Парусная ветроустановка
SAILING WIND TURBINE

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к конструкциям ветроэнергетических установок, и может быть использовано в качестве привода к насосным и компрессорным агрегатам.
Парусные ветроустановки все более осваиваются на практике. Они, прежде всего, отличаются своей безопасностью, бесшумностью, малозатратностью их изготовления при вполне удовлетворительных технических показателях.
Известна безлопастная ветроустановка, разработанная Тунисской компанией Saphon (http://www.gadgetblog.ru/7336/), в которой лопасти заменены парусом. Под действием ветра он колеблется от изменения скорости ветровых потоков, преобразуя их энергию в механическую.
К недостаткам этой ветроустановки следует отнести то, что она использует только разность энергетических потенциалов ветровых потоков при изменении их скоростей. Сама же парусность воспринимающей части не изменяется, а это значит, что при неизменном потоке воздуха ее колебания под действием микровихрей будут незначительны.
Разработаны конструкции парусных ветроустановок с поворотными парусами.
Известен ветродвигатель, содержащий установленное на вертикальном валу рабочее колесо с верхними и нижними спицами, между которыми на их концах размещены поворотные балансировочные лопасти, валы которых через муфты связаны цепной передачей с общим флюгером (а.с.1483081 от 30.05.89 г., М. кл. F03D 3/02). Выполнение лопастей поворотными позволяет оптимально ориентировать их в процессе работы, что обеспечивает оптимальную аэродинамику лопастей при движении по потоку ветра и против. Однако общий механизм поворота лопастей, представляющий собой цепную передачу, связывающую флюгер с каждой лопастью, сложен, что снижает надежность устройства. Кроме того, цепная передача не может быть достаточно жесткой, что вызывает повышенный уровень автоколебаний, что в свою очередь является причиной неожиданных отказов в работе ветродвигателя и низкой эффективности самозащиты ветродвигателя от сильных ветров. В этом заключаются основные недостатки данного ветродвигателя.
Известна ветроустановка (патент RU №2254495, F03D 7/06 (2000.01)). Она состоит из мачты, основания, поворачивающегося под действием ветра относительно вертикальной оси мачты, паруса, воспринимающего поток ветра, и механизмов поворота паруса относительно горизонтальной и вертикальной его осей. Каждый из механизмов поворота паруса относительно горизонтальной и вертикальной осей кинематически посредством шарнирно соединенных с основанием и друг с другом рычагов и тяги связан с рабочим органом установки, например тросом.
Наличие устройства поворота паруса относительно горизонтальной оси обеспечивает при повороте (качании паруса относительно горизонтальной оси) возвратно-поступательное перемещение как паруса, так и связанного с ним рычага, закрепленного над горизонтальной осью устройства, и рабочего органа - троса и далее поршня насоса.
Данная ветроустановка также довольно сложная как в изготовлении, так и в обслуживании. К тому же, использование в ее кинематике тросовых элементов снижает надежность работы в неблагоприятных погодных условиях, особенно - при гололеде.
То же можно сказать и о другой известной ветроэлектрической установке, содержащей парусные лопасти, и связанные с ними опорные тележки, установленные на замкнутой колее (см. SU 1275114 A1, F03D 5/00, 07.12.86). Парусные лопасти связаны тросами с опорными тележками и шкивом генератора. Парусная лопасть под действием ветра перемещается по направлению ветра, а другая переводиться в горизонтальное положение и движется навстречу ветру.
За прототип заявляемого устройства можно принять ветроустановку, содержащую два паруса, совершающих колебательные движения относительно друг друга и попеременно изменяющих свое сопротивление ветру, причем ветроустановка выполнена в виде вертикальных мачт с установленными на их верхних концах парусами и шарнирно закрепленными на основании нижними концами, снабженными устройством для преобразования энергии, причем верхние концы мачт имеют возможность качаться относительно друг друга в противофазе. Кроме того, ветроустановка имеет гидравлическое устройство, связанное с низом мачты. Причем мачты выполнены в виде пространственного шарнирного параллелограмма (патент RU №2131537, МПК 3D F09/00 (1995/01)).
К недостаткам данной установки следует отнести ее громоздкую конструкцию, это касается и самих мачт и, особенно, механизма открытия и закрытия параллельных пластин парусов, а также механизма перевода парусов в горизонтальное положение.
Целью разработки заявляемой ветроустановки является предельное упрощение ее конструкции, обеспечение полной безопасности, повышенной надежности, расширения сферы применения.
Поставленная задача решается разработкой конструкции парусной ветроустановки, имеющей подвижную мачту, пластинчатый рабочий парус с переменной парусностью, а также устройство вторичного преобразования энергии, в которой - согласно изобретению - рабочий парус состоит из секторных поворотных пластин с общей приводной инерционной втулкой, поворотное основание ветроустановки оснащено отключающим флюгером, содержащим подъемный парус и устройства управления им как в нормальном режиме эксплуатации, так и для защиты ветроустановки от повышенных ветровых нагрузок. При этом вторичным преобразователем энергии является поршневой компрессор или поршневой насос.
Парусная ветроустановка в таком варианте не требует больших капитальных затрат, расширяет возможности ее использования в разных целях, обеспечивает безопасность при экстремальных ветровых нагрузках.
