ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА "ЭОЛОВА АРФА"

Заявляемое техническое решение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам, использующим за счет паруса большие столбы воздуха для преобразования кинетической энергии потока воздуха в механическую, в частности к агрегатам, преобразующим энергию нетрадиционных источников, а именно энергию ветровых потоков.
Известен ветряной двигатель, содержащий корпус в виде рамки, к которому шарнирно прикреплены экраны в виде горизонтально расположенных планок, также шарнирно прикрепленных к вертикальной штанге, одним из концов которой контактирует с кулачковым диском, который жестко соединяется с поворотным крылом, а к каждой планке с помощью упругого элемента крепятся дополнительные планки (см. патент №2231683, F03D 3/06, 2002 г.).[1]
Недостатком известного ветродвигателя является сложность конструкции и невысокий КПД.
Известна ветроустановка, содержащая ротор, кинематически связанный с нагрузкой, при этом вертикально расположенные лопасти ротора механически соединены с его вертикальным валом с возможностью совместного вращения вокруг его вертикальной оси и одновременно одностороннего отклонения от вертикального положения, при этом ротор содержит ограничители отклонения, обуславливающие возможность отклонения лопастей ротора только в одну сторону и определяющие направление вращения вала с лопастями (см. патент №2276285, F03D 3/06, 2001 г.).[2].
Недостатком известной ветроустановки является сложность конструкции и невысокий КПД.
Общим недостатком существующих турбин является их сложность и низкий коэффициент полезного действия. Причиной низкого КПД существующих турбин является недостаточно эффективное использование набегающего потока
рабочими органами турбины, а также то, что одна половина ротора турбины движется навстречу потоку и, тем самым, тормозит вращение ротора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является поперечная турбина по патенту №64710 на полезную модель [3], содержащая вал, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с потребителем получаемой энергии, ротор с рабочими элементами, закрепленными на валу с возможностью совместного вращения, а также ограничители, рабочие элементы выполнены в виде верхнего и нижнего дисков, жестко закрепленных на валу, и жестко прикрепленных к ним кронштейнов, задающих диаметр ротора, на внешних концах которых шарнирно закреплены рабочие плоскости с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и расположения их вдоль потока при холостом ходе, при этом рабочие плоскости выполнены в виде рамок, причем на верхних и нижних образующих рамок закреплены гибкие элементы в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму.
Однако в известной турбине вертикально расположенный вал имеет опору только в нижней части. При этом вал работает на изгиб. При большой высоте вала может проявиться усталость металла и, как следствие, разрушение вала. Это ограничивает единичную мощность турбины «Парус» при вертикальном расположении вала.
Задачей настоящей полезной модели стало усовершенствование турбины «Парус» по патенту №64710 в сторону увеличения мощности.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в повышении надежности и увеличении мощности ветроэнергетической установки с вертикальным расположением вала.
Технический результат достигается за счет того, что в ветроэнергетической установке, содержащей вертикальный вал с опорой в нижней части, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с потребителем получаемой энергии, ротор с рабочими элементами, закрепленными на валу с возможностью совместного вращения, а также ограничителями, причем рабочие элементы выполнены в виде верхнего и нижнего
дисков, жестко закрепленных на валу, и жестко прикрепленных к ним кронштейнов, задающих диаметр ротора, на внешних концах которых шарнирно закреплены рабочие плоскости с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и расположения их вдоль потока при холостом ходе, при этом на рабочих плоскостях закреплены гибкие элементы в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму, при этом на концах кронштейнов установлены ограничители, верхний конец вала закреплен в подшипнике опоры, состоящей из стоек, на верхних концах которых закреплены ажурные фермы, при этом стойки укреплены растяжками.
При этом в ветроэнергетической установке рабочие плоскости с парусами закреплены ярусами по высоте ротора.
При этом в ветроэнергетической установке рабочие плоскости с парусами закреплены рядами по диаметру ротора.
