ветроэнергетическая парусная установка (варианты), самоориентирующаяся платформа парусной ветроэнергетической установки и ветроагрегат.

изобретение относится к области использования возобновляющихся источников энергии, а именно ветровой энергии, и преобразования её преимущественно в электрическую.

известны ветроэнергетические установки (вэу) типа карусельного колеса [а.с. N° 1017814, опубл. 1982 г.], состоящие из вертикальной оси и закрепленных на ней парусных элементов таким образом, что парусность их с одной стороны максимальная, а с противоположной - минимальная, что создает вращающий момент.

известна ветроэнергетическая установка с использованием основного рабочего элемента в виде паруса, установленного на платформе, а платформы соединены, в свою очередь, в состав, начало и конец которого соединены вместе, то есть образуют кольцо. состав устанавливается на соответствующий размерам платформ круговой путь. парус имеет наибольший коэффициент использования ветровой энергии. мощность, развиваемая установкой, отбирается от вала колес платформы. (патент рф Jг22125182). недостатки этой вэу:

1. парус работает на полную мощность только 25% кругового пути.

2. 50% пути платформы идут вхолостую и отбирают энергию у вэу.

3. платформы имеют очень тяжёлый вес, что так же снижает кпд вэу.

4. замкнутый рельсовый путь с платформами занимает большую площадь.

5. вэу требует постоянного контроля за техникой безопасности.

у современных лопастных турбинных вэу (ветряки), которые используются в германии и других западных странах, следующие недостатки:

1. маленький коэффициент отбора энергии у ветра, так как лопасть забирает энергию ветра только на 30% от кругового пути, а 70% кругового пути остаются нерабочими.

2. лопасть работает с очень узким потоком ветра, равным рабочей площади лопасти, значит, основной поток ветра проходит мимо, а вместе с ним неусвоенная энергия.

3. лопастные вэу боятся шквальных ветров.

4.Coopyжeниe лопастной вэу требует значительного времени и капиталовложений, что увеличивает цену за киловатт энергии. 5. лопастная вэу опасна для птиц, производит много шума, угнетающе действует визуально.

технической задачей предлагаемого изобретения является создание вэу, эффективно использующей большую площадь ветрового потока с высоким кпд и не боящейся шквальных ветров.

поставленная задача решается применением новой конструкции вэу.

изобретение поясняется следующими чертежами:

фиг. 1 - общий вид ветроэнергетической установки (далее вэу) с цепными или ремёнными или канатными передачами внешнего контура. фиг. 2 - общий вид парусной ветроэнергетической установки (далее вэу) для промышленного производства электроэнергии.

фиг. 3 - самоориентирующаяся платформа парусной ветроэнергетической установки (далее вэу), вид сверху (чертёж дан без сохранения масштаба).

ветроэнергетическая установка изображенная на фиг.1 , содержит раму- опору (на чертеже не показана), по меньшей мере, две бесконечно замкнутых гибких (ремённых или цепных или канатных) передачи внешнего контура 1, по меньшей мере, две бесконечно замкнутые жёсткие направляющие внутреннего контура 2, по меньшей мере, две звёздочки (лучше четыре и более) для цепной или два шкива (четыре и более) ремённой или канатной передачи внешнего контура 3, по меньшей мере, три парусных элемента прямоугольной, трапециевидной или иной формы 4, крепления для рей внешнего контура 5, по меньшей мере, три элемента качения, например каретки, для каждой жёсткой направляющей внутреннего контура 6, реи парусных элементов, закреплённые к внешнему контуру 7, реи парусных элементов закреплённые к элементам качения внутреннего контура 8. по меньшей мере, две, но гораздо эффективнее четыре, установленные по бокам вэу замкнутые гибкие передачи (цепь, канат, ремень) на шкивах и/или звёздочках (далее трансмиссионные гибкие передачи), две приводятся в движение каретками и/или реями внутреннего контура, и две приводимые в движение реями внешнего контура, имеющими элементы зацепления с этими гибкими передачами, затем посредством валов, на которых установлены эти шкивы и/или звёздoчки(нa чертеже не показаны), приводится в движение вал генератора энергии. направление ветрового потока - 9. ветроэнергетическая установка (далее вэу) работает следующим образом. ветер двигает парус 4, который тянет за собой посредством рей 7 гибкие элементы внешнего контура (цепь или ремень) 1, которые, в свою очередь, вращают звёздочки или шкивы 3, вращение которых передаётся на генератор энергии. бесконечно замкнутые гибкие передачи 1 вместе с прикреплёнными к ним реями 7 при движении обегают шкивы или звёздочки, при этом, как минимум, один парус всегда является раскрытым и ведущим, а два (или

более) других являются закрытыми и ведомыми и вступают в роль ведущих и раскрытых поочерёдно.

