ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND POWER PLANT

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к вертикально-осевым ветроэнергетическим установкам карусельного типа, и может быть использовано для преобразования энергии ветра в другие виды энергии, например в электрическую.
Известен ветроагрегат, включающий пропеллер с полыми лопастями, закрепленными на валу генератора электроэнергии, отличающийся тем, что ветроагрегат снабжен центральным диффузором для центробежного всасывания и нагнетания воздуха к концам лопастей, на которых установлены тангенциальные сопла для выпуска воздуха и создания реактивной тяги. Набегающий поток воздуха подают внутрь полых лопастей через центральный диффузор, сжимают воздух за счет центробежной силы на концах лопастей и выпускают наружу через установленные на этих концах тангенциальные сопла, создавая реактивную тягу, увеличивающую крутящий момент на валу [Заявка на изобретение № RU95114441, дата публикации 10.08.1997, дата подачи 21.08.1995, МПК F03D 1/00]].
Известное устройство для преобразования энергии ветра, содержащее корпус, выполненный трубообразным, внутренняя поверхность которого выполнена с последовательным сужением и с расширением по ходу набегающего воздушного потока и, по крайней мере, часть наружной поверхности которого выполнена с расширением по ходу набегающего воздушного потока, причем внутренняя поверхность корпуса сообщена каналом с его наружной поверхностью, преобразователь, установленный внутри корпуса и выполненный с возможностью преобразования вращения лопастей ротора его турбины преимущественно в электрическую энергию, отличается тем, что внутренняя поверхность корпуса выполнена из пластин, сопряженных своими сторонами в продольном и в поперечном направлении трубообразного корпуса [Патент на полезную модель № RU35385, дата публикации 10.01.2004, дата приоритета 13.10.2003].
В качестве прототипа была выбрана ветроэнергоустановка карусельного типа, которая содержит корпус из четырех ребер жесткости, в котором вертикально закреплен вал с ветроколесом. Ветроколесо состоит из ротора, сообщенного с полусферическими лопастями, покрытыми фотоэлементами, при этом на корпусе расположены дополнительные фотоэлементы с возможностью корректировки их угла наклона по отношению к природному источнику света [Патент изобретение № DE29614614, дата публикации 01.02.1998, дата приоритета 10.10.1997, МПК F03D 1/06].
Недостатком устройства по прототипу является повышенная материалоемкость и низкая надежность при шквальных усилениях ветра, поскольку отсутствует механизм сброса избыточной кинетической энергии ветра и аварийной защиты от шквальных усилений ветра. Также недостатком известных вертикально-осевых ветроэнергоустановок карусельного типа является низкий коэффициент использования ветра (составляет 15-22%) и, как следствие, тихоходность (модуль быстроходности составляет от 1 до 2).
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности ветроэнергетической установки при экстремальных погодных условиях.
Технический результат заключается в повышении устойчивости при одновременном увеличении модуля быстроходности ветроэнергоустановки при экстремальных погодных условиях.
Сущность Предлагаемого устройства заключается в следующем.
Ветроэнергетическая установка содержит подставку, генератор, устройство для преобразования крутящего момента в электрическую энергию и сообщенный с ним вертикальный вал, на котором расположены не менее двух полусферических лопастей. В отличие от прототипа в вертикальный вал соосно установлен дополнительный вал, при этом вертикальные валы выполнены с возможностью вращения в противоположные стороны и снабжены горизонтальными стержнями. На концах горизонтальных стержней расположены полусферические лопасти с осевым отверстием и полым усеченным конусом внутри, жестко соединенным большим основанием с отверстием, при этом меньшее основание конуса снабжено заслонкой с обратным клапаном.
Длина внешнего вертикального вала меньше длины внутреннего, а разница в длине определяется в зависимости от параметров полусферических лопастей таким образом, чтобы обеспечивалась возможность беспрепятственного вращения лопастей. Крепление горизонтальных стержней на вертикальном валу осуществляется с помощью, например, шпонки, вставленной в паз вала, и фиксируется с помощью прижимных фланцев сверху и снизу. Количество лопастей может быть увеличено с целью увеличения мощности установки путем расположения на концах горизонтальных стержней дополнительных перпендикулярных стержней, на концах которых располагаются лопасти.