При этом в ветроэнергетической установке ярусы вписаны в окружность, образуемую ротором.
При этом в ветроэнергетической установке плоскости нижнего яруса смещены относительно плоскостей верхнего яруса.
При этом в ветроэнергетической установке паруса снабжены каретками.
При этом ветроэнергетическая установка сверху снабжена крышей с отогнутыми вверх краями.
При этом ветроэнергетическая установка снизу снабжена крышей с отогнутыми вниз краями.
Из уровня техники не обнаружен аналог, совокупность признаков которого идентична всем признакам, содержащимся в независимом пункте предложенной формулы полезной модели.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая ветроэнергетическая установка отличается совокупностью существенных признаков.
Таким образом, заявляемая конструкция ветроэнергетической установки отвечает критерию «новизна».
Заявляемую ветроэнергетическую установку отличает надежность и
долговечность отдельных узлов и изделия в целом, экологическая безопасность и низкая себестоимость.
Заявляемая конструкция не нуждается в механизме поворота и не зависит от направления ветра.
Преимуществом предлагаемой конструкции является возможность работать в вертикальном положении при значительном увеличении мощности ветроэнергетической установки.
Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемую полезную модель.
На фиг 1 - схема ветроэнергетической установки.
На фиг 2 - схема участка ротора: рабочий элемент, рабочая плоскость, парус.
На фиг 3 - схема расположения рабочих плоскостей двух ярусов установки.
На фиг.4 - схема ветроэнергетической установки с крышами 20 и 21.
На фиг.5 - схема работы ветроэнергетической установки.
На фиг.6 - схема работы ветроэнергетической установки при разном направлении ветра.
Заявляемая ветроэнергетическая установка (фиг.1) содержит вал 1, вращающийся вокруг вертикальной оси в подшипниках нижнем 2 и верхнем 3, при этом нижний конец вала 1 механически соединен с передающим крутящий момент элементом 11, который соединен с потребителем получаемой механической энергии 12. На валу 1 жестко закреплены рабочие элементы, выполненные в виде дисков 5 и жестко прикрепленных к ним кронштейнов 6 (фиг.2). На кронштейнах 6 установлены ограничители 7. Вал 1 с рабочими элементами - дисками 5 с кронштейнами 6, которые задают диаметр вращения, образуют ротор (не обозначен). Между дисками 5 на внешних концах кронштейнов 6 в шарнирах 8 установлены рабочие плоскости, выполненные в виде рамок 9 и с возможностью вращения вокруг вертикальной оси. На рамках 9 закреплены гибкие элементы 10 в виде паруса. Гибкий элемент 10 - парус, изготовлен из легкого материала, что обеспечивает возможность более высокого показателя преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию. Предпочтительно, чтобы парус был выполнен из
эластичного материала. Гибкий элемент 10 паруса имеет несколько большую площадь, чем площадь рамки 9 для свободного прогибания паруса под действием ветра. Куполообразная форма, которую принимает гибкий элемент под действием ветра, позволяет более эффективно использовать энергию ветра и иметь высокий КПД (известно, что парус имеет самый высокий КПД среди устройств, использующих энергию ветра).
В качестве вала может служить металлическая турбина. Вал может быть из дерева. Также из дерева могут быть кронштейны 6 и рамки 9.
На нижнем диске 5 установлены ограничители 7 для фиксирования рамок 9 от вращения. Плоские диски 5 выполнены из легкого материала, например стеклопластика или алюминия. Диски 5 могут быть выполнены как сплошными, так и собираться из отдельных секторов.
Кронштейны 6 в заявленной турбине имеют переменное сечение и могут быть выполнены методом штамповки или гнутыми из листового материала. Для снижения веса их можно выполнять из более тонкого материала, применяя ребра жесткости. В качестве материала можно также применять армированные стеклопластики. Для сведения к минимуму потерь энергии кронштейнам и другим деталям желательно придать обтекаемую форму.
