ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА КОВАЛЕВА

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к области ветроэнергетики, в частности, к устройствам для преобразования энергии ветра в механическую, с вертикальной осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра.
Уровень техники.
Наиболее близкой к полезной модели по технической сущности является ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения, содержащая, ротор, включающий, по крайней мере, три лопасти, (см. «Возобновляемые источники энергии на службе человека», Б.М.Берковский, В.А.Кузьминов, М. Наука 1987 г. стр.48-49).
В известной ветроэнергетической установке лопасти установлены без использования крестовин или треног, жестко соединенных между собой, а ротор выполнен без рычагов, закрепленных на оси лопастей, и демпферно-регулирующих устройств, что ограничивает функциональную эффективность.
Раскрытие полезной модели.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении функциональной эффективности.
Технический результат заключается в ограничении свободного вращения лопастей.
При этом задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, и технический результат взаимосвязаны следующим образом
Ограничение свободного вращения лопастей приводит к тому, что при вращении ротора, например, по часовой стрелке, лопасти, находящиеся с левой стороны относительно направления ветра, фиксируются, а лопасти с правой стороны устанавливаются во флюгерное положение, в результате чего создается больший вращающий момент, что обусловливает повышение функциональной эффективности.
Технический результат обеспечивается следующей совокупностью признаков:
- ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения, содержащая, ротор, включающий, по крайней мере, три лопасти, отличающаяся тем, что ротор выполнен в виде в двух крестовин или треног, жестко соединенных между собой, на которых шарнирно расположены лопасти, кроме того, ротор содержит рычаги, закрепленные на оси лопастей, и демпферно-регулирующие устройства, закрепленные одним концом на рычагах, а другим концом к оси ротора, выполненные с возможностью ограничения свободною вращения лопастей.
Дополнительно к этому:
- демпферно-регулирующие устройства выполнены в виде пружин, с возможностью установки лопастей под углом в диапазоне 0-180° или параллельно ветру, регулирования числа оборотов ротора и ограничения предельных нагрузок на лопасти при скоростях ветра выше расчетной;
- лопасти выполнены в виде аэродинамических пластин, например, прямоугольной формы, с профилем самолетного крыла;
- она выполнена с возможностью установки лопастей с фиксированным значением угла по отношению к направлению ветра в пределах от 0 до 180°, при этом при возможности вращения, например, по часовой стрелке, лопасти, находящиеся с левой стороны относительно направления ветра, фиксируются в названных пределах, а лопасти с правой стороны устанавливаются во флюгерное положение;
- она выполнена с возможностью регулировки числа оборотов ротора центробежным или электронным регулятором;
- она снабжена маховиком, с возможностью накопления энергии в маловетренные дни и стабилизации скорости вращения ротора и частоты тока;
- она снабжена гидронасосами и гидромоторами в качестве редуктора с возможностью повышения скорости вращения ротора;
- она содержит, по крайней мере, два ротора, установленных на одной оси, с возможностью увеличения мощности установки;
- лопасти имеют каркасную конструкцию, например, по типу крыла самолета и шарнирно закреплены в двух опорах;
- на оси ротора устанавливается шкив ременной передачи привода генератора или другого механизма;
- она выполнена с отношением площади сопротивления лопастей вору в поперечном положении к площади сопротивления лопастей ветру во флюгерном положении не менее 100;
- она снабжена тепловым аккумулятором, с возможностью отопления помещений;
- она выполнена с возможностью использования в качестве мобильного передвижного двигателя или на водном транспорте;
- она выполнена с возможностью безопасной эксплуатации, за счет ограниченной скорости вращения ротора;
- она выполнена с возможностью эксплуатации в различных климатических, рельефных условиях, с использованием бризовых, муссонных и струйных течений воздуха;
- она выполнена с возможностью автоматического управления режимами работы по заданному графику.
Краткое описание чертежей.
На чертеже изображена ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения.
Осуществление полезной модели
Полезная модель может быть осуществлена следующим образом.
У ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения, содержащей, ротор, включающий, по крайней мере, три лопасти, ротор выполнен в виде в двух крестовин или треног, жестко соединенных между собой, на которых шарнирно расположены лопасти, кроме того, ротор содержит рычаги, закрепленные на оси лопастей, и демпферно-регулирующие устройства, закрепленные одним концом на рычагах, а другим концом к оси ротора, выполненные с возможностью ограничения свободного вращения лопастей (см. чертежи).
Таким образом, назначение полезной модели - применение ее в качестве ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения - реализуется.
Сведения, подтверждающие возможность получения при осуществлении полезной модели технического результата (причинно-следственная связь существенных признаков с указанным техническим результатом), состоят в следующем.
Выполнение ротора в виде в двух крестовин или треног, жестко соединенных между собой, на которых шарнирно расположены лопасти, кроме того, оснащение ротора рычагами, закрепленными на оси лопастей, и демпферно-регулирующими устройствами, закрепленными одним концом на рычагах, а другим концом к оси ротора, обеспечивает ограничение свободною вращения лопастей.