реи внешнего контура 7 парусного элемента 4, прикреплённые к гибким элементам 1, равноудалены между собой. реи 8 парусного элемента 4, прикреплённые к элементам качения 6, движущимся по замкнутым жёстким направляющим внутреннего контура 2, меняют расстояние между собой, так как на поворотах движение элементов качения приостанавливается.

передача вращательного движения на генератор энергии может идти со всех тяговых и/или вращающихся элементов вэу, к которым относятся: l.валы (оси), на которых установлены шкивы и/или звёздочки внешнего контура, реи внешнего и реи и каретки внутреннего контура.

2. трансмиссионные гибкие передачи на шкивах и/или звёздочках, приводимые в движение реями внешнего контура.

3. трансмиссионные гибкие передачи на шкивах и/или звёздочках, приводимые в движение каретками и/или реями внутреннего контура.

при больших порывах ветра может происходить прокручивание ремённых и канатных передач вокруг шкивов без передачи энергии вращения на генератор. а замкнутая цепная передача при долгом использовании выходит из строя, так как не выдерживает больших и долгих нагрузок.

поэтому, если объединить цепь + ремень или цепь + канат, в одну рабочую нить, то вся тяговая нагрузка ложится на долговечные канат или ремень, а цепь вступает в работу эпизодически, только во время порыва ветра и не допускает прокрутки ремня или каната вокруг шкива.

таким образом, предлагаемая вэу позволяет эффективно использовать энергию ветра с высоким кпд за счет использования большой площади ветрового потока. вэу, за счет сравнительно медленного движения парусных элементов (по сравнению с ветротурбинами), безопасна для человека и животных, не создает шумовых инфразвуков и радиопомех.

предложенная установка лучше всего пригодна для небольших потребителей энергии (коттеджи, геологические и прочие экспедиции), так как установки можно выпускать в разборном виде и легко собирать при необходимости. а ветер в горах, в арктике и антарктике есть всегда.

для промышленного производства электроэнергии предложенная выше установка является маломощной. на фиг. 2 изображена парусная вэу для промышленного производства электрической и других видов энергии.

установка для промышленного производства электроэнергии, состоит из рамы-опоры (на чертеже не показана), на противоположных сторонах которой установлены по меньшей мере две одинаковые бесконечно замкнутые жёсткие направляющие 10, снабжённые, по меньшей мере, тремя элементами качения 11 (например, каретками) на каждой направляющей, . образующие внешний контур, и по меньшей мере две одинаковые бесконечно замкнутые жёсткие направляющие 2, расположенные также на противоположных сторонах, снабжённые, по меньшей мере, тремя элементами качения 6 на каждой направляющей, образующие внутренний контур и, по меньшей мере, три парусных элемента прямоугольной или трапециевидной или иной формы 4, закреплённые с помощью рей 7 одной стороной к элементам качения 11 внешнего контура на расстоянии равноудалённом друг от друга, и с помощью рей 8 другой стороной - к элементам качения 6 на направляющих внутреннего контура.

в этой вэу также, по меньшей мере, две, но гораздо эффективнее четыре, по две на каждый контур, установленные по бокам вэу замкнутые гибкие передачи (цепь, канат, ремень) на шкивах и/или звёздочках (далее трансмиссионные гибкие передачи), две приводятся в движение каретками и/или реями внутреннего контура, и две приводимые в движение каретками и/или реями внешнего контура, имеющими элементы зацепления с этими гибкими передачами, затем посредством валов, на которых установлены шкивы и/или звёздочки приводится в движение вал генератора энергии. на

чертеже фиг.2 показана трансмиссионная гибкая передача 13 на звёздочках и/или шкивах 12 передающая энергию на вал генератора от внешнего контура, трансмиссионные гибкие передачи, передающие энергию от внутреннего контура (на чертеже не показаны).

элементы качения и реи внешнего и внутреннего контура снабжены зубьями, входящими в зацепление с бесконечно-замкнутой цепной передачей на звездочках, или иными элементами зацепления (в случае канатной или ремённой передачи), которые посредством крутящихся валов кинематически связаны с генератором электрической или других видов энергий.

зубья на каретках имеют шаг равный шагу звена цепи, а реи снабжены элементами зацепления с цепной передачей.

в одном из вариантов исполнения внутренний контур обоих вэу выполнен из бесконечно-замкнутых цепных или ремённых или канатных передач, движущихся независимо друг от друга, числом нитей равным числу парусных элементов, а реи парусных элементов закреплены каждый край реи к одному гибкому элементу внутреннего контура на каждой стороне.

расстояние между реями внутреннего контура при работе установки будет меняться, так как на поворотах элементы качения внутреннего контура будут приостанавливаться. а элементы качения с прикреплёнными реями парусных элементов внешнего контура всегда будут равноудалены, благодаря гибкой связи (ремень, цепь, канат) связывающей каретки или реи внешнего контура. гибкий элемент, отвечающий за равноудалённость парусов по внешнему контуру, прикреплён к каждой каретке или к краю реи и при этом охватывает направляющие шкивы или звёздочки и натяжные элементы, расположенные по траектории внешнего контура.

в обеих вэу расстояние между направляющими внешнего контура и направляющими внутреннего контура, где паруса являются рабочими и раскрытыми равно высоте развёрнутого паруса, а расстояние между направляющими контуров, где паруса являются ведомыми и не рабочими

является минимальным, то есть достаточным для прохождения паруса в собранном виде.

в обеих вариантах вэу внутренний замкнутый контур в горизонтальном измерении равен или немного меньше внешнего замкнутого контура, в том случае, если в конкретной конструкции элементы движения одного тягово- несущего контура будут мешать элементам движения другого тягово- несущего контура. в вертикальном измерении внешний контур в семь-десять раз больше внутреннего контура, а горизонтальный рабочий ход паруса в два и более раз превышает размер развёрнутого в высоту паруса.

установка работает следующим образом.

ветровой поток 9 двигает паруса (прямоугольной или трапециевидной фopмы)4. каретки внешнего контура 11, каждая пара в свой рабочий отрезок пути (когда парус, который держит данная пара кареток, раскрыт) являются ведущими и тянут за собой посредством гибкой тяги другие пары кареток, являющиеся в данный отрезок пути и времени ведомыми. затем ведущим становится следующий парусный элемент, а тот, который был ведущим, становится ведомым, складывается и идёт по нерабочему проходу между направляющими внутреннего 2 и внешнего 10 контура при этом, увлекая за собой рею 8 парусного элемента 4, прикреплённого к кареткам 6 внутреннего контура 2. при подходе реи 7 к точке внешнего контура 10, с которой начинается рабочий отрезок пути парусного элемента 4 рея 8, прикреплённая к кареткам 6 внутреннего контура 2 становится вертикально напротив реи 7 внешнего контура 10, и парус становится полностью развёрнутым и начинает проходить свой рабочий отрезок пути. указанный цикл повторяется бесконечно.

передача вращательного движения на генератор энергии может идти со всех тяговых и/или вращающихся элементов вэу, к которым относятся:

1. трансмиссионные гибкие передачи на шкивах и/или звёздочках, приводимые в движение реями и/или каретками внешнего контура.

2. трансмиссионные гибкие передачи на шкивах и/или звёздочках, приводимые в движение каретками и/или реями внутреннего контура.

3. реи и/или каретки внешнего и внутреннего контура.

если трансмиссионная гибкая передача выполнена из бесконечно замкнутой цепной передачи, то вращательное движение на генератор передаётся следующим образом (на примере цепной передачи передающей энергию от рей и кареток внешнего контура, показанных на чертеже). каретки внешнего контура 11 снабжены штырьками-зубьями (на чертеже не показаны), которые при движении кареток и на рабочем отрезке пути методом зацепления приводят в движение бесконечно-замкнутую цепь 13 на звёздочках 12, протяжённость горизонтального пути которой немного больше горизонтального отрезка пути каретки 11 или, по крайней мере, не меньше, и через крутящиеся валы на которых установлены звёздочки вращательная энергия идёт на генератор электрической и других энергий.

в первой и второй вэу функцию трансмиссионной цепной передачи 13 на звёздочках 12 передающую энергию с внешнего контура и трансмиссионной цепной передачи передающую энергию с внутреннего контура могут выполнять бесконечно замкнутые канат или ремень на шкивах, при этом элементы качения (каретки) и реи внутреннего и внешнего контура снабжены элементами зацепления с канатной или ремённой передачей.

в первой и второй вэу для равномерной работы генератора при порывах ветра вращательное движение сначала передаётся на обгонную муфту, затем на маховик (на чертеже не обозначены) и затем на вал электрогенератора или преобразователя в химическую, тепловую или механическую энергию. при необходимости вырабатывается сразу два или более видов энергии. например, электрическая + тепловая, или электрическая + химическая, и т.д. в разных вариантах. для большей эффективности парусные вэу снабжаются концентраторами ветровых потоков. это даёт возможность вырабатывать больше электроэнергии при небольшой силе ветра.

в различных вариантах исполнения жёсткие направляющие и гибкие тяговые элементы парусной вэу могут быть расположены вертикально или горизонтально относительно поверхности земли.

во всех установках жёсткие направляющие и гибкие передачи каждого контура, расположенные противоположно относительно парусного элемента, являются одинаковыми по размеру и параллельными по расположению.

для долгой службы вэу, жёсткие направляющие выполняются из рельсов, двутавров, или профиля из металла или композиционных материалов.

каретки способны двигаться в горизонтальном, вертикальном и перевёрнутом положении по замкнутым контурам жёстких направляющих.

на побережье северного ледовитого океана ветер имеет два сезонных направления. летом с океана на материк, зимой обратно. рационально парусные вэу соединять по принципу батареи. в этом случае каждый тяговый контур является рабочим элементом сразу двух вэу, и несёт на себе сразу две реи парусов по бокам стоящих вэу. в итоге на используемую площадь ветрового потока используется в два раза меньше комплектующих. в дополнение к преимуществам вэу с гибкими элементами, предлагаемые вэу с жесткими направляющими имеют следующие преимущества: - увеличивается срок службы всей установки;

- снижаются затраты на обслуживание, контроль за состоянием комплектующих, и цена за киловатт энергии.

- вэу с жесткими направляющими способна работать в гораздо более жёстких климатических условиях, выдерживает перепады температур (от -30 до + 50) и мощные порывы ветра до 50 метров в секунду.

в современных вэу при изменении направления ветра, человек вынужден изменять расположение установки, сам или с помощью компьютера. это вызывает дополнительные неудобства (сам факт контроля за вэу). технической задачей является освободить человека от этой обязанности. поставленная задача обеспечивается тем, что парусная вэу устанавливается

на платформу 14 снабжённую кожухом или боковыми бортами-стенками 15, боковые стенки 15 которого будут выполнять функцию флюгерных элементов. основание платформы в месте входа ветрового потока жёстко закреплено на оси 16, с возможностью поворота всей вэу вокруг этой оси на 360 градусов, в горизонтальной плоскости, а противоположная сторона платформы поставлена на элементы качения (колёса или катки) 17, движущиеся по замкнутому вкруг монорельсу 18.

парусная ветроэнергетическая установка на самоориентирующейся платформе работает следующим образом:

ветер будет стремиться устанавливать стенки кожуха 15, выполняющие функции флюгерных элементов всегда вдоль ветрового потока 9, а закреплённое на оси 16 основание платформы (место входа ветрового потока) и поставленная на колёса 17 противоположная сторона платформы (место выхода ветрового потока) будут позволять ветровому потоку 9 всегда держать самоориентирующуюся платформу вдоль своего направления. парусные элементы всегда будут поперёк ветрового потока.

для большей эффективности парусные вэу снабжаются концентраторами ветровых потоков. это даёт возможность вырабатывать больше электроэнергии при небольшой силе ветра. парусная вэу облачённая в кожух даёт три положительных эффекта.

1. кожух не позволяет ветру при столкновении с парусом расходиться в стороны, и вэу вырабатывает больше энергии.

2. кожух служит флюгерным элементом и устанавливает вэу в нужном положении, освобождая человека от лишнего контроля за вэу.

3. кожух выполняет функцию рамы-опоры и это упрощает конструкцию. если площадь для использования парусной вэу на самоориентирующейся платформе ограничена, на пример, на корабле, тогда рама-опора крепится на оси по центру, или между входом ветрового потока и центром, а стороны рамы-опоры в месте входа и выхода ветрового потока поставлены на колёса

автомобильного типа или на катки, движущиеся по замкнутому в круг монорельсу или другие элементы качения.

в целях компактности и упрощения конструкции генератор электрического тока закрепляется на раме-опоре, а тоководы от генератора к линии электропередач выведены через полость вала оси вращения самоориентирующейся платформы или рядом с ним.

парусная вэу с гибкими передачами имеет лёгкий вес, поэтому её можно делать разборной, легко транспортировать и устанавливать. но вэу с гибкими передачами требует ухода, смазки цепей и шкивов, контроля за состоянием и натяжением гибких элементов. этих недостатков нет у парусных вэу с жёсткими направляющими. ресурс пробега кареток по жёстким направляющим в сотни раз больше, чем у гибких элементов. при качественных комплектующих вэу с жёсткими направляющими и на самоориентирующейся платформе будет работать долго, с минимальным контролем операторов и высоким кпд.

наземная парусная вэу значительно дешевле, безопаснее, эстетичнее и экологичнее башенных ветряков, используемых в настоящее время. максимальная скорость движения парусного элемента при порывах ветра 30 метров в секунду, будет равняться 1-3 метра в секунду (не более пяти), значит, не будут вырабатываться радиопомехи в отличие от лопастных вэу. прогнозируемый кпд будет 40%- 60% от энергии принимаемого ветрового потока в зависимости от числа парусных элементов. в отличие от башенных ветряков наземная парусная вэу не боится шквальных ветров 30-40 метров в секунду, но при этом нужна соответствующая мощность генератора.

парусная вэу может служить не только для выработки электроэнергии, но и для движения транспортных средств. в 1924 г. французский инженер константен, воскрешая идею XVIII века, предложил применить ветродвигатели для движения судов. вращение вала ветродвигателя передается с помощью трансмиссии, содержащей двойную угловую

зубчатую передачу и вал, на обычный гребной винт, движущий судно. отдалённый аналог, это водное транспортное средство, патент RU2052658.

наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является изобретение французского корабела M. мар (патент франции _N° 2607557), который предложил в качестве движителя использовать ветряк (пропеллер). трехлопастной ротор приводит в движение генератор, полученная электроэнергия питает электродвигатель, который вращает гребной винт. недостатки этого ветроагрегата :

1. низкая скорость судна из-за низкого кпд лопастного вэу .

2. неустойчивость судна из-за больших габаритов вэу и вибрации при порывах ветра.

3. из-за радиопомех вызываемых вэу на судне невозможна будет радиосвязь с внешним миром.

4. близость крутящихся лопастей угнетающе действует на экипаж судна. технической задачей изобретения является создание ветроагрегата удобного в использовании, компактного по размерам и с высоким кпд.

поставленная задача решается применением новой конструкции.

ветроагрегат состоит из водного или наземного транспортного средства, и установленного на нем парусной вэу на самоориентирующейся платформе. работа ветроагрегата осуществляется следующим образом.

на водном транспортном средстве, крутящий момент с вэу передаётся с помощью трансмиссии, прямо на гребной винт, если судно небольших размеров. если длина морского судна больше 10 метров, то крутящий момент сначала идёт на электрогенератор, затем электроэнергия по тоководам идёт к двигателю, снова преобразуется в механическую энергию и передаётся гребным винтам. при изменении направления ветра или курса корабля, парусная вэу на самоориентирующейся платформе поворачивается парусом поперёк ветра, что позволит кораблю идти против ветра с той же скоростью, что и по ветру.

также парусная вэу может устанавливаться и на наземное транспортное средство. в этом случае механическая энергия от вэу, идёт на вращение колёсного механизма или на другой установленный приводной механизм транспортного средства.

например, на крайнем севере сильный ветер, это неисчерпаемая энергия способная заменить углеводородное топливо. транспорт может идти против ветра почти с той же скоростью, что и по ветру. при этом не тратится ни грамма горючего. а во время стоянки идёт зарядка аккумуляторов, то есть преобразование механической энергии в химическую энергию.

устанавливается парусная вэу на самоориентирующейся платформе на транспортном средстве над салоном водителя или под салоном, в зависимости от конструкционной необходимости.

для безопасности птиц, место входа ветрового потока ограждается сеткой, которая не позволит птицам, попасть внутрь установки и при этом не будет препятствовать самому ветровому потоку.

если всё же в установку случайно залетит птица, то, пройдя вместе с парусом рабочий путь, она вылетит невредимой вместе с остатками ветрового потока.

если на установке три парусных элемента, то 20% времени два паруса будут раскрыты и являются рабочими, а 80% времени один парус раскрыт, а два являются нерабочими. для более полного использования ветровой энергии используется пять и более парусов.