Для того, чтобы значительно увеличить мощность ветроэнергетической установки при вертикальном расположении вала 1, конструкция снабжена опорой для верхнего конца вала (фиг.1). Она состоит из стоек 13, на верхних концах которых закреплены ажурные фермы 14, поддерживающие подшипник 3. Таким образом, вал 1 опирается на подшипники нижний 2 и верхний 3. Стойки 13 укреплены растяжками 15.
Для увеличения мощности ветроэнергетической установки необходимо увеличить площадь рабочих поверхностей. При этом высоту и ширину парусов рационально увеличивать до разумных пределов.
Ограничивающим фактором является прочность парусов, а также процесс перехода из рабочего положения в холостое.
Для снижения отрицательных факторов, большие рабочие плоскости турбины желательно изготавливать из отдельных парусов. Для этого паруса
крепятся в несколько ярусов 16 по высоте ротора и в несколько рядов 17 по диаметру ротора (фиг.1, 4).
Таким образом, общая площадь рабочих плоскостей будет большой и соответственно, будет большая мощность ветроэнергетической установки.
При строительстве турбины с рабочими плоскостями, расположенными в несколько ярусов, целесообразно вмещать по окружности плоскости относительно друг друга (фиг.3). Рабочие плоскости нижнего яруса 16.1 смещены относительно рабочих плоскостей верхнего яруса 16. Это будет способствовать плавности вращения ротора.
Ветроэнергетическая установка с ротором диаметром 12 м при скорости ветра 15 м/сек будет вращаться со скоростью 23 об/мин при скорости ветра 10 м/сек 15 об/мин. При таких низких оборотах установки упрощается изготовление и эксплуатация.
Ветроэнергетическая установка «Эолова арфа» может иметь огромные размеры. Она может быть выполнена с парусами, движущимися по кругу на каретках (не показано).
Над всей установкой может быть выполнена крыша 20 из жесткого материала с отогнутыми краями (фиг.4). Снизу можно выполнить крышу 21 над машинным залом 25. Крыша 21 защищает установку от атмосферных осадков (дождь, снег). Совместно обе крыши 21 и 22 создают аэродинамический канал, в котором будет течь сформированный воздушный поток (фиг.4). Этот поток будет иметь несколько большую скорость (по сравнению с окружающими потоками) и меньшую турбулентность. Это благоприятно отразится на работе установки. Под крышей она будет защищена от неблагоприятных погодных явлений. Это повысит надежность работы ветроэнергетической установки.
Работа заявляемой ветроэнергетической установки иллюстрируется на фиг.5. Ветроэнергетическая установка может работать при любом направлении ветра.
Для этого эластичные паруса закреплены в жестких рамках 9, которые могут поворачиваться на осях 4 в подшипниках 8.
Рамки с парусами подвижно закреплены на кронштейнах 6, которые жестко закреплены на дисках 5. Диски 5, в свою очередь, жестко закреплены на валу 1.
При движении рамки 9 от точки А к точке В по часовой стрелке происходит «холостой ход». Благодаря шарнирному креплению рамки 9, под действием потока ветра, рамка 9 поворачивается в шарнирах 8 и занимает положение вдоль потока воздуха, подобно «флюгеру». В таком положении парусность рабочих плоскостей будет минимальной, т.е. рабочая плоскость будет находиться при минимальном сопротивлении встречному потоку воздуха.