Следовательно, совокупность существенных признаков достаточна для достижения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Описание конструкции устройства:
У ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения 1, содержащей ротор 2, включающий, по крайней мере, три лопасти 3, ротор 2 выполнен в виде в двух крестовин 4 или треног, жестко соединенных между собой, на которых шарнирно расположены лопасти 3. Ротор 2 содержит рычаги 5, закрепленные на оси лопастей 3, и демпферно-регулирующие устройства 6, закрепленные одним концом на рычагах 5, а другим концом к оси 1 ротора 2. На оси 1 ротора 2 устанавливается шкив 7 ременной передачи привода генератора или другого механизма.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
При взаимодействии ветра с лопастями часть из них устанавливается в парусное положение, а часть во флюгерное. За счет значительной разницы между ними в площади сопротивления ветру возникает вращающий момент на роторе.
Ветроэнергетическая установка выполнена с возможностью работы при скорости ветра от 1 м/с до 100 м/с. без предварительной раскрутки.
Табл.1
Максимальная нагрузка на лопасть в зависимости от скорости ветра и площади лопасти.
Скорость Ветра м/с
Площадь лопастей S м<sup>2</sup>
1
2
4
8
16
1
0,41
0,822
1,645
3,290
6,58
2
1,6
3,20
6,40
12,80
25,60
3
3,7
7,4
14,8
29,6
59,2
4
6,58
13,6
26,32
52,64
105
5
10,52
20,56
41,12
82,24
164
6
14,8
29,6
59,2
118,4
237
7
20,15
40,3
80,6
161,2
322
8
26,32
52,64
105,3
210,5
4211
9
33,32
66,64
133,4
266,5
533
10
41,13
82,26
164,5
329,04
658
15
92.55
185,1
370,2
740,4
1481
20
164,52
329
658
1316
2632
40
658,1
1316
2632
5264
10530
50
1028
2056
4113
8226
16453
100
4113
8226
16453
32905
65811
2
При скорости ветра близкой к 100 м/с и лопасти с площадью 1 м нагрузка составляет 4113 кг., что соответствует прочности конструкции, изготовленной из недорогих материалов.
Необходимость раскрутки отпадает потому, что все лопасти 3 не могут находиться во флюгерном положении, за счет действия демпферно-регулирующих устройств 6.
2
Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения выполнена с возможностью обеспечения удельной мощности до 5 квт/м.
Мощность воздушного потока (Е) можно подсчитать, используя уравнение кинетической энергии для тела массой m, движущегося со скоростью v
2
Е=mv/2
0
Если в это уравнение вместо массы подставить массу воздушного потока, проходящую через поперечное сечение в одну секунду (единичную массу m). Получим мощность N воздушного потока: N=mv/2.
0
3
2
Единичная масса может быть выражена через плотность и расход потока m=pFv; где p - плотность воздушного потока равная 1,21 кг/м; V - скорость воздушного потока м/с., F - площадь пластин лопастей м.
3
Получаем следующее уравнение мощности ветроэнергетической установки: N=pFv/2
Составим таблицу зависимости мощности установки от скорости ветра, площади пластин и радиуса их расположения.
Табл.2
V
F
R
N
F
R
N
F
R
N
F
R
N
F
R
N
F
R
N
м/с
м<sup>2</sup>
м
кВт
1
2
2
0.01
4
2
0,01
4
4
0,01
8
4
0,02
16
4
0,04
16
8
0,08
2
2
2
0,02
4
2
0,04
4
4
0,07
8
4
0,16
16
4
0,23
16
8
0,46
3
2
2
0.06
4
2
0,13
4
4
0,26
8
4
0,54
16
4
1,05
16
8
2,09
4
2
2
0.15
4
2
0,31
4
4
0,62
8
4
1,26
16
4
2,48
16
8
4,96
5
2
2
0,3
4
2
0,61
4
4
1,21
8
4
2,42
16
4
4,84
16
8
9,64
6
2
2
0,5
4
2
1,05
4
4
2,9
8
4
4,28
16
4
8,36
16
8
16,8
7
2
2
0,85
4
2
1,66
4
4
3,3
8
4
7,8
16
4
13,3
16
8
26
8
2
2
1,24
4
2
2,48
4
4
4,95
8
4
10,2
16
4
19,8
16
8
39,6
9
2
2
1,75
4
2
3,53
4
4
7,1
8
4
14,5
16
4
28,2
16
8
56,5
10
2
2
2,44
4
2
4,8
4
4
9,7
8
4
19,8
16
4
38,7
16
8
77,4
15
2
2
8,17
4
2
16,3
4
4
32,7
8
4
66,8
16
4
131
16
8
261
20
2
2
19,4
4
2
38,7
4
4
77,5
8
4
159
16
4
310
16
8
619
Таким образом, у предлагаемой ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения, в отличие от прототипа, повышается функциональная эффективность.
Эффективность предлагаемой ветроэнергетической установки обусловливается его улучшенной конструкцией.