Наиболее близким к первому варианту предлагаемого ветрового колеса по количеству существенных признаков является ветровое колесо ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения ротора, которое содержит обод и, по меньшей мере, два одинаковых паруса, установленных на ободе ветрового колеса, а его ось предназначена для кинематического соединения с ротором генератора ветроэнергетической установки [Патент Украины 71478 на полезную модель, МПК F03D 3/06 (2006.01 ), опубл. 10.07.2012, бюл. JVS 1 3] .

Недостаток описанного колеса состоит в необходимости применения сложных и громоздких механизмов для ориентирования парусов по ветру. Использование же таких механизмов существенно повышает и стоимость колеса и ветроэнергетической установки в целом, требует для обслуживания работы персонала высокой квалификации. Кроме того, из-за сложной конструкции, надежность описанного устройства является недостаточной, что ограничивает использование такого колеса, например в небольших фермерских хозяйствах.

Наиболее близким ко второму варианту предлагаемого ветрового колеса по количеству существенных признаков является ветровое колесо ветроэнергетической установки с горизонтальной осью вращения ротора, которое содержит, как минимум три, одинаковых системы треугольных парусов, оси которых расположены радиально в ветровом колесе, а ось ветрового колеса предназначена для кинематического соединения с ротором генератора ветроэнергетической установки [Информация с сайта https://sites.google.com/site/gravio/Home]. Каждая система треугольных парусов описанного колеса содержит один треугольный парус, который одной стороной жестко закреплен на ободе ветрового колеса, а противоположным - угловым участком - прикреплен к оси ветрового колеса.

Недостаток описанного колеса состоит в необходимости применения сложных и громоздких механизмов для ориентирования парусов в направлении потоков ветра и для ограничения скорости вращения ветрового колеса при шквалах. Применение же таких механизмов существенно повышает стоимость и колеса, и ветроэнергетической установки в целом, требует для обслуживания работы персонала высокой квалификации.

В основу вариантов предлагаемого изобретения поставлена задача создания такого ветрового колеса, в котором каждый парус в первом варианте и каждая система парусов во втором варианте автоматически устанавливались бы в оптимальном относительно ветра направлении и обеспечивали бы регулирование скорости вращения ветрового колеса в зависимости от скорости ветра без применения дополнительных механизмов, в частности таких, которые бы ограничивали скорость вращения ветрового колеса при шквалах.

Поставленная задача решается за счет создания условий для поворота под действием ветра на оптимальный угол каждого паруса в первом варианте и системы парусов во втором варианте предлагаемого устройства - путем их закрепления в ветровом колесе на упругих подвесках - торсионах.

Предлагаемое в первом варианте изобретения ветровое колесо ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения ротора, как и известное, содержит обод и, по меньшей мере два одинаковых паруса, установленных на ободе ветрового колеса, а его ось предназначена для кинематического соединения с ротором генератора ветроэнергетической установки, а, согласно изобретению, ветровое колесо образовано из двух одинаковых колец - верхнего и нижнего, установленных соосно и жестко соединенных между собой, а между кольцами размещены паруса, каждое из которых имеет форму треугольника, закреплено на двух торсионах между верхним и нижним кольцами с возможностью поворота вокруг вертикальной оси паруса, которая проходит через один угол треугольника и оси торсионов и делит парус на два не равных по площади треугольника с образованием балансного подвеса.

Предлагаемое во втором варианте изобретения ветровое колесо ветроэнергетической установки с горизонтальной осью вращения ротора, как и известное, содержит, по меньшей мере, две одинаковых системы треугольных парусов, оси которых расположены радиально в ветровом колесе, ось которого предназначена для кинематического соединения с ротором генератора ветроэнергетической установки, а, согласно изобретению, каждая система треугольных парусов включает два треугольных паруса разной площади, каждое из которых одной стороной прикреплено через торсион к свободному концу оси системы парусов, выполненной в виде жесткого стержня, а противоположным - угловым участком - жестко прикреплено к оси системы в зоне крепления оси системы к оси ветрового колеса или к оси ветрового колеса и установлено в ветровом колесе с созданием балансного подвеса, а ось каждой системы парусов совпадает с осью торсиона или параллельна ей.

Торсион - это пружина в виде вала, который работает на кручение, то есть вала, который имеет прогнозированное значение сопротивления кручению.

В предлагаемых ветровых колесах каждый парус имеет форму треугольника, поскольку именно такая форма является оптимальной для ветрового колеса - позволяет получить равномерное натяжение ткани по всей поверхности паруса и, практически не зависит от точности выполнения составных частей конструкции, а потому позволяет получить поверхность с высокими аэродинамическими свойствами. Каждый парус в первом варианте и каждая система треугольных парусов во втором варианте предлагаемого ветрового колеса установлены с возможностью образования балансного подвеса [см. информацию, например, с сайта: http://www.seaships.ru/steering.htm].

Паруса в первом варианте и системы треугольных парусов во втором варианте предлагаемого ветрового колеса, благодаря торсионам, под действием потока ветра могут поворачиваться на определенный угол. Это происходит по той причине, что площади частей каждого паруса в первом варианте и парусов каждой системы во втором варианте имеют разные значения. Разные значения площадей позволяют создать разность сил, результирующая которых приводит к повороту соответственно, паруса или системы парусов вокруг оси на определенный угол в зависимости от скорости ветра. Так, при усилении ветра торсион позволяет увеличить угол поворота паруса или системы парусов, что автоматически ограничивает скорость вращения ротора ветроэнергетической установки благодаря тому, что при конструировании ветрового колеса жесткость торсиона на скручивание выбирают из условия флюгерования системы парусов или паруса при скорости ветра, равной или превышающей максимальную для региона, где устанавливают ветроэнергетическую установку.

Во время проведения патентно-информационных исследований при подготовке настоящей заявки авторами не обнаружены конструкции ветровых колес ветроэнергетических установок с указанной выше совокупностью существенных признаков, что доказывает соответствие заявляемых технических решений критерию изобретения "новизна".

Технический результат, полученный в результате осуществления предлагаемого изобретения состоит в создании условий для поворота под действием ветра на оптимальный для предлагаемого ветрового колеса угол для каждого паруса в первом варианте и системы парусов во втором варианте ветрового колеса за счет закрепления, соответственно, парусов или системы парусов на упругих подвесках - торсионах. Указанный технический результат в известных технических решениях, которые вошли в уровень техники, авторами не выявлен, поэтому варианты предлагаемого ветрового колеса ветроэнергетической установки могут быть признаны соответствующими критерию изобретения "изобретательский уровень".

Варианты предлагаемого ветрового колеса состоят из конструктивных элементов, для изготовления которых используют известные на сегодняшний день технологические приемы, средства и материалы. Варианты предлагаемого ветрового колеса могут быть использованы для производства электрической и механической энергии в различных отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте, а поэтому можно сделать вывод о том, что предлагаемые решения соответствуют критерию изобретения «промышленная применимость».

Сущность предлагаемого изобретения объясняется схематическими чертежами.

На фиг.1 - показана конструкция паруса, установленного на торсионах в ветроэнергетической установке с вертикальной осью вращения ротора.

На фиг.2 - схематически показана ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения ротора.

На фиг.З - показан вид сверху на первый вариант ветрового колеса - с двумя одинаковыми парусами.

На фиг.4 - схематически показана ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью вращения ротора.

На фиг.5 - показана конструкция системы парусов, установленной на торсионе в ветроэнергетической установке с горизонтальной осью вращения ротора.

На фиг.6 - показана работа системы парусов во втором варианте ветрового колеса ветроэнергетической установки с горизонтальной осью вращения ротора.

Первый вариант предлагаемого ветрового колеса ветроэнергетической установки - с вертикальной осью вращения ротора содержит, по меньшей мере, два одинаковых паруса 1 , установленных на ободе ветрового колеса /не показано/. Ось ветрового колеса предназначена для кинематического соединения з ротором генератора ветроэнергетической установки /не показано/. Ветровое колесо образовано из двух одинаковых колец - верхнего и нижнего, установленных соосно и жестко соединенных между собой /не показано/. Между кольцами размещены одинаковые паруса 1. Каждый парус 1 имеет форму треугольника, закреплен между верхним и нижним кольцами на двух торсионах 2 и 3 с возможностью поворота вокруг вертикальной оси паруса, которая проходит через один острый угол треугольника и оси торсионов 2, 3 с образованием балансного подвеса. Вертикальная ось 4 паруса 1 делит его на два не равных по площади треугольника 5 и 6 с площадью, соответственно S _t и S ₂ . Каждый парус 1 установлен в Г-образной металлической рамке 7. Г-образная рамка 7 обеспечивает надежное крепление каждого паруса 1 между кольцами ветрового колеса на торсионах 2 и 3 и повышает ресурс паруса. Одни концы торсионов 2 и 3 жестко прикреплены к соответствующим кольцам ветрового колеса, а другие - к Г-образной металлической рамке 7. Каждый парус 1 может быть изготовлен, например из тентовой ткани, которая представляет собой прочную армирующую сеть из ниток полиэстера с закрепленными (статичными) ячейками, на которую с обоих сторон нанесен слой пластифицированного поливинилхлорида (ПВХ) [Информация с сайта http://ukreurotent.com.ua/pvc.htm] или из парусины брезентовой, или из парусины брезентовой, пропитанной краской или олифой и обработанной огнестойким веществом. Предлагаемое колесо может содержать, по меньшей мере два паруса 1, но их количество ограничено только габаритами колеса. При этом паруса 1 установлены на колесе так, что в исходном состоянии в каждом следующем по часовой стрелке парусе 1 на виде сверху треугольник 5 расположен за треугольником 6 предыдущего паруса 1.

Второй вариант предлагаемого ветрового колеса ветроэнергетической установки - с горизонтальной осью вращения ротора содержит, как минимум, две одинаковых системы треугольных парусов. Каждая система парусов включает ось 8 выполненную в виде жесткого стержня, радиально установленного в ветровом колесе и два разных по площади треугольных паруса 9 и 10, натянутых на две полурамки, образованные трубами 1 1, 12 и 13. При этом парус 9 по площади больше паруса 10. Труба 1 1 состоит из двух частей, вставленных в опору 14, перпендикулярную к оси 8, а на трубы 12 и 13 натянуты, соответственно, наклонная сторона паруса 9 и сторона параллельная оси системы 8 паруса 10. Полурамки, образованные трубами 1 1, 12 и 13, обеспечивают надежное крепление каждого паруса 9, 10 к соответствующему торсиону 15, что повышает ресурс парусов. Опора 14 установлена с возможностью свободного вращения и перемещения (скольжения) по оси 8 соответствующей системы парусов. Опора 14 при помощи торсиона 15 соединена со свободным концом оси 8. Участки с острым углом каждого паруса 9 и 10, а также трубы 12 и 13 шарнирно закреплены на опоре 16, установленной на участке оси 8 системы парусов, предназначенном для его соединения с осью ветрового колеса 17. Опора 16 перпендикулярна к оси 8. Ось 8 каждой системы парусов совпадает с осью торсиона 15 или параллельна ей. Каждый треугольный парус 9 и 10 установлен в системе с возможностью поворота вокруг оси 8 системы, а каждая система парусов установлена в ветровом колесе с образованием балансного подвеса. Ось 17 ветрового колеса предназначена для кинематического соединения с ротором генератора ветроэнергетической установки /не показано/. В рабочем положении ветровое колесо расположено за мачтой 18, что исключает необходимость в отслеживании направления ветра или в использовании флюгерного устройства. Паруса 9, 10 могут быть изготовлены, например из тентовой ткани, которая представляет собой прочную армирующую сеть из ниток полиэстера с закрепленными (статичными) ячейками, на которую с обоих сторон нанесен слой пластифицированного поливинилхлорида (ПВХ) [Информация с сайта http://ukreurotent.com.ua/pvc.htm] или из парусины брезентовой или из парусины брезентовой, пропитанной краской или олифой и обработанной огнестойким веществом. Предлагаемое колесо может содержать, по меньшей мере, две одинаковых системы парусов, расположенных диаметрально противоположно, но их количество ограничивается лишь габаритами колеса. При этом системы парусов установлены на колесе так, что в исходном состоянии в каждой следующей по часовой стрелке системе на виде спереди треугольный парус 9, расположен за треугольным парусом 10, который имеет меньшую площадь чем парус 9.

Первый вариант предлагаемого ветрового колеса ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения ротора работает так.

Ветровое колесо с парусами 1 устанавливают горизонтально на вертикальном валу ротора генератора ветроэнергетической установки.

Благодаря установке каждого паруса 1 на торсионах 2 и 3 под действием ветра парус 1 поворачивается на определенный угол вокруг оси 4 . Давление ветра распределяется по поверхности паруса пропорционально площадям треугольников 5 и 6. Поскольку площадь треугольника 5 - Si больше площади треугольника 6 - S ₂ возникает сила, достаточная для поворота паруса 1. При увеличении давления на части парусов 1, увеличивается и угол его поворота. Действие ветра на два диаметрально противоположно расположенные на колесе паруса 1 приводит к возникновению пары сил и вращению колеса всегда в одном направлении, которое не зависит от направления ветра. Путем выбора оптимальной жесткости торсионов 2 и 3 создают условия, при которых автоматически регулируется скорость вращения колеса вокруг своей оси, а именно, при сильном ветре - угол поворота торсионов больше, при слабом ветре - меньше.

Второй вариант предлагаемого ветрового колеса ветроэнергетической установки с горизонтальной осью вращения ротора работает так. Благодаря размещению каждой системы треугольных парусов 9 и 10 на торсионах 15, под действием ветра система парусов поворачивается вокруг своей оси 8 на определенный угол и занимает оптимальное положение относительно скорости ветра. Давление ветра распределяется по поверхности каждого паруса 9 и 10 пропорционально их площадям. Учитывая то, что площадь треугольного паруса 9 больше площади треугольного паруса 10 возникает сила, достаточная для поворота системы парусов вокруг оси системы 8 и ветрового колеса вокруг его оси 17. При увеличении давления ветра на паруса 9 и 10 системы, увеличивается и угол поворота системы. Воздействие ветра на противоположно установленные на колесе системы парусов приводит к возникновению пары сил и вращения колеса вокруг оси 17 ветрового колеса всегда в одном направлении, которое не зависит от направления ветра. Путем выбора оптимальной жесткости торсионов 15 создают условия, при которых автоматически регулируется скорость вращения колеса вокруг своей оси 17, а именно, при увеличении силы ветра - угол поворота торсионов 15 увеличивается, при уменьшении силы ветра - уменьшается. Предлагаемое во втором варианте ветровое колесо с системами треугольных парусов 9 и 10, установленных на торсионах 15, обеспечивает автоматическое регулирование скорости вращения ветрового колеса в зависимости от скорости ветра и не требует применения дополнительных механизмов, в частности таких, которые бы ограничивали его скорость при шквалах.