ветра, воздушный поток, ударяясь о стенки дополнительного воздухозаборника 6 и поворотные планки (при их наличии), создает толкающую силу для поворота установки по направлению движения ветра. Повороту установки способствует расположение шарнирного соединения 11 рамы 2 с опорной поверхностью в передней части установки, т.е. за центром масс. Таким образом, ветроэнергетическая установка всегда поворачивается по направления движения ветра.
При сильных порывах ветра подвижные части 7 стенок дополнительного воздухозаборника 6 отсоединяются друг от друга, при этом подвижные части 7 верхней и боковых стенок складываются к неподвижным частям 8 верхней и боковых стенок дополнительного воздухозаборника 6. Сложение дополнительного воздухозаборника 6 препятствуют разрушению конструкции установки при сильном ветре. Кроме того, при сильном потоке ветра часть воздушного потока, выходящего из корпуса 1, отводится в воздухосборник 9. При избыточном накоплении воздушного потока в воздухосборнике 9 клапаны на окнах открываются, выпуская часть воздушного потока наружу.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка характеризуется простотой конструкции, возможностью ее сборки-разборки и транспортировки к месту использования, что позволяет ей найти широкое применение для электропитания частных домов, складов, хозяйственных помещений и иных индивидуальных построек.
Ветроэнергетическая установка обладает повышенной надежностью в эксплуатации, технологична в изготовлении, может быть произведена в условиях отечественной промышленности с использованием известного оборудования, материалов и технологий.
Использованные в этом описании термины и словосочетания: «содержит», «содержащий», «в преимущественном варианте», «преимущественно», «в частности», «может быть» и их варианты, не должны интерпретироваться как исключающие присутствие других материалов, частей, элементов конструкции, действий.