(варианты)

Изобретение относится к области энергетики, в частности, к ветряным электростанциям, и может найти применение для автономного энергоснабжения объектов и выработки электроэнергии в энергосистему, особенно при отсутствии ветра в ясную погоду.

Известна ветроэнергетическая установка Г.И.Озерова (патент РФ N°2054577), содержащая опору, установленное на опоре ветроколесо с лопастями и электрогенератор. Ветроколесо снабжено фиксированными и подвижными лопастями и выполнено в виде двух стержневых каркасов, которые образованы верхними наружными и внутренними кольцами и нижними наружными и внутренними кольцами, расположенными концентрично соответственно по два в одной горизонтальной плоскости, и вертикальными стержнями, стержни прикреплены к упомянутым кольцам и равномерно расположены по их окружности. Фиксированные лопасти размещены между каркасами и выполнены в виде поворотно закрепленных створок. Подвижные лопасти установлены на стержнях, соединяющих внешние кольца, каждая подвижная лопасть снабжена амортизационным устройством и выполнена с радиусом кривизны, равным радиусу наружного кольца, из двух ступеней с общей осью вращения, причем вторая ступень лопасти выполнена с окном, расположенным у оси вращения.

Этой электростанции присущ ряд недостатков, таких как высокая трудоемкость при изготовлении и необходимость высокой классности изготовления деталей для ее надежной работы, поскольку имеет место большое количество амортизационных устройств; сложное устройство выравнивания силы взаимодействия потока на лопасть при больших скоростях и колебаниях скорости ветра, что ведет к значительному удорожанию и снижению надежности работы, а также низкая работоспособность при малых скоростях ветра. Кроме того, данная установка не работает при отсутствии ветра.

Известен ротор ветродвигателя (патент РФ N°2045682), содержащий вертикальный вал с центральным несущим узлом, вертикальные лопасти, верхние и нижние траверсы, связывающий центральный несущий узел с лопастями и механизм управления. Траверсы каждой лопастей выполнены в виде полых балок аэродинамического профиля, расположенных в вертикальной плоскости под углом одна к другой и сходящихся к центральному несущему узлу. Каждая нижняя балка жестко соединена свободным концом посредством валика с лопастью. Механизм управления состоит из установленного на валике тормозного щитка аэродинамического симметричного профиля с закрепленным на нем рычагом, расположенного в полости нижней балки вала управления с закрепленными на его концах внешним и внутренним рычагами. Тяги тормозного щитка, шарнирно соединенной одним концом с рычагом тормозного щитка, а другим с внешним рычагом вала управления, размещенных в центральном несущем узле груза с направляющей, установленной по оси вертикального вала ротора, и тяг, каждая из которых шарнирно присоединена одним концом к внутреннему рычагу вала управления, а другим к грузу. При этом груз установлен с возможностью осевого перемещения вдоль направляющей. Ось вала управления расположена со смещением относительно оси валика в сторону задней кромки нижней балки.

Такое техническое решение усложняет конструкцию механизма управления Частотой вращения ротора ветродвигателя, что снижает надежность и повышает стоимость изготовления. Кроме того, такая конструкция ветроагрегата работает в узком диапазоне скоростей ветра, что снижает коэффициент использования во времени, а также не работает при отсутствии ветра.

Известен ветродвигатель системы Савониуса (патент РК N°3230) содержащий две полуцилиндрические лопасти, размещенные между платами и имеющие внешние и внутренние кромки, которые кинематически соединены жестко с валом и шарнирно с лопастями, снабженными грузами на их внешних кромках.