Образующей лопасти может являться усеченный конус или парабола с целью упрощения процесса производства лопасти. Диаметр осевого отверстия полусферической лопасти может составлять от 1/6 до 1/3 внешнего диаметра лопасти, при этом усеченный конус может быть выполнен в виде раструба или, например, сопла Лаваля. Диаметр большего основания раструба совпадает с диаметром отверстия в лопасти, а диаметр меньшего основания раструба составляет от 0 до 0,9 от диаметра отверстия в лопасти. Меньшее основание раструба может быть снабжено выступами для более плотного прилегания подвижного обратного клапана к отверстию. Лопасти и раструб могут быть дополнительно снабжены отверстиями диаметром от 1/6 до 1/3 от диаметра миделевого сечения лопасти в количестве 4+N штук, расположенными симметрично на внешней поверхности лопасти и раструба в их верхней, нижней и боковых частях, при этом отверстия в лопасти снабжены трубами любой формы, сообщенными с отверстиями в раструбе. Трубы, соединяющие отверстия в лопасти и раструбе обеспечивают работоспособность ветроэнергоустановки при турбулентном движении ветрового потока.
Возможность вращения валов в противоположные стороны осуществляется за счет того, что на горизонтальном стержне внутреннего вертикального вала лопасти расположены выходным отверстием в одну сторону, а на горизонтальном стержне внешнего вертикального вала - в противоположную. Таким образом, при любом направлении потока ветра один из вертикальных валов вращается по направлению движения часовой стрелки, а другой - против направления движения часовой стрелки за счет того, что давление при действии потока ветра на внутреннюю поверхность лопасти много больше давления при действии потока ветра с той же силой на внешнюю поверхность лопасти.
Заслонка представляет собой шайбу, снабженную обратным клапаном внутри раструба. Клапан может представлять собой пластину на пружинах, расположенных на противоположных сторонах заслонки в отдельных корпусах. При этом крепление пластины к заслонке осуществляется с помощью шпилек, сообщенных с пружинами, а внутри корпусов для пружин выполнено отверстие для движения шпильки по нему. Работа обратного клапана обеспечивается движением шпильки в отверстии при растяжении пружины пластиной клапана, на которую действует ветровой поток. Размеры заслонки и пластины определены диаметром раструба и выступами на его меньшем основании. Крепление заслонки с клапаном к раструбу может осуществляться с помощью шарнира, или рычага на шарнире, или любого другого известного средства, обеспечивающего подвижное соединение заслонки и раструба.
С целью увеличения хода обратного клапана он может быть дополнительно снабжен ветровым экраном. Ветровой экран может быть выполнен в виде полого цилиндра, одно из оснований которого снабжено шайбой, а другое ступицей, с помощью которой осуществляется крепление ветрового экрана к пластине клапана. При этом шайба жестко соединена с цилиндром по внутреннему диаметру, который совпадает с диаметром цилиндра, а основание ступицы меньше диаметра основания цилиндра. Основание цилиндра ветрового экрана, снабженное ступицей, может быть выполнено в виде лепестковой шайбы. Ветровой экран может быть выполнен в форме параллелепипеда, снабженного квадратной шайбой, или в любой другой известной форме, обеспечивающей тот же результат.
Площадь ветрового экрана и упругость пружин обратного клапана рассчитываются в зависимости от величины давления ветрового потока при его превышении в пределах от 0% до 15% от давления при расчетной скорости ветра до 11 м/с.
Наличие обратного клапана обеспечивает сброс избыточной кинетической энергии через зазор, образовавшийся между клапаном и заслонкой, при движении лопасти по ветру и повышение коэффициента использования энергии ветра при движении лопасти против ветра за счет прохождения части ветрового потока через раструб при открытом подвижном клапане. Часть ветрового потока может проходить через лепестковую шайбу, что обеспечивает дополнительный сброс кинетической энергии ветра.
Внешняя поверхность раструба внутри лопасти может быть снабжена ветровыми шайбами. Шайбы представляют собой полусферы с осевым отверстием, расположенные на внешней поверхности раструба с такой частотой, что внешний диаметр и диаметр осевого отверстия каждой следующей шайбы уменьшается в пределах от 0% до 20% от диаметра предыдущей шайбы по мере уменьшения диаметра раструба, что позволяет увеличить площадь соприкосновения поверхности лопасти с потоком воздуха и увеличивает коэффициент использования энергии ветра. На поверхности раструба могут быть выполнены отверстия между шайбами от 0 до L, где L - расстояние между ветровыми шайбами. Таким образом, часть ветрового потока проходит через отверстия между шайбами, что позволяет дополнительно сбрасывать излишнюю кинетическую энергию.
За счет наличия отверстий с трубами в лопасти, ветрового экрана, ветровых шайб и отверстий в раструбе, миделевое сечение лопасти остается неизменным, а площадь взаимодействия лопасти с ветровым потоком увеличивается в 1,5 раза и более, в зависимости от габаритов лопасти и количества вышеупомянутых элементов, за счет чего дополнительно увеличивается коэффициент использования энергии ветра.
В качестве устройства для преобразования крутящего момента в электрическую энергию может быть использован мультипликатор с приводом. Мультипликатор содержит корпус с крышкой, внутри которого расположен горизонтальный вал, сообщенный с вертикальными вращающимися валами посредством конической зубчатой передачи. Горизонтальный вал сообщен с генератором посредством, например, клиноременной или цепной передачи через фрикционную муфту предельного момента, которая ограничивает частоту вращения ветроэнергоустановки и одновременно предохраняет генератор от чрезмерных перегрузок.
Подставка может представлять собой регулируемую стойку, содержащую четыре ножки. Ножки могут быть снабжены костылями и талрепом для увеличения устойчивости установки. Костыли могут быть выполнены Г-образной формы, при этом к каждому костылю может крепиться винтовой захват. Ветроэнергетическая установка может быть установлена на земле путем вбивания Г-образных костылей в землю или крепиться с помощью винтовых захватов к лонжеронам или, например, к металлическому багажнику на крыше транспортного средства.
Ветроэнергетическая установка может быть выполнена из композиционных материалов, что позволит значительно снизить массу конструкции и обеспечить ее мобильность без снижения мощности и коэффициента использования энергии ветра.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка характеризуется следующими отличительными существенными признаками:
- дополнительный внутренний вал и возможность вращения валов в противоположные стороны, что обеспечивает повышение устойчивости ветроэнергоустановки;
- полусферические лопасти с осевым отверстием и полым усеченным конусом внутри, жестко соединенным большим основанием с отверстием, при этом меньшее основание конуса снабжено заслонкой с обратным клапаном, что обеспечивает возможность сброса излишней кинетической энергии ветра при одновременном увеличении коэффициента использования ветра, за счет чего повышается устойчивость и увеличивается модуль быстроходности ветроэнергоустановки.
Таким образом, за счет использования вышеописанных существенных признаков модуль быстроходности предлагаемой ветроэнергетической установки карусельного типа увеличивается более чем в 3,5 раза, что обеспечивается высоким коэффициентом использования энергии ветра - от 45 до 55%, что на 30% выше, чем у существующих аналогичных технических решений, а также высокой надежностью при экстремальных погодных условиях.
Совокупность вышеописанных существенных признаков обеспечивает предлагаемое устройство новыми, ранее не известными из доступных источников информации свойствами, заключающимися в высокой быстроходности и надежности вертикально-осевой ветроэнергоустановки карусельного типа, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Предлагаемое изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что позволяет судить о соответствии предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Предлагаемое устройство поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 - ветроэнергетическая установка в изометрии;
Фиг. 2 - заслонка с обратным клапаном в разрезе;
Фиг. 3 - вид лопасти при движении по ветру;
Фиг. 4 - вид лопасти при движении против ветра;
Фиг. 5 - лопасти, расположенные на горизонтальных стержнях.
Ветроэнергетическая установка содержит подставку I, содержащую четыре ножки с костылями 2 и талреп 3, мультипликатор с приводом 4 и два соосных вращающихся вала 5 и 6, установленные один в другой. Каждый вал снабжен горизонтальным стержнем 7, на концах которого расположены полусферические лопасти 8. На горизонтальном стержне внутреннего вала 5 лопасти расположены выходным отверстием в одну сторону, а на горизонтальном стержне внешнего вала 6 - в противоположную. Мультипликатор содержит корпус с крышкой, внутри которого расположен горизонтальный вал, сообщенный с вертикальными вращающимися валами посредством конической зубчатой передачи (не показано на чертежах). Горизонтальный вал сообщен с генератором посредством клиноременной передачи через фрикционную муфту предельного момента (не показано на чертежах). Полусферические лопасти 8 содержат осевое отверстие 9 и раструб 10 в виде полого усеченного конуса внутри, жестко соединенный большим основанием с осевым отверстием 9, при этом меньшее основание конуса снабжено заслонкой 11 с обратным клапаном 12. Заслонка 11 представляет собой шайбу, снабженную обратным клапаном 12 внутри раструба. Клапан выполнен в виде пластины 13 на пружинах 14, расположенных на противоположных сторонах заслонки в отдельных корпусах 15. При этом крепление пластины 13 к заслонке 11 осуществляется с помощью шпилек 16, сообщенных с пружинами 14, а внутри корпусов 15 для пружин выполнено отверстие для движения по нему шпильки 16. Обратный клапан 12 снабжен ветровым экраном 18, выполненным в виде полого цилиндра, одно из оснований которого снабжено шайбой 19, а другое - ступицей 20, с помощью которой осуществляется крепление ветрового экрана 18 к пластине клапана 13. При этом шайба 19 жестко соединена с цилиндром по внутреннему диаметру, который совпадает с диаметром цилиндра, а основание ступицы 20 меньше диаметра основания цилиндра. Основание цилиндра ветрового экрана, снабженное ступицей 20, выполнено в виде лепестковой шайбы 21. Подвижное соединение заслонки 11 с клапаном 12 к раструбу обеспечивается рычагом на шарнире 22. На внешней поверхности раструба расположены ветровые шайбы 23, выполненные в виде полусфер с осевым отверстием, с такой частотой, что диаметр каждой следующей шайбы уменьшается в пределах от 0% до 20% от диаметра предыдущей шайбы по мере уменьшения диаметра раструба 10, при этом на поверхности раструба между шайбами выполнены отверстия 24.
Принцип действия предлагаемой лопасти в составе ветроэнергетической установки заключается в следующем.
Давление на внутреннюю конструкцию лопасти много больше при ее движении по ветру, чем лобовое давление на внешнюю поверхность лопасти, расположенной на другом конце данного горизонтального стержня, за счет этого вертикальные валы, на которых расположены горизонтальные стержни с лопастями, вращаются в противоположные стороны. При увеличении скорости потока ветра до 11 м/с, под действием давления ветрового потока на ветровой экран 18 и обратный клапан 12 лопасти, движущейся по ветру, преодолевая силу упругости пружин 14, обратный клапан 12 приоткрывается и в образовавшийся зазор между пластиной клапана 13 и заслонкой 11, а также через отверстия в раструбе 24 между ветровыми шайбами 23, проходит часть ветрового потока. Под действием давления потока ветра на лопасть, движущуюся против ветра, заслонка 11 с обратным клапаном 12 поворачивается на шарнире рычага 22 и часть ветрового потока проходит сквозь лопасть через раструб 10. Кинетическая энергия вращения лопастей на горизонтальных валах 7 преобразуется путем передачи вращательного момента через клиноременную передачу и фрикционную муфту предельного момента на генератор.