Ветроэлектростанция
WIND FARM

Техническое решение относится к ветроэнергетике и предназначено для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения лопастной системы с последующим её преобразованием в электрическую энергию.
Из уровня техники известно техническое решение «Ветроэлектростанция», содержащая корпус и рабочий вал, установленный в корпусе с возможностью свободного вращения вокруг вертикальной оси, закрепленное на вале ветроколесо, выполненное в виде усеченного конуса, с лопастями, закрепленными вдоль образующих конуса. Корпус содержит стойку-кронштейн и основание. Патент РФ на полезную модель №155147, МПК F03D 3/06, F03D 11/00, опубликован 20.09.2015 г.
Общими признаками известного решения и заявляемого решения являются:
- наличие рамы,
- наличие вала, выполненного с возможностью вращения и функционально соединенного с электрогенератором,
- наличие лопастной системы, закрепленной на вале.
Отличительными признаками приведенного решения и заявляемого решения являются:
- выполнение рамы с возможностью закрепления между тремя радиально расположенными сооружениями
- наличие неподвижной жестко закрепленной вертикальной оси, к которой закреплена опорная рама,
- вал установлен с возможностью вращения на указанной вертикальной оси.
Недостатком данного решения является низкая мощность ветроэлектростанции, так как предложенные конструкция корпуса и варианты закрепления вала и ветроколеса не обеспечивают жесткость конструкции и устойчивость ветроэлектростанции, достаточную для использования лопастных систем с большими площадями лопастей.
Из уровня техники известно техническое решение, выбранное в качестве наиболее близкого аналога, «Ветроэлектростанция» по патенту РФ на изобретение № 2673280 (МПК F03D 3/00, F03D 9/34, F03D 9/45, опубликован 23.11.2018).
Общими признаками приведенного решения и заявляемого решения являются:
- наличие рамы, выполненной с возможностью закрепления между тремя радиально расположенными сооружениями,
- наличие вала, выполненного с возможностью вращения и функционально соединенного с электрогенератором,
- наличие лопастей, закрепленных на валу.
Отличительными признаками приведенного решения и заявляемого решения являются:
- неподвижная жестко закрепленная вертикальная ось, к которой закреплена опорная рама,
- вал установлен с возможностью вращения на указанной вертикальной оси.
В известном решении для обеспечения жесткости и устойчивости конструкции при больших площадях лопастей требуется сооружение объемной опорной рамы, что может привести к высокой материалоемкости конструкции ветроэлектростанции, так как для достижения высоты конструкции, где потенциал ветровой энергии становится наиболее эффективным и приближается практически к постоянному действию с весьма незначительными колебаниями, требуется сооружение конструкции с высотой, в несколько десятков и даже сотни метров. При этом такая рама должна обладать достаточными жесткостью и устойчивостью, чтобы выдерживать нагрузки от воздействия ветрового потока.
Задача заявляемого решения состоит в преодолении недостатков известных решений и в создании ветроэлектростанции, обладающей высокой эффективностью и надежностью.
Технический результат заявляемого технического решения заключается в повышении жесткости и устойчивости конструкции ветроэлектростанции.
Заявляемый технический результат достигается тем, что ветроэлектростанция, включающая как минимум одну опорную раму, выполненную с возможностью крепления между, как минимум, тремя радиально расположенными сооружениями, вал, выполненный с возможностью вращения и функционально соединенный с электрогенератором, и лопастную систему, закрепленную на валу, дополнительно содержит неподвижную жестко закрепленную вертикальную ось, к которой закреплена опорная рама, а вал установлен с возможностью вращения вокруг указанной вертикальной оси. Площадь одной лопасти лопастной системы выбирают от 5 до 1000 кв.м. Лопасть лопастной системы может быть выполнена различных форм, например, в форме паруса. Предпочтительно вертикальная ось выполнена полой и содержит отверстия для проведения коммуникаций.
Размещение опорной рамы между, как минимум, тремя радиально расположенными сооружениями с закреплением её к неподвижной жестко закрепленной вертикальной оси и размещение вала с возможностью вращения вокруг указанной оси обеспечивает жесткость, устойчивость и надежность всей конструкции, что позволяет использовать лопастные системы с большими параметрами, например, площадь одной лопасти от 5 до 1000 кв.м., что уменьшая колебательные нагрузки на конструкцию ветроэлектростанции, одновременно увеличивает эффективность её работы и повышает мощность.
Более того, закрепление опорной рамы между, как минимум, тремя радиально расположенными обтекаемыми сооружениями позволяет увеличить эффективность работы ветроэлектростанции, так как создаваемый тремя радиально расположенными сооружениями воздушный коридор позволяет формировать усиленные потоки ветра при любом его направлении для воздействия на лопастную систему даже на таких высотах её размещения, где ветровые потоки ещё не характеризуются постоянным действием.
Вал ветроэлектростанции, выполненный с возможностью вращения неподвижной оси, конструктивно соединен с электрогенератором любым известным из уровня техники способом для передачи вращения, вызванного воздействием кинетической энергии ветра на лопасти лопастной системы, в механическую энергию вращения элементов электрогенератора для преобразования ее в электрическую энергию. При этом сам электрогенератор может быть, как непосредственно связан с вращающимся валом, так и размещен отдельно с использованием известного способа передачи вращения. Вал может быть установлен как непосредственно на неподвижной оси, так и на раме, любым известным способом, например, с помощью подшипников.
В целях понимания заявляемого решения необходимо уточнить, что радиально расположенные сооружения означают сооружения, размещенные по направлению радиуса, относительно неподвижной вертикальной оси, вокруг которой осуществляется вращения вала и не ограничиваются таким вариантом размещения, когда все сооружения размещены на одинаковом расстоянии от оси вращения и на одинаковом расстоянии друг от друга. Сооружения могут размещаться и на разных расстояниях от оси вращения вала, и на разных угловых расстояниях, например, для восприятия преобладающих ветров в выбранной местности.
Расчеты и созданные математические модели показали, что оптимальная высота зданий от 5 до 800 м, а высота расположения первой лопастной системы – 5-15 м. Лопастные системы могут располагаться на вале одна над другой. Параметры и количество лопастных систем, включая площадь одной лопасти и её форма, при таком расположении рассчитываются отдельно для конкретной высоты зданий. Например, на небольших высотах могут быть использованы большие лопасти, для лучшего восприятия ветров небольшой силы, а по мере увеличения высоты площадь лопасти может уменьшаться.
Выполнение конструкции ветроэлектростанции таким образом, что вращение лопастной системы происходит вокруг вертикальной оси позволяет увеличить эффективность работы ветроэлектростанции и её надежность, так как такое расположение при любых изменениях направления ветра будет одинаково хорошо воспринимать его кинетическую энергию. Опорная рама, закрепленная к неподвижной оси, будет испытывать меньшие нагрузки от потока ветра, вся конструкция обладать большей жесткостью и устойчивостью.
Дополнительно ветроэлектростанция может быть снабжена воздушным обтекателем, выполненным с возможностью перенаправлять попадающий в него воздушный поток, перенаправляя его в лопасти, таким образом увеличивая эффективность работы ветроэлектростанции. Воздушный обтекатель может быть закреплен на раме.
Суть заявляемого решения поясняется с помощью фигур, на которых условно представлен один из вариантов конструкции ветроэлектростанции.
На фиг.1 представлен вид сверху.
На фиг.2. представлен вид сбоку
На фигурах 1 и 2 позиции имеют следующее обозначение: 1 – опорная рама, 2 – вал, 3 – лопастная система, 4 – обтекатель, 5 – неподвижная вертикальная ось.
Использование заявляемого технического решения осуществляется следующим образом.
Возводят любым известным способам три сооружения, в частности, многоэтажных здания, выполненных в такой форме, которая позволяет потокам ветра плавно их обтекать. Сооружения могут быть размещены как на равном расстоянии друг от друга, так и на разных, таким образом, что между ними в центре образуется пространство для расположения ветроэлектростанции. Между сооружениями возводят вертикальную жестко закрепленную ось (5), например, в виде железобетонной конструкции. Ось (5) может быть полая и содержать отверстия, для размещения внутри оси (5) и вывода коммуникаций, например, электрических кабелей для соединения вала с генератором и прочего оборудования. Далее к каркасам сооружений и оси (5) крепят опорную раму (1) на заранее рассчитанной высоте, например, для 80 этажного здания высота расположения нижней лопастной системы может быть равна 8 метрам. Затем устанавливают вал (2) с возможностью вращения вокруг неподвижной оси (5), при этом вал (2) может быть установлен таким образом, что он передает массу на ось (5), или на раму (1), или одновременно на ось (5) и раму (1). Вал функционально соединяют с электрогенератором. На валу (2) размещают лопастную систему (3). Параметры и количество лопастей рассчитывают, исходя из ветровых показателей местности, энергетических потребностей, высоты сооружений и т.д. Образованный тремя сооружениями воздушный коридор позволяет усиливать воздушные потоки любого направления ветра, которые, встречаясь с обтекаемыми частями, будут направляться в центральную часть, где расположена лопастная система (3), способная воспринимать кинетическую энергию ветра и передавать движение на вал (2) и к электрогенератору, где происходит преобразование вращательной энергии в электрическую. Согласно математическим расчетам, данная ветроэлектростанция, содержащая 7-8 лопастных систем, расположенных одна над другой на валу, закрепленном на раме между 80 этажными зданиями, может обеспечивать потребности в электроэнергии трех 80 этажных зданий, вырабатывая не менее 7,5 МВт с каждой лопастной системы. К электрогенератору могут быть дополнительно подключены накопители электроэнергии. Дополнительно ветроэлектростанция может быть снабжена воздушным обтекателем (4), выполненным с возможностью перенаправлять попадающий в него воздушный поток, перенаправляя его в лопасти.
Представленные фигуры и описание конструкции не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения в объеме заявляемой формулы.
Заявленное решение обеспечивает преобразование кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения лопастной системы с последующим ее преобразованием в электрическую энергию и может быть использовано в любых областях для стабильного снабжения потребителей электроэнергией с использованием возобновляемых источников энергии. Такие источники являются экологически чистыми, создают минимальную нагрузку на окружающую среду и безопасны для человека.