Этот ветродвигатель имеет существенный недостаток, заключающий в том, что необходимое для увеличения мощности увеличение диаметра более 0,5 м и повороте на ветер кромками лопастей, происходит неуправляемый сдвиг полуцилиндров под напором ветра и производится удар кронштейнами, что требует усложнения конструкции и снижается надежность устройства. А уменьшение диаметра полуцилиндров ведет к снижению мощности и сокращению диапазона рабочих скоростей ветра. Кроме того, также не работает при отсутствии ветра.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является Ветроэлектростанция (Предпатент РК 34219064), которая включает кронштейны, подшипниковый узел с корпусом, ведущий и ведомые шестерни, штоки, рычаги со стойкой, г-образный рычаг с грузом, лопасти, которые выполнены в виде двух или более сегментов наружной части полого тора и имеют нижний и верхний кромки, а также внутренний и внешний торцы. Наружная часть полого сегмента тора представляет собой в сечении наружную полуокружность, что позволяет представить ее в сечении как часть автомобильной шины более простой формы (в форме полуокружности). Кронштейны жестко закреплены к корпусу подшипников. Подшипники насажены на неподвижную ось. Каждая лопасть между внутренней и внешней торцами со стороны верхней и нижней кромок шарнирно закреплены к кронштейнам. К лопасти между центром и внешним торцом у верхней и нижней кромок шарнирно соединены штоками. Другим концом штоки шарнирно прикреплены со смежной лопастью снаружи посредством рычагов со стойкой. Стойки жестко прикреплены к лопасти. Одна лопасть шарнирно соединена с г- образным рычагом-кронштейном, на противоположном конце которого прикреплен груз. Рычаг-кронштейн с грузом шарнирно прикреплен к корпусу ведущей шестерни. Ведущая шестерня зацеплена с ведомой шестерней меньшего диаметра, которая жестко прикреплена к карданному валу или к валу с шаровым креплением. Неподвижная ось находится внутри ведущей шестерни. Карданный вал (или вал с шаровым креплением) соединен снизу с электромеханической установкой. Неподвижная ось жестко прикреплена к опоре.

Недостатком данного технического решения является не возможность выработки электроэнергии в безветренную ясную погоду, а также наличие штоков, рычагов со стойкой, г-образного рычага с грузом, что создает громоздкость конструкции.

Целью настоящего изобретения является разработка ветроэлектростанции (ВЭС), позволяющей вырабатывать электроэнергию в безветренную ясную погоду, повысить коэффициент использования во времени (расширить диапазон рабочих скоростей ветра), обеспечить постоянную мощность электростанции не зависимо от скорости и направления ветра, упростить конструкцию и повысить надежность работы, при существенном увеличении мощности, что ведет к снижению стоимости и затрат на эксплуатацию.

Технический результат - выработка электроэнергии в ясную погоду при отсутствии ветра, повышение коэффициента использования энергии ветра во времени вне зависимости от его направления и скорости, упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных характеристик, снижение стоимости изготовления и эксплуатационных расходов, повышение надежности при повышении единичной мощности ветроэлектростанции.

Технический результат достигается тем, что электростанция имеет груз, кронштейны, вал, лопасти, выполненные в виде двух или более сегментов наружной части полого тора и имеющие верхние и нижние кромки, а также внутренние и внешние торцы. Каждая лопасть между внутренней и внешней торцами снаружи нижних и верхних кромок шарнирно закреплена к кронштейнам. Кронштейны жестко прикреплены к валу, к верхней части вала между кронштейнами жестко прикреплен отрезок трубы. Вал соединен с электромеханической установкой. Над отрезком трубы жестко к валу прикреплена ось шкива, на которую шарнирно насажен шкив, через шкив переброшена гибкая тяга. Один конец гибкой тяги соединен с верхней кромкой лопасти у внутреннего торца лопасти, а другой конец соединен с грузом, груз свободно расположен внутри отрезка трубы. Ниже кронштейнов установлен подшипниковый узел, корпус подшипникового узла жестко соединен с опорами. В шарнирном креплении каждой лопасти над верхней кромкой к лопасти жестко закреплены V-образные рычаги, концы которых шарнирно соединены между собой тягами. На опоры закреплена обшивка, к верхней части обшивки между опорами жестко закреплены изогнутые воздуховоды. Нижняя часть обшивки расширена в форме конуса широким основанием к земле и установлена выше поверхности земли. Поверхность под конусом и половина обшивки по всей высоте и воздуховоды окрашены в черный цвет, а противоположная сторона обшивки и конусообразная часть выполнены прозрачными.

