Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при проектировании ветровых генераторов для выработки электрической или тепловой энергии.

Из уровня техники известно решение (патент RU 55887 U1 от 27.08.2006) ветроэнергетической установки, которая содержит гондолу с ветроколесом, установленную на мачте, закрепленную четырьмя растяжками, одна из которых снабжена тягой (предназначенной для создания рычага при подъеме мачты). Но данное решение применимо при создании малых ветроэнергетических установок и не позволяет поднимать и опускать мачту установки средней и большой мощности.

Наиболее близким аналогом к патентуемому решению является стойка складываемой ветроэнергетической установки с ветрогенератором в верхней ее части, укрепленная на основной опоре и выполненная с возможностью наклона в горизонтальное положение и подъема в вертикальное положение, а также основную лебедку, при этом установка снабжена вспомогательной лебедкой, смонтированной на дополнительной опоре с седлом, выполненной на отдельном фундаменте. Основная опора состоит из неподвижного основания и установленной на нем поворотной части, выполненной с возможностью поворота в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, позволяющего поворачиваться по ветру закрепленной на поворотной части стойке, выполненной в виде вертикального крыла, реализованного на основе пространственного каркаса, элементы которого работают только на сжатие или растяжение и покрыты оболочкой, и в сечении имеющего вид симметричного аэродинамического профиля, при этом вертикальная ось вращения стойки расположена перед аэродинамическим фокусом крыла, что позволяет стойке выполнять флюгирование по ветру, при этом в нижней части стойки размещен шарнир поворота стойки вокруг горизонтальной оси, который делит стойку на неповоротную балку, содержащую удаленные от оси вращения блоки переброски канатов основной лебедки, смонтированной на неподвижном основании, и наклонно подъемную часть, содержащую в нижней части блоки крепления указанных канатов, расположенные на удалении от указанного шарнира, причем в верхней части стойки размещена точка крепления каната вспомогательной лебедки (патент РФ № 2703590 от 21.10.2019).

Недостатком такого решения являет большая площадь оболочки, покрывающей ферму. Когда ветроустановка располагается горизонтально, при возникновении ветра в направлении, перпендикулярном оси крыла, на элементы конструкции действуют большие нагрузки (см.фиг.1 ).

Также во время работы в вертикальном положении стойки ветрогенератора, на стойку, повернувшуюся на небольшой угол к ветру, действует большая подъемная сила от обтекания потоком воздуха оболочки, имеющей форму аэродинамического профиля, (см. фиг. 2).

Такая схема приводит к большим нагрузкам на элементы конструкции, в результате чего требуется увеличение их прочности и габаритов, вследствие, они имеют большой вес.

Технической проблемой предложенного решения является устранение указанных недостатков.

Техническим результатом патентуемого изобретения является повышение прочности стойки с одновременным снижением веса стойки, а также расширение технологических и эксплуатационных возможностей ветроэнергетической установки.

Заявленный технический результат достигается при использовании стойки складываемой ветроэнергетической установки, укрепленной на основной опоре и выполненной с возможностью наклона в горизонтальное положение и подъема в вертикальное положение, содержащей основную лебедку, при этом основная опора состоит из неподвижного основания и установленной на нем поворотной части, выполненной с возможностью поворота по ветру в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси стойки, выполненной в форме крыла, согласно патентуемому решению, стойка выполнена на основе пространственного каркаса в виде фермы из элементов, форма каждого из которых имеет обтекаемый аэродинамический профиль. Таким образом, за счет выполнения конструкции стойки облегченной за счет использования стержней, имеющих обтекаемый аэродинамический профиль, происходит существенное снижение веса конструкции и снижение нагрузок на элементы конструкции, что приводит к повышению прочности стойки. Визуализация обтекания каркаса в виде фермы поперечным воздушным потоком при расположении ветроустановки в нерабочем (монтажном) горизонтальном положении при наличии ветра, направленного поперечно оси стойки ветроустановки приведена на фигуре 6. В сравнении с аналогичной ситуацией, показанной на фигуре 1 видно, что влияние на воздушный поток значительно меньше, что снижает нагрузки на элементы конструкции в несколько раз. Также показана визуализация обтекания каркаса патентуемой стойки, установленной в вертикальном положении под небольшим углом к ветру (см.фиг.7). Усилие, возникающее в таком положении, в несколько раз меньше, чем при обтекании фермы с оболочкой, приведенной на фигуре 2.

Кроме этого, вертикальная ось вращения стойки расположена перед аэродинамическим фокусом крыла, что позволяет стойке выполнять флюгирование по ветру.

В нижней части стойки размещен шарнир поворота стойки вокруг горизонтальной оси, который делит стойку на неповоротную балку, содержащую удаленные от оси вращения блоки переброски канатов основной лебедки, смонтированной на неподвижном основании, и наклонно подъемную часть, содержащую в нижней части блоки крепления указанных канатов, расположенные на удалении от указанного шарнира.

Предпочтительно, чтобы неподвижное основание основной опоры было выполнено в виде установленной на фундаменте звездообразной конструкции с, по меньшей мере, тремя лучами, один из которых оборудован основной лебедкой, причем в центре неподвижного основания расположены неподвижная часть шарнира поворота стойки вокруг вертикальной оси вместе с поворотной частью основной опоры и механизмы этого поворота.

Установка может быть снабжена вспомогательной лебедкой, смонтированной на дополнительной опоре с седлом, выполненной на отдельном фундаменте, а в верхней части стойки размещена точка крепления каната вспомогательной лебедки.

Патентуемое решение поясняется фигурами, на которых изображено следующее.

Фигура 1 - нагрузки, действующие на стойку ветроустановки, принятую за прототип, при возникновении ветра в направлении, перпендикулярном оси крыла, расположенную горизонтально.

Фигура 2 - нагрузки (подъемная сила), действующие на повернувшуюся на небольшой угол к ветру стойку, принятую за прототип, во время работы в вертикальном положении.

Фигура 3 - внешний вид складываемой стойки ветроэнергетической установки с нижним расположением поворотного устройства, стойка которой реализована в виде фермы из элементов, имеющих аэродинамически обтекаемую форму.

Фигура 4 - эта же стойка в сложенном состоянии, которое требуется для проведения монтажных или ремонтных работ.

Фигура 5 - внешний вид фермы, элементы которой имеют аэродинамическую форму относительно набегающего потока воздуха, форма элементов показана в горизонтальном сечении.

Фигура 6 - визуализация обтекания фермы стойки поперечным воздушным потоком при расположении стойки в нерабочем (монтажном) горизонтальном положении при наличии ветра, направленного поперечно оси стойки ветроустановки.

Фигура 7 - визуализация обтекания фермы стойки, установленной в вертикальном положении под небольшим углом к ветру.

Ветроэнергетическая установка состоит из неподвижного основания (1 ), на котором установлена поворотная часть (2) с шарниром поворота стойки в горизонтальной плоскости (вокруг вертикальной оси), объединенная конструктивно с балкой (3) и шарнирами поворота стойки в вертикальной плоскости (4) (вокруг горизонтальной оси). Стойка (5) выполнена обтекаемой формы в виде фермы в форме крыла, состоящей из элементов (6), каждый из которых имеет обтекаемый аэродинамический профиль. Она собирается из секций и шарнирно крепится к поворотной части (2). На вершину стойки устанавливается гондола с ветрогенератором (7) (генератором электрической или тепловой энергии) и прикрепленными на ротор (8) лопастями (9).

На отдельном фундаменте смонтирована дополнительная опора с седлом (11 ) и вспомогательная лебедка (10). Вспомогательная лебедка предназначена для удержания и плавного поворота стойки в финишной части траектории подъема, после перехода стойкой (5) центра тяжести относительно шарнира (4), а также для обеспечения начального этапа опускания стойки до перехода стойкой (5) центра тяжести относительно шарнира (4).

Стойка выполнена в виде крыла с симметричным аэродинамическим профилем, реализованного в виде пространственного каркаса, элементы которого работают только на сжатие или растяжение и имеют обтекаемый аэродинамический профиль. Причем, ось поворота в горизонтальной плоскости расположена на определенном расстоянии спереди аэродинамического фокуса этого крыла по отношению к направлению ветра. Такая форма стойки позволяет использовать ее в качестве флюгера для поворота установки по направлению ветра.

Каркасная конструкция стойки позволяет существенно снизить массу ветроэнергетической установки.

Например, при массе порядка 100 т, можно получить конструкцию высотой 150 м. Также эта конструкция позволяет производить подъем и опускание мачты в горизонтальном положении без применения специальных подъемных кранов большой грузоподъемности. Даже в отдаленных труднодоступных населенных пунктах.

Выполнение стойки в виде фермы, элементы которой имеют обтекаемый аэродинамический профиль, существенно снижает завихрения потока воздуха.

Подъем мачты в вертикальное положение производится основной лебедкой (12), которая монтируется на неподвижном основании (1 ). Канат лебедки пропущен через отклоняющие блоки, закрепленные на балке (3) поворотной части (2). Балка (3) выполняет функцию рычага, на котором отклоняющие блоки расположены на определенном расстоянии от оси шарнира (4) поворота стойки в вертикальной плоскости, таком, при котором создается достаточный момент силы для подъема и опускания стойки (5) с установленными на ней гондолой, ротором и лопастями. Поперечное сечение балки (3) выполнено таким образом, что продолжает симметричный аэродинамический профиль стойки (5).

Основную лебедку можно использовать для опускания мачты в горизонтальное положение при ремонте и обслуживании механизмов гондолы.

Таким образом, предлагаемое техническое решение направлено на создание конструкции стойки ветроэнергетической установки средней и большой мощности с возможностью подъема и опускания мачты и сборки установки без применения специальных подъемных кранов большой грузоподъемности с одновременным существенным снижением нагрузок и веса элементов конструкции стойки.