Для пояснения ее устройства на фиг. 1 изображен ее общий вид, на фиг. 2 показан рабочий парус (вид "А"), на фиг. 3 дан осевой разрез центрального узла паруса ("Б-Б"), на фиг. 4 - одна из граней корпуса этого узла в разрезе "В-В",
Основанием ветроустановки в варианте, показанном на фиг. 1, является надежно забетонированная обсадная труба 1 скважины. На ней насажена поворотная втулка 2 с опорной конструкцией для подвижной мачты 3, а в поперечном направлении - наклонная консоль 4. Наверху мачты 3 - рабочий парус 5. Последний состоит из обода 6 (см. фиг. 2), закрепленного на мачте 3, центрального узла 7 и расположенных между ними поворотных секторных пластин 8. Внутри корпуса центрального узла 7 (см. фиг. 3) на направляющей штанге 9 свободно посажена инерционная втулка 10 с кольцевым пазом, в котором вставлены приводные поводки 11 поворотных пластин 8, проходящие через дугообразные пазы в стенке корпуса центрального узла 7 (см. фиг. 4). Его внутренние торцовые стенки являются упорами для втулки 10 при повороте ею пластин 8 (на 90°). Для аммортизации на штанге 9 посажены резиновые прокладки. А для фиксации пластин 8 в крайних положениях торцы втулки 10 могут быть намагничены.
В целях минимизации инерционных нагрузок и мачта 3, и парусные пластины 8 изготавливаются из легких прочных материалов, например, дюралюминия. Это условие, однако, не распространяется на консоль 4 с размещенным на ее конце на горизонтальной оси парусом 12 для самоориентации всей установки в отключенном положении либо при срабатывании защиты в запредельных ветровых режимах. В последнем случае для его фиксации в вертикальной плоскости имеется поворотный (под действием ветра) флажок 13 с упором 14, а при ручной операции отключения - специальный зацеп 15, связанный с упругим рычагом 16 флюгерного паруса 12.
Подвижная мачта 3 кинематически связана с насосным либо компрессорным агрегатом и оснащена пружиной 17 возврата в исходное положение.
Ветроустановка в нерабочем состоянии ориентируется относительно ветрового потока так, что плоскость паруса 5 совпадает с потоком. Это обеспечивается расположенным на консоли 4 флюгерным парусом 12, зафиксированным зацепом 15 в его поднятом положении. При освобождении паруса 12 он поворачивается на горизонтальной оси на угол меньший, чем 90°, и поддерживается в этом положении упорами. При этом ветроустановка поворачивается своим рабочим парусом 5 навстречу ветровому потоку, поскольку этот парус расположен за осью поворота ветроустановки, а воздействие ветрового потока на опущенный парус 12 почти прекратилось: его передняя кромка установилась навстречу ветра и только под его напором в опасном интервале скоростей этот парус способен подняться в вертикальное положение и замкнутый а нем упором 14 флажка 13 выводит ветроустановку из рабочего положения. Со спадом ветра флажок 13 освобождает парус 12, и он возвращается в исходное положение, при этом и сама ветроустановка поворачивается своим рабочим парусом 5 навстречу ветра. Из дальнейшего пояснения рабочего цикла будет понятно, что в исходном положении мачты 3, удерживаемой пружиной 17, поворотные пластины 8 находятся в одной плоскости, удерживаемые от микровихревых колебаний инерционной втулкой 10. При этом их общая парусность максимальна, и под напором ветра парус 5 отклоняет мачту 3 на расчетный угол α. Связанный с ней поршень насоса или компрессора совершает рабочий ход.
В крайнем положении вся эта подвижная система останавливается, а свободно сидящая на направляющей штанге 9 инерционная втулка 10, продолжая движение, поворачивает расположенными в ее пазу поводками 11 все пластины 8 на 90°, в результате чего их общая парусность практически исчезает и мачта 3 возвращается в исходное положение, а сами пластины 8 той же втулкой 10 переводятся в одну общую плоскость. Затем циклы повторяются.
При перемене направления ветра ветроустановка, базирующаяся на поворотной втулке 2, посаженной на обсадную трубу 1 либо другое основание, самоориентируется по направлению ветра.
Насосная установка может использоваться не только для водоснабжения: с использованием буферной емкости (гидроаккумулятора) и гидромотора возможно создать привод для электрогенератора.
В варианте с компрессором последний, будучи теплоизолированным от окружающей среды (в отличие от традиционного исполнения с охлаждающим оребрением и даже обдуванием) будет подавать нагретый воздух в систему теплоснабжения с теплоаккумулятором, где накопитель тепловой энергии (например, промытый отсев от гравийного щебня) нагревается не только теплом поступающего воздуха, но и за счет аэродинамического нагрева продуваемой теплоаккумулирующей среды (как в аэродинамической сушильной камере).
И в такой системе к.п.д. вторичного преобразователя энергии максимален.
К тому же, часть тепла с помощью тепломеханических преобразователей, например, описанных в патентах RU №№2442906, 2012 г., 2613337, 2017 г. и 2623728 2017 г., возможно использовать для производства электроэнергии.