ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС "ИДЕАЛ"

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.
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.)[1].
Недостатком известной ветроустановки является сложность конструкции и невысокий КПД. 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.
Известна поперечная турбина, 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 так же 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 (см. патент №64710, F03D 3/06, 2007 г.).[2].
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 при вертикальном расположении вала.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является ветроэнергетическая установка, содержащая 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 так же 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 (см. патент №79949, F03D 3/06, 2009 г.).[3].
Однако в известной турбине используется энергия воздушного потока только прямо набегающего на рабочие плоскости турбины.
Задачей настоящей полезной модели стало усовершенствование турбины «Эолова Арфа» по патенту №79949.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в увеличении эффективности ветроэнергетической установки с вертикальным расположением вала.
Технический результат достигается за счет того, что в ветроэнергетическом комплексе, содержащем ротор с рабочими элементами, закрепленными на валу с возможностью совместного вращения, 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 верхний конец вала закреплен в подшипнике опоры, состоящей из стоек, на верхних концах которых закреплены ажурные фермы, при этом верхняя и нижняя части комплекса снабжены направляющими ограждениями (НО) конической формы с вертикальными перегородками, образующими конические каналы, крышей и перекрывающими шиберами, а между верхними и нижними коническими каналами расположены флюгеры-стабилизаторы.
при этом в конических каналах ветроэнергетического комплекса шиберы и флюгеры-стабилизаторы расположены на одной оси;
при этом флюгеры-стабилизаторы выполнены в форме «ласточкиного хвоста»;
при этом со стороны набегающего потока конические каналы образуют конфузоры;
при этом со стороны сбегающего потока конические каналы образуют диффузоры;
при этом сопла конфузоров направлены в левую сторону;
Заявляемый ветроэнергетический комплекс 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 использовать энергию воздушного потока не только прямо набегающего на рабочие плоскости турбины, но также энергию потока набегающего на комплекс выше и ниже его рабочих плоскостей и с боков комплекса. Данная конструкция полностью укрыта от атмосферных осадков и позволяет регулировать обороты турбины, защищает турбину от шквалистого ветра и обледенения.
Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемую полезную модель.
На фиг.1 - схема ветроэнергетического комплекса с использованием раздельных флюгеров-стабилизаторов (вид сбоку в разрезе).
На фиг.2 - схема прохождения воздуха через турбину с использованием флюгеров-стабилизаторов (вид сверху).
На фиг.3 - схема ветроэнергетического комплекса с использованием флюгеров-стабилизаторов, выполненных на всю высоту (вид сбоку в разрезе).
На фиг.4 - схема ветроэнергетического комплекса с использованием управляемых жалюзи (вид сбоку в разрезе).
На фиг.5 - схема прохождения воздуха через турбину с использованием управляемых жалюзи (вид сверху).
На фиг.6 - флюгеры-стабилизаторы (вид сверху и сбоку).
На фиг.7 - а) схема взаимного расположения шиберов и флюгеров-стабилизаторов; б) схема сектора.
На фиг.8 - схема червячного редуктора.
На фиг.9 - схема расположения вертикальных перегородок в направляющих ограждениях (НО).
На фиг.10 - схема ветроэнергетического комплекса с использованием управляемых жалюзи (вид сбоку).
На фиг.11 - схема движения воздуха к турбине с использованием четырех стенок (вид сверху).
На фиг.12 - схема ветроэнергетического комплекса с использованием четырех стенок (вид сбоку).
На фиг.13 - схема расположения шести стенок вокруг ветроэнергетического комплекса (вид сверху).
На фиг.14 - схема выполнения турбины с направляющими ограждениями, стенками и крышей (вид сбоку).
На фиг.15 - схема расположения двенадцати стенок вокруг ветроэнергетического комплекса (вид сверху).
Перечень позиций:
1 - нижнее направляющее ограждение (ННО);
2 - верхнее направляющее ограждение (ВНО);
3 - турбина;
4 - вертикальные перегородки;
5 - нижняя крыша;
6 - верхняя крыша;
7 - машинный зал;
8 - сектор;
9 - стенка;
10 - шибер;
11 а, б - флюгеры-стабилизаторы;
12 - управляемые жалюзи;
13 - двигатель для вращения жалюзи;
14 - червячный редуктор;
15 - вал;
16 - крыша;
17 - рабочие плоскости;
18 - кронштейны;
19 - ограничители, установленные на кронштейнах;
20 - гибкие элементы (паруса).
Заявляемый ветроэнергетический комплекс содержит конструкцию, описанную в патенте №79949 (фиг.1). Комплекс содержит турбину 3, содержащую вал 15, вращающийся вокруг вертикальной оси в подшипниках нижнем и верхнем, при этом нижний конец вала механически соединен с передающим крутящий момент элементом (на рисунке не отображено), который соединен с потребителем получаемой механической энергии. На валу жестко закреплены рабочие элементы, выполненные в виде дисков, и жестко прикрепленных к ним кронштейнов 18. Вал 15 с рабочими элементами, на которых закреплены рабочие плоскости 17, образуют ротор (на рисунке не отображено). Между дисками на внешних концах кронштейнов в шарнирах установлены рабочие плоскости 17, выполненные в виде рамок и с возможностью вращения вокруг вертикальной оси. На рамках закреплены гибкие элементы в виде паруса 20(фиг.1).
Для того чтобы можно было использовать энергию потока, набегающего выше и ниже турбины 3, заявляемый комплекс снабжен направляющими ограждениями конической формы (НО) 1 и 2 (фиг.1), которые направляют воздушный поток на турбину 3. Нижнее НО 1 может быть установлено на уровне основания комплекса.
Для концентрации воздушного потока на НО 1 и 2 установлены вертикальные перегородки 4 (фиг.2). Перегородки укрыты крышами 5 и 6 (фиг.1,2). Нижняя крыша 5 (фиг.1,2) представляет одну горизонтальную плоскость вместе с крышей 6 (фиг.1) над машинным залом 7.
Верхнее (ВНО)2(фиг.1) выполнено симметрично нижнему (ННО) 1.
Перегородки 4 разделяют пространство в НО 1 и 2 на сектора 8 (фиг.2,5,9).
Если принять диаметр внутренней окружности равным 15 м., а внешней 20 м, а угол α каждого сектора равным 15 градусам, то внутреннее пространство НО 1 и 2 будет поделено на 24 сектора с расстоянием между перегородками 4 со стороны внешней окружности L равным 2,6 м., а стороны внутренней l=1,96 м (фиг.9).
Таким образом, вокруг турбины образованы конические каналы 8. Со стороны набегающего потока конические каналы являются конфузорами (конфузор - фасонная часть воздуховода, служащая для соединения и плавного перехода большого сечения воздуховода в меньшее (см. интернет-ресурс http://ru.wikipedia.org/wiki/Конфузор)). Входные окна конфузоров в несколько раз больше выходных окон. Вследствие этого, воздушный поток, исходящий из конфузоров, будет иметь скорость, большую скорости окружающего потока. При этом возникает эффект эжекции (эжекция - процесс смешения двух каких-либо сред, в котором одна среда, находясь под давлением, воздействует на другую и, увлекая за собою, выталкивает ее в необходимом направлении (см. Интернет-ресурс http://www.efremova.info/word/ezhektsija.htm). Это приведет к увеличению скорости потока, проходящего через турбину. Со стороны сбегающего потока диффузоры будут создавать разрежение, что также будет способствовать увеличению потока проходящего через турбину (фиг.7).
Ротор турбины вращается по часовой стрелке.
При этом левая сторона ротора находится в рабочем состоянии, а правая сторона находится в холостом состоянии и движется против набегающего потока. Поэтому, желательно усилить поток с левой стороны и ослабить с правой.
Для этого воздушный поток, выходящий из конфузоров, следует направить в левую сторону (фиг 2, 5).
Для того чтобы не происходило подсасывания воздуха к ротору турбины с боков комплекса, конусные каналы - секторы 8 (фиг.5, 9) перекрыты шиберами 10 (фиг.1, 2, 3). Каждый сектор 8 (фиг.5, 9) имеет шибер 10 (фиг.1, 2, 3), жестко закрепленный на оси (на фигуре не отмечено). На этой же оси жестко закреплены флюгеры-стабилизаторы 11 (фиг.1, 3, 6).