Дойдя до точки В, рабочая плоскость (рамка 9 с гибким элементом 10) прижимается к кронштейнам 6 и ложится на ограничители 7, расположенные на кронштейнах 6. От точки В к точке А по часовой стрелке происходит «рабочий ход». При этом рамка 9 с гибким элементом 10 располагается поперек потоку воздуха, и гибкий элемент 10 под действием ветра раздувается и принимает куполообразную форму подобно парусу. Паруса раздуваются, воспринимая энергию ветра, создают рабочее усилие, ротор получает вращательное движение, то есть возникает крутящий момент. Воздух за счет вогнутости формы гибкого элемента 10 собирается внутри паруса, в отличие от плоских рабочих элементов-лопастей, где воздух стекает с рабочих элементов к боковым поверхностям, уменьшая давление воздуха и соответственно крутящий момент. Сочетание двух факторов - куполообразная форма гибкого элемента 10 паруса при рабочем ходе и расположение рамки 9 вдоль потока при холостом ходе, позволяет использовать энергию ветра с более высоким коэффициентом полезного действия (КПД). Чем больше диаметр ротора, тем медленнее будет вращаться турбина, при этом переход создающих вращающий момент элементов из холостого положения в рабочее и наоборот будет происходить более плавно и четко.
Ветроэнергетическая установка через редуктор 11 вращает генератор электрического тока 12.
Основным преимуществом ветроэнергетической установки «Эолова арфа» является ее простота и высокий коэффициент полезного действия, а также ее возможность работать в вертикальном положении. При вертикальном положении ветроэнергетическая установка может работать при любом направлении потока воздуха (фиг.5).
Ниже следует неисчерпывающий пример наиболее оптимального выполнения заявленной полезной модели.
Ветряная турбина с размерами 20 м на 20 м, изготовленная из стальных панелей, будет иметь массу 28000 кг, и для нее потребуется крепление, а ветроэнергетическая установка «Эолова арфа» с равнозначными размерами и парусами, изготовленными из эластичной ткани, будет иметь массу только 1000 кг.
Например, испытания, проводимые на турбинах, выявили, что стальная турбина работает с КПД=20,3%, а установка с парусами, изготовленными из эластичного материала, работает с КПД=32,3%. Установки, где применяются паруса, становятся более эффективными по мере увеличения размеров турбины. При этом возможен КПД до 45% (Информация из Яndex, сайт www.archimedes. Практика - ветроэнергетика).
К выбору расположения ветроэнергетической установки «Эолова арфа» необходимо проявлять особое внимание в связи с влиянием касательных напряжений и поджатия горизонтального ветрового потока, проходящего над поверхностью земли. Касательные напряжения ветрового потока и, следовательно, возможная энергия ветра зависят от шероховатости поверхности земли в данном месте, в том числе сооружений, деревьев и других препятствий.
Условия, желательные для местоположения ветроэнергетической установки «Эолова арфа», следующие: большая среднегодовая скорость ветра, отсутствие высоких препятствий с подветренной стороны на расстоянии, которое определяется высотой препятствия; плоская вершина; выровненная возвышенность (с отлогими склонами) на плоской равнине или островах озер или морей; открытые равнины или побережье; горное ущелье, образующее туннель (Информация из Яndeх, сайт www.archimedes). Электроэнергию можно использовать для различных целей: отопление, освещение, электропривод для механизмов, производственных процессов.
Для создания особо мощной установки, паруса можно располагать в несколько ярусов и рядов (фиг.4). На фиг.6 показана работа ветроэнергетической установки при разном направлении ветра. Например, в Новороссийске преобладают северный и южный ветры. Если на горном хребте
установить ветроэнергетическую установку «Эолова арфа», то можно получить колоссальное количество энергии. Особенно это важно в зимнее время, когда дует ледяной ветер с огромной скоростью до 40 м/сек. Электроэнергию,. полученную от этих установок, можно направить в котельные для обогрева или непосредственно по квартирам. У подножья гор расположены цементные заводы, они также могут стать потребителями электроэнергии.
Заявляемая полезная модель конструктивно проста и может быть изготовлена из известных широко распространенных материалов, предпочтительно материалов, применяемых в авиационной промышленности.
Источники информации.
1. Патент РФ №2231683, F03D 3/06, 2002 г.
2. Патент РФ №2276285, F03D 3/06, 2001 г.
3. Патент РФ №64710 на полезную модель «Поперечная турбина «Парус»», 2007 г. (наиболее близкий аналог).