Изобретение относится к ветроэнергетике и может найти применение для автономного энергоснабжения объектов и выработки электроэнергии в энергосистему.

, ; : Технический результат! - _: повышение коэффициента полезного действия и коэффициен та использования энергий ветра во времени вне зависимости от его направления и скорости, упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных характеристик, снижение удельной стоимости изготовления и эксплуатационных расходов, повышение надежности при увеличении мощности ветроэлектростанции, повышение мощности без существенного увеличения затрат.

Известна ветроэлектростанция «Ротор с вертикальным валом и регулировкой оборотов ветровой установки» (Патент ФРГ DE 10 2004 031 105 А1), которая имеет отношение к ветряной турбине с регулировкой оборотов или мощности, вертикальным валом, состоящим из нескольких формованных заготовок, расположенных на вращающемся вале с дугообразными поверхностями для передачи энергии в главный вал; при этом формованные заготовки вращаются с целью преобразования энергии. Управляемое движение осуществляется благодаря центробежной силе масс или вспомогательного привода.

Недостатком изобретения, является то, что движение груза по шине не всегда возможно. Например, при попадании на шину посторонних предметов, занесенных ветром или попадание снега, а также воды и смерзание воды в холодное время года не даст возможности двигаться грузу по шине, что приведет к поломке установки при высокой скорости ветра. Если шину закрыть гофрированным шлангом, то при попадании на гофры воды и смерзании воды, получившийся лед не даст возможности сжиматься шлангу. Следовательно, груз не будет двигаться по шине, что также приведет к поломке установки при сильном ветре. Кроме того, создается стук между грузом и шиной, поскольку давление ветра на лопасти будет отклонять груз к шине.:

Для повышения мощности необходимо увеличить площадь лопастей (полукруглых ободов). А это приводит к снижению скорости вращения ветроагрегата, в связи с чем существенно снижается центробежная сила и движения груза по шине не происходит, следовательно, не будет управления избыточной мощностью.

Следующим недостатком является то, что две лопасти (полукруглые обода) неуправляемо смыкаются под действием силы ветра, когда направление ветра совпадает с линией, проходящей через ось вращения между вертикальными кромками двух противоположных лопастей (полукруглых ободов). Это ведет к вращению ветроагрегата рывками, что приводит к преждевременному разрушению подшипников главного вала и неравномерной нагрузке генератора.

Известна ветроэлектростанция «Модифицированный ротор Савониуса» (Патент США US 6,283,711 В1). В данном изобретении ротор состоит из двух профилей, симметрично расположенных вокруг оси вращения. Каждый профиль состоит из внешней лопасти, имеющей переднюю кромку и хвостовую кромку и внутренней лопасти, имеющей хвостовую и переднюю кромку, прикрепленной к хвостовой кромке внешней лопасти. Внешняя лопасть имеет радиус R и тянется не более чем на 90 градусов вокруг оси вращения: Внутренняя лопасть тянется на 180 градусов вокруг оси, которая расположена параллельно к оси вращения, но смещена от нее. Радиус внутренней лопасти составляет десятичные доли радиуса внешней лопасти в пределах от 0,6 до 0,8.

Автоматическое ограничение скорости вращения в одной конструкции, позволяя центробежной силе деформировать внутренние лопасти с тем, чтобы сократить площадь поперечного сечения пути потока воздуха через ротор.

Недостаток данного _г изобретения заключается в следующем. В положении, когда лопасти будут перпендикулярны направлению ветра, воздух не попадает внутрь лопастей и установка должна проскочить этот участок пути вращения за счет инерции. Следовательно, отбор мощности на генератор будет снижать скорость вращения, поэтому вращение будет рывками. При увеличении площади лопастей, для увеличения мощности, скорость вращения снижается, энергии инерции не хватит для преодоления сопротивления вращению, создаваемое генератором. Равномерность вращения можно обеспечить увеличением количества лопастей, однако в данном изобретении этого сделать не возможно в принципе, поскольку любое усовершенствование требует изобретательский уровень.

Известна «Вертикально-осевая турбина» (Патент Великобритании GB 2 420 597 А). Турбина состоит из лопастей, установленных вокруг центральной оси таким образом, что они могут вращаться вместе вокруг центральной оси, причем каждая лопасть турбины установлена на оси по направлению к ее внешней периферии вокруг оси, главным образом параллельные к центральной оси. Устройство смещения смещает внутреннюю периферию лопастей турбины по направлению к центральной оси. Когда лопасти турбины помещаются в поток жидкости, они вращаются совместно вокруг центральной оси, и с увеличением скорости вращения, они вращаются вокруг опоры против смещения, означая, что происходит снижение скорости вращения.

Недостатком изобретения является то, что движение груза по валу не всегда возможно. Например, при попадании между валом и грузом посторонних предметов, занесенных ветром или попадание снега, а также воды и смерзание воды в холодное время года не даст возможности двигаться грузу по валу, что приведет к поломке установки при высокой скорости ветра. Если вал закрыть гофрированным шлангом, то при попадании на гофры воды и смерзании воды, получившийся лед не даст возможности сжиматься шлангу. Следовательно, груз не будет двигаться по валу, что также приведет к поломке установки при сильном ветре. Кроме того, создается стук между грузом и валом, поскольку давление ветра на лопасти будет отклонять груз к валу. В этом случае можно исключить поступательное движение груза по валу, убрав вал между опорами лопастей.

Однако в этом случае не контролируемое движение груза не позволит одновременно открываться, и закрываться лопастям. Это снижает эффективность регулирования скоростью вращения и может при сильном

^' ветре привести к поломке установки. Кроме того, для увеличения мощности необходимо увеличить параметры лопастей, а также удлинить соединения, что приводит к увеличению диаметра окружности, описываемые опорами. В этом случае скорость вращения (число оборотов) снижается и центробежная сила не может отклонить лопасти (стойки) и поднять груз, что исключит регулирование скоростью вращения. Кроме того, смещение центра тяжести лопастей турбины от оси вращения на конец соединения также не позволяет развиться центробежной силе при увеличении диаметра.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является

Ветроэлектростанция Буктукова-5 (варианты) (Патент РК N°25714) состоящая из груза, двух и более лопастей в виде сегментов цилиндра, имеющих внутренние и внешние кромки. Лопасти закреплены в торцах между внутренней и внешней кромкой к подшипникам, которые жестко насажены на оси. Оси своими концами сверху и снизу жестко присоединены к верхнему и нижнему кольцам, диаметры которых равны между собой. К лопастям в местах крепления подшипниками жестко закреплены V-образные рычаги, концы которых шарнирно соединены между собой тягами. Верхнее кольцо посредством траверс жестко соединен с валом, который шарнирно соединен с опорной осью. Опорная ось жестко закреплена к земле. На валу прикреплен шарнирно шкив и жестко ограничитель груза. На ограничителе расположен груз с возможностью перемещения по ограничителю. Груз закреплен к одному концу гибкой связи, которая переброшена через шкив и другим концом прикреплена^ к внутренней кромке лопасти. Нижнее кольцо свободно расположено на ₍ трех или более роликах. Ролики шарнирно прикреплены к валам генераторов. Генераторы установлены на фундаментах.

Недостатком данного технического решения является не возможность повышения коэффициента полезного действия, поскольку здесь используется только принцип паруса.

Целью настоящего изобретения является разработка ветроэлектростанции (ВЭС), позволяющей:

о повысить коэффициент полезного действия и коэффициент использования во времени;

• обеспечить постоянную мощность электростанции не зависимо от скорости и направления ветра;

• упростить конструкцию и повысить эффективность работы, как на малых скоростях ветра, так и на повышенных скоростях;

• повысить надежность работы, при существенном увеличении мощности, что ведет к снижению стоимости и затрат на эксплуатацию. Технический результат - увеличение выработки электроэнергии, повышение коэффициента использования энергии ветра во времени и по мощности вне зависимости от направления и скорости ветра, упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных характеристик, снижение удельной стоимости изготовления и эксплуатационных расходов, повышение эффективности работы ВЭС на малых и больших скоростях ветра и надежности при увеличении единичной мощности ветроэлектростанции.

Технический результат достигается тем, что при работе аэродинамических лопастей увеличивается коэффициент полезного действия. Использование парусных лопастей существенно повышает эффективность работы ВЭС при малых скоростях ветра. А возможность изменения площади ометаемой поверхности за счет смыкания и открывания парусных лопастей увеличивает диапазон используемых скоростей ветра, т.е. увеличивается коэффициент использования энергии ветра во времени. Отклонение аэродинамических лопастей от первоначального положения при закрывании парусных лопастей не позволяет увеличить скорость вращения ветрсшриемной части ВЭС, что обеспечивает надежность работы при сильных скоростях ветра и расширяет диапазон используемых скоростей ветра.

Причинно-следственная связь между существенными признаками изобретения и достигаемыми результатами заключается в том, что при применении указанных признаков ВЭС работает эффективно как на малых скоростях ветра как парусная ветроэлектростанция, а при повышенных скоростях на принципе подъемной силы крыла самолета (аэродинамический принцип). Так, при малых скоростях работают парусные лопасти (в виде сегментов цилиндра) в основном, при повышении скорости ветра эти лопасти за счет давления ветра прикрываются и начинают работать аэродинамические паруса. Это повышает коэффициент полезного действия.

При дальнейшем усилении ветра, парусные лопасти смыкаются, а аэродинамические паруса отклоняются относительно своей оси и оказывают сопротивление вращению. Это не позволяет ускорять вращение, что обеспечивает надежность работы ВЭС. Кроме того, приведенные признаки увеличивают коэффициент использования энергии ветра во времени, т.е.

ВЭС будет работать в диапазоне скоростей от 2-3 до 60 м/с. В результате

ВЭС работает большее количество дней, следовательно, и выработка электроэнергии увеличится. А также можно существенно увеличить единичную мощность установки, не снижая надежности. Это достигается тем, что при малых скоростях ветра увеличивается площадь ометаемой поверхности за счет открытия парусных лопастей, и, наоборот, при увеличении скорости ветра уменьшается за счет смыкания лопастей. При ураганных порывах ветра, давление ветра смыкает парусные лопасти. Надеж- ность работы обеспечивается также за счет простоты конструкции и за счет

, того, что площадь ометаемой поверхности увеличивается при уменьшении скорости ветра и уменьшается при увеличении скорости ветра. А при значительном увеличении скорости ветра, аэродинамические лопасти оказывают сопротивление вращению.

Следует отметить, что при закрывании лопастей, как показали эксперименты, ВЭС продолжает работать по следующей причине. При закрывании лопастей сопротивление ветру уменьшается, лопасти начинают ^• открываться, но из-за Сильного ветра лопасти вновь смыкаются и продолжают вращение.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлена схема расположения парусных и аэродинамических лопастей. На Фиг. 2 показана ветроприемная часть ветроэлектростанции, вид сверху при сильном ветре. На Фиг. 3 - Ветроприемная часть ВЭС, вид сверху при отсутствии ветра или весьма слабом ветре. Фиг. 4 - Ветроприемная часть ВЭС при слабых и умеренных ветрах, вид сверху. Фиг. 5 - Расположение ограничителей и грузов. Фиг. 6 - Ветроприемная часть, вид сбоку.

Ветроэлектростанция состоит (Фиг. 1 , 2) из двух и более аэродинамических лопастей 1 , двух и более (парусных) лопастей 2, V- образных рычагов 3, тяг парусных лопастей 4, тяг аэродинамических лопастей 5, стяжек (траверсов) парусных лопастей 6, стяжек (траверсов) аэродинамических лопастей 7, троса открывания парусных лопастей 8, троса открывания аэродинамических лопастей 9, троса возврата аэродинамических лопастей 10 в первоначальное положение, вала 11 , ограничителей 15 и 16, груза 17 для открывания парусных лопастей 2, груза 18 для возврата аэродинамических лопастей 1 в первоначальное положение.

Аэродинамические лопасти 1 расположены диаметрально, парусные лопасти 2 расположены между аэродинамическими лопастями 1. При этом орбиты вращения аэродинамических лопастей 1 и парусных лопастей 2 не совпадают.

Аэродинамические лопасти 1 в торцах шарнирно соединены с наружными концами стяжек 7. Второй конец стяжки 7 жестко закреплен к валу 1 1. К узкой части одной из аэродинамической лопасти 1 закреплен трос 9,| который переброшен через шкив 14 (Фиг. 3, 4). Второй конец троса 9 закреплен к смежной парусной лопасти 2 между внутренней кромкой и ее осью. К широкой части одной из аэродинамической лопасти 1 прикреплен трос 10, который переброшен через шкив 13 (Фиг. 2, 3). Второй конец троса 10 соединен с грузом 18 (Фиг. 5), который находится в (на) ограничителе 16. Ограничитель 16 жестко прикреплен к валу 1 1.

Раздельные концы V-образных рычагов 3 шарнирно соединены с концами тяг 4, а общий конец шарнирно соединен с наружным концом стяжки 6 (Фиг. 2, 3). V-образные рычаги 3 жестко соединены с парусными лопастями 2 в торцах. Трос 8 закреплен к внутренней кромке лопасти 2 и переброшен через шкив 12. Второй конец троса 8 соединен с грузом 17. Груз 17 находится в ограничителе 15, который жестко прикреплен к валу 1 1.

Работа ветряной электростанции происходит следующим образом

(Фиг. 3, 4). При отсутствии ветра парусные лопасти 2 открыты, а лопасти 1 находятся в первоначальном положении, как показано на Фиг. 3. При слабых скоростях ветра давление оказывается на парусные лопасти 2 и ветроприемная часть начинает вращение, которое посредством вала 11 передается на электромеханическую часть (на чертежах не показана).

При увеличении скорости ветра лопасти 2 начинают прикрываться (Фиг. 4) за счет давления ветра, а груз 17 начинает подниматься по ограничителю 15. При дальнейшем усилении ветра лопасти 2 закрываются в большей степени и начинают работать аэродинамические лопасти 1.

При значительном увеличении скорости ветра, парусные лопасти 2 закрываются и посредством троса 9 отклоняют аэродинамические лопасти 1 от первоначального положения (Фиг. 2). Лопасти I начинают оказыватьсопротивление вращению, т.е. тормозить, что удерживает ветроприемную часть ВЭС от увеличения скорости вращения. Тем самым увеличивается диапазон используемых скоростей ветра. I i > При ослабевании скорости ветра, давление на лопасти 2 уменьшается и груз 17 опускается по ограничителю 15, что приводит к открытию лопастей 2. Это в свою очередь ослабляет натяжку троса 9, и груз 18 натягивает трос 10 и лопасти 1 возвращаются в первоначальное положение (Фиг. 3).