Группа изобретений относится к ветроэнергетике и может быть использована для получения механической энергии.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая установленную на фундаменте опору, поворотную часть, расположенную на верхнем конце опоры и соединенную с ней для возможности поворота вокруг ее вертикальной оси посредством шарнирного устройства, установленное на горизонтальном валу поворотной части ветроколесо с наружной цилиндрической обечайкой и конусным осевым рассекателем потока воздуха, за между которыми жестко смонтированы лопасти, и исполнительные механизмы [свид. на полезную модель РФ JMi? 74669, МПК F03D 3/00, опубл. 10.07.2008], выбранная в качестве прототипа. В указанной ветроэнергетической установке на конце горизонтального вала поворотной части, противоположном ветроколесу, установлен флюгер; наружная цилиндрическая обечайка ветроколеса жестко соединена с воздухозаборником и конфузором, образующими для потока воздуха рабочий канал; конусный осевой рассекатель потока воздуха жестко соединен с диском, расположенным внутри ветроколеса, и лопасти ветроколеса жестко смонтированы между наружной цилиндрической обечайкой и этим диском и имеют форму крыла. Недостатками известной ветроэнергетической установки являются:

- рыскание поворотной части, так как аэродинамическое сопротивление воздухозаборника с конфузором и флюгера приблизительно равны, что снижает надежность работы установки;

- низкий крутящий момент ветроколеса, обусловленный тем, что воздухозаборник и конфузор сжимают воздушный поток, и усилие от ветра приложено к середине лопасти, что составляет 1/4 радиуса конфузора;

- невысокий коэффициент использования силы ветрового потока особенно в условиях малых ветровых нагрузок, так как коэффициент заполнения лопастями ометаемой площади составляет 1/2;

- создание ветроколесом высокочастотных колебаний, вредных для человека, в связи с тем, что оно работает в режиме крыла;

- отсутствие возможности регулировки ветровой нагрузки на ветроколесо из-за чего при сильном ветре избыток крутящего момента будет постоянно гаситься на тормозном устройстве, что быстро его перегреет и выведет из строя.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является повышение эффективности и надежности работы ветроэнергетической установки при малых, нормальных и повышенных ветровых нагрузках, повышение крутящего момента ветроколеса и коэффициента использования силы ветрового потока, снижение вредного воздействия на человека, а также создание возможности регулировки йетровой нагрузки на ветроколесо при усилении ветрового потока

Поставленная задача по первому варианту решается тем, в ветроэнергетической установке, содержащей установленную на фундаменте опору, поворотную часть, расположенную на верхнем конце опоры и соединенную с ней для возможности поворота вокруг ее вертикальной оси посредством шарнирного устройства, установленное на горизонтальном валу поворотной части ветроколесо с наружной цилиндрической обечайкой и конусным осевым рассекателем потока воздуха, между которыми жестко смонтированы лопасти, и исполнительные механизмы, согласно изобретению, поворотная часть выполнена L-образной формы, на вертикальной стойке которой расположен горизонтальный вал ветроколеса, ветроколесо размещено относительно направления ветра за осью вращения поворотной рамы и имеет внутреннюю цилиндрическую обечайку, жестко соединенную с конусным осевым рассекателем воздуха и горизонтальным валом ветроколеса, при этом между наружной и внутренней цилиндрическими обечайками жестко закреплены лопасти парусного типа. При этом отношение суммарной площади парусов к площади кольцевой щели между внутренней и наружной обечайками составляет от 3 до 7.

По второму варианту поставленная задача решается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей установленную на фундаменте опору, поворотную часть, расположенную на верхнем конце опоры и соединенную с ней для возможности поворота вокруг ее вертикальной оси посредством шарнирного устройства, установленное на горизонтальном валу поворотной части ветроколесо с наружной цилиндрической обечайкой и конусным осевым рассекателем потока воздуха, между которыми жестко смонтированы лопасти, и исполнительные механизмы, согласно изобретению, поворотная часть выполнена в виде рамы с двумя вертикальными стойками, между которыми расположен горизонтальный вал ветроколеса, выполненный телескопическим, на выдвижной части которого установлен дополнительный конусный осевой рассекатель потока воздуха, ветроколесо размещено относительно направления ветра за осью вращения поворотной рамы и имеет внутреннюю цилиндрическую обечайку, жестко соединенную с конусным осевым рассекателем воздуха и горизонтальным валом ветроколеса, при этом между наружной и внутренней цилиндрическими обечайками жестко закреплены лопасти парусного типа.

При этом отношение суммарной площади парусов к площади кольцевой щели между внутренней и наружной обечайками составляет от 0,6 до 5.

И для обоих вариантов:

- внутренняя цилиндрическая обечайка ветроколеса жестко соединена с конусным осевым рассекателем воздуха и горизонтальным валом ветроколеса посредством радиальных балок.

- отношение диаметра внутренней цилиндрической обечайки ветроколеса к диаметру наружной цилиндрической обечайки составляет от 1 :2 до 6:7. Расположение ветроколеса относительно направления ветра за осью вращения поворотной рамы позволяет ему за счёт собственного аэродинамического сопротивления разворачиваться навстречу ветровому потоку, т. е. самоориентироваться по ветру, что исключает рыскание поворотной части при воздействии ветровой нагрузки.

Лопасти парусного типа, жестко закрепленные между наружной и внутренней ци л индри чес ким и обечайками, создают щелевое парусное ветроколесо, в котором увеличена рабочая площадь. Ветррколесо по первому варианту с повышенным аэродинамическим сопротивлением кольцевой парусной щели при повышении ветровой нагрузки не обеспечивает прохождение всего объема воздуха и его избыток уходит за пределы ветроколеса, не создавая перегрузок от крутящего момента.

По второму варианту благодаря выполнению горизонтального вала ветроколеса телескопическим и установке на его выдвижной части дополнительного конусного осевого рассекателя потока воздуха, который, выдвигаясь при повышенной ветровой нагрузке, частично или полностью отсекает ветер от ветроколеса и нет необходимости излишнюю мощность ветрового потока гасить на тормозных устройствах и, таким образом, повышается надежность работы ветроэнергетической установки при повышенных ветровых нагрузках. При этом достигнута возможность регулировки ветровой нагрузки на ветроколесо при изменении усилия ветрового потока.

При отношении диаметра внутренней цилиндрической обечайки ветроколеса к диаметру наружной цилиндрической обечайки в заявляемых пределах перемещаем поток воздуха от центра к периферии ветроколеса с помощью конусного осевого рассекателя потока воздуха, получаем центр приложения силы ветра на 5/6 радиуса ометаемой ветроколесом площади, при этом в два раза увеличивая скорость ветра, проходящего через кольцевую парусную щель. В оптимальном варианте увеличение крутящего момента по сравнению с лопастью ветряка прототипа составляет (5/6) х 2/(1/2) = 3,6 раза на каждую лопасть, где точка приложения силы: 5/6 радиуса для заявляемого изобретения, 1/2 радиуса для прототипа; 2 - отношение заполнения лопастями ометаемой площади изобретения к прототипу. При этом, отношение суммарной площади парусов к площади кольцевой щели между внутренней и наружной обечайками (коэффициент заполнения жёсткими парусами кольцевой щели) для второго варианта составляет от 0,6 до 5 в зависимости от количества парусов, что позволяет снимать всю энергию от ветровой нагрузки на ветроколесо. Следовательно, достигнуто повышение крутящего момента ветроколеса и коэффициента использования силы ветрового потока. При приближении коэффициента заполнения к величине 3-7 (по первому варианту) увеличивается аэродинамическое сопротивление кольцевой щели воздушному потоку со скоростью движения больше 18 м/сек. Излишнее количество воздуха, не имея возможности пройти через кольцевую парусную щель, выходит за пределы наружной обечайки и минует ветроколесо, не создавая крутящий момент выше расчетного.

Благодаря ветроколесу с увеличенным аэродинамическим сопротивлением кольцевой парусной щели (по первому варианту) и наличию дополнительного конусного осевого рассекателя потока воздуха (по второму варианту) заявляемая ветроэнергетическая установка может работать в любом диапазоне ветров. При этом лопасти ветроколеса, работающие в режиме паруса (движение лопасти меньше скорости движения ветра), не создают высокочастотных колебаний, вредных для человека, что позволяет устанавливать заявляемую установку рядом с жилыми постройками и предприятиями.

Детали ветроколеса могут быть изготовлены из легких металлов и сплавов типа дюралюминия, или тонкой листовой штампованной для придания формы и жесткости нержавеющей стали, или синтетических смол, армированных стеклянными или синтетическими волокнами, а также тканями на их основе.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами:

- на фиг. 1 представлен схематический вид сбоку ветроэнергетической установки: а - по первому варианту, б - по второму варианту;

- на фиг. 2 представлен изометрический вид спереди ветроэнергетической установки: а - по первому варианту, б - по второму варианту;

- на фиг, 3 представлен изометрический вид сзади ветроэнергетической установки без кожуха с частичным разрезом ветроколеса: а - по первому варианту, б - по второму варианту;

- на фиг. 4 представлено схематическое действие потока воздуха при повышенной ветровой нагрузке: а - по первому варианту, б - по второму варианту. Заявляемая ветроэнергетическая установка содержит установленную на фундаменте (на фиг. не показано) опору 1, поворотную часть 2, расположенную на верхнем конце опоры 1 и соединенную с ней для возможности поворота вокруг ее вертикальной оси посредством шарнирного устройства 3. Поворотная часть 2 по первому варианту вьшолнена L-образной формы и на ее вертикальной стойке 4 расположен горизонтальный вал 5, на котором установлено ветроколесо 6, размещенное относительно направления ветра за осью вращения поворотной рамы 2. Поворотная часть 2 по второму варианту вьшолнена в виде рамы с двумя вертикальными стойками 4 и 7. Между вертикальными стойками 4 и 7, расположен горизонтальный вал 5, на котором возле вертикальной стойки 4 установлено ветроколесо 6, размещенное относительно направления ветра за осью вращения поворотной рамы 2.

В обоих вариантах на горизонтальном валу 5 сзади ветроколеса

6 установлены исполнительные механизмы (на фиг. не показано), закрытые кожухом 8. Ветроколесо 6 имеет наружную 9 и внутреннюю 10 цилиндрические обечайки, между которыми жестко закреплены лопасти 11 парусного типа, конусный осевой рассекатель потока воздуха 12, жестко соединенный с внутренней 10 цилиндрической обечайкой и горизонтальным валом 5 посредством радиальных балок 13.

По второму варианту горизонтальный вал 5 выполнен телескопическим и на его выдвижной части 14 установлен дополнительный конусный осевой рассекатель потока воздуха 15.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. При набегании ветра на ветроколесо, за счёт собственного аэродинамического сопротивления, ветроколесо 6 разворачивается навстречу ветровому потоку. Поток воздуха перемещается от центра к периферии ветроколеса с помощью конусного осевого рассекателя потока воздуха 12, при этом уменьшается лобовое сопротивление и увеличивается скорость ветра, проходящего через кольцевую парусную щель. Крутящий момент с горизонтального вала 5 ветроколеса снимают через мультипликатор гидростатической трансмиссией или электрогенератором (на фиг. не показано) и передают на исполнительные механизмы (на фиг. не показано) для выполнения технологических процессов.

При увеличении скорости ветра выше расчетной по первому варианту (фиг. 4а) избыточное количество воздуха не может преодолеть кольцевую парусную щель с повышенным аэродинамическим сопротивлением и выходит за пределы ветроколеса, чем обеспечивается его сохранение, а по второму варианту (фиг. 46) выдвижная часть 14 с дополнительным конусным осевым рассекателем потока воздуха 15 при помощи собственной автоматики (на фиг, не показано) выдвигается вперёд и отсекает ветер от ветроколеса, также обеспечивая его сохранение.

Таким образом, заявляемая ветроэнергетическая установка при малых, нормальных и повышенных ветровых нагрузках имеет высокую эффективность и надежность, позволяя при этом получать необходимый крутящий момент ветроколеса и максимальный коэффициент получения энергии с ветрового потока, не оказывая вредного воздействия на человека, благодаря чему может использоваться для получения экологически чистой возобновляемой энергии в непосредственной близости с жилыми и производственными постройками. При этом возможна регулировка ветровой нагрузки на ветроколесо при усилении ветрового потока. И, кроме того, позволяет быть полностью автономным любому бизнесу, а также безопасно для птиц в связи с малой частотой вращения ветроколеса.