Шиберы 10 (фиг.1, 2, 3) и флюгеры-стабилизаторы 11 (фиг.1, 3, 6) закреплены на оси в одной плоскости и могут поворачиваться за 360 градусов.
Для того, чтобы уменьшить рысканье флюгеров-стабилизаторов 11 (фиг.1, 3, 6), они должны иметь искривленную поверхность, например, могут иметь форму «ласточкин хвост» (фиг.6). Шиберы 10(фиг.1, 2, 3) и флюгеры 11 (фиг.1, 3, 6) могут быть выполнены из жесткого или эластичного материала, закрепленного на жестких рамках.
Плоскости шиберов 10(фиг.1, 2, 3) и флюгеров-стабилизаторов 11 (фиг.1, 3, 6) располагаются вдоль воздушного потока.
Таким образом воздушные каналы 8(фиг.5,9) на входе и выходе потока открыты, а боковые каналы 8(фиг.5,9) закрыты.
Кроме управления шиберами, флюгеры-стабилизаторы снижают турбулентность потока. Флюгеры-стабилизаторы 11 (фиг.1, 3, 6) будут снижать турбулентность потока сильнее, если сделать их на всю высоту между крышами 6 (фиг.3). Флюгер-стабилизатор 11 (фиг.1, 3, 6) жестко закреплен на оси между верхним и нижним шиберами 10(фиг.1, 2, 3).
Регулировать скорость воздушного потока, проходящего через турбину 3(фиг.1), можно с помощью управляемых жалюзи 12(фиг.4, 10). Жесткие жалюзи 12(фиг.4, 10), закрепленные на осях, расположены по всей окружности комплекса. Жалюзи поворачиваются двигателем 13(фиг.4) через червячный редуктор 14(фиг.4, 8).
Возможно использование как электрических, так и гидравлических двигателей.
Схема расположения жалюзи отображена на фигуре 5. Управлять положением жалюзи может человек или компьютер. Датчиком направления ветра может служить флюгер. Для управления положением жалюзи можно использовать сельсины, они служат для синхронного поворота или вращения двух или нескольких механически не связанных валов (см. интернет-ресурс http://principact.ru/content/view/91/90/).
Увеличить эффективность работы комплекса можно, направив на турбину воздушный поток, обтекающий комплекс на расстоянии до 10-15 м. Для этого нужно поставить неподвижные стенки 9 (фиг.11, 12) вокруг турбины раздельно. Стенки 9 (фиг.11, 12) могут быть выполнены на всю высоту комплекса (фиг.12). Стенки могут быть выполнены из жесткого или эластичного материала. Количество стенок произвольное - от четырех и больше. Чем больше стенок установлено, тем эффективней будет работать комплекс (фиг.11, 13, 15). Благодаря стенкам, комплекс может эффективно работать при самом слабом ветре.
Для того чтобы сконцентрированный поток не уходил вверх, желательно, внутренние концы стенок, примыкающие к турбине укрыть крышей 16(фиг.12, 14).
Более простой вариант выполнения комплекса со стенками 9 отображен на фигурах 14 и 15, при этом вокруг турбины имеются направляющие ограждения НО 1,2 и стенки с крышей 16.
Для строительства комплекса «Идеал» возможно использовать дерево, алюминиевые сплавы (любые металлы), пултрузионный стеклопластик (пултрузия - метод получения пластика с помощью протяжки (см. Интернет-ресурс http://www.stroysezon.ru/news/?id=822)), синтетические ткани, пленки и другие материалы.
Основным преимуществом ветроэнергетической комплекса «Идеал» является возможность использовать энергию воздушного потока не только прямо набегающего на рабочие плоскости турбины, но также энергию потока набегающего на комплекс выше и ниже его рабочих плоскостей и с боков комплекса, что повышает КПД комплекса и его надежность.
Заявляемая полезная модель конструктивно проста и может быть изготовлена из известных широко распространенных материалов, предпочтительно материалов, применяемых в авиационной промышленности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент №2276285, F03D 3/06, 2001 г.
2. Патент №64710, F03D 3/06, 2007 г.
3. Патент №79949, F03D 3/06, на полезную модель Ветроэнергетическая установка «Эолова Арфа», 2009 г (наиболее близкий аналог).