Технический результат может быть достигнут и при другом варианте, в котором электростанция имеет груз, верхние и нижние кронштейны, лопасти, выполненные в виде двух или более сегментов наружной части полого тора и имеющие верхние и нижние кромки, а также внутренние и внешние торцы. Каждая лопасть между внутренней и внешней торцами снаружи нижних и верхних кромок шарнирно закреплена к кронштейнам. В шарнирном креплении каждой лопасти над верхней кромкой жестко закреплены к лопасти V-образные рычаги, концы которых шарнирно соединены между собой тягами. Кронштейны жестко прикреплены к валу. К верхней части вала между кронштейнами жестко прикреплен отрезок трубы. Над отрезком трубы жестко к валу прикреплена ось, на которую шарнирно насажен шкив. Через шкив переброшена гибкая тяга, один конец гибкой тяги соединен с верхней кромкой лопасти у внутреннего торца лопасти, а другой конец соединен с грузом. Груз свободно расположен внутри отрезка трубы. Нижние кронштейны в местах шарнирного крепления лопастей снизу соединены кольцом. На кольцо снизу прикреплены магниты (ротор). Ниже кронштейнов установлен подшипниковый узел. На подшипниковый узел сверху прикреплено кольцо, диаметром равным верхнему кольцу. На кольцо сверху прикреплены обмотки (статор). Корпус подшипникового узла жестко соединен с опорами. На опоры закреплена обшивка, к верхней части обшивки между опорами жестко закреплены изогнутые воздуховоды. Нижняя часть обшивки расширена в форме конуса широким основанием к земле и установлена выше поверхности земли. Поверхность под конусом и половина обшивки по всей высоте до расширенного участка, а также воздуховоды окрашены в черный цвет. Противоположная сторона обшивки и конусообразная часть выполнены прозрачными.

Причинно-следственная связь между существенными признаками изобретения и достигаемыми результатами заключается в том, что при применении указанных признаков ВЭС работает в безветренную ясную погоду. Коэффициент использования энергии ветра во времени увеличивается, т.е. ВЭС будет работать в диапазоне скоростей от 2-3 до 90 м/с. В результате ВЭС работает большее количество дней, следовательно, и выработка электроэнергии увеличится. Кроме того, можно существенно увеличить единичную мощность установки, не снижая надежности. Это достигается тем, что при малых скоростях ветра увеличивается площадь ометаемой поверхности, и, наоборот, при увеличении скорости ветра уменьшается за счет смыкания лопастей вокруг шарнирного крепления к кронштейну. При ураганных порывах ветра, давление ветра смыкает лопасти, при этом ВЭС принимает форму наружной половины полого тора. Надежность работы обеспечивается как за счет простоты конструкции, так и за счет того, что площадь ометаемой поверхности увеличивается при уменьшении скорости ветра и уменьшается при увеличении скорости ветра.

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.

Кроме того, в безветренную ясную погоду поверхность под конической частью обшивки и обшивка на опорах ВЭС нагреваясь от солнечных лучей, создает вертикально направленный поток воздуха. Поток воздуха, проходя через изогнутые воздуховоды, попадает на лопасти, что приводит к их вращению. В свою очередь, вращение лопастей передается через карданный вал на электромеханическую установку и вырабатывается электроэнергия.

В другом варианте вместе с лопастями вращается кольцо с магнитами (ротор), магнитное поле, пересекая обмотку (статор) вырабатывает электрический ток.

Наличие зеркал приводит к нагреву окрашенных участков, что способствует потоку воздуха в вечернее и утреннее время в безветренную ясную погоду. Это в свою очередь приводит к выработке электроэнергии.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на Фиг. 1 приведен общий вид семилопастной ВЭС с электромеханической установкой, расположенной на земле;

На Фиг. 2 - Вид сверху;

На Фиг. 3 - Вид сверху на воздуховоды, на ротор и статор (лопасти не показаны).

На Фиг 4. - Общий вид ВЭС с горизонтальным расположением ротора и статора;

На Фиг. 5 - общий вид ВЭС с вертикальным расположением ротора и статора.

ВЭС состоит (Фиг. 1) из лопастей 1 , воздуховодов 2, отрезка трубы 3, шкива 4, груза 5 (Фиг. 2), гибкой тяги 6, кронштейнов 7 (Фиг. 1 ,2). Лопасти Г, выполнены в виде сегментов наружной части полого тора и имеют верхние 8 и нижние 9 кромки, а также внутренние 10 и внешние 11 торцы (Фиг. 1,2). Каждая лопасть 1 между внутренней 10 и внешней 1 1 торцами со стороны нижних 9 и верхних 8 кромок шарнирно закреплена к кронштейнам 7. Кронштейны 7 жестко закреплены к валу 12. Вал 12 вращается внутри подшипникового узла 13. Корпус подшипникового узла 13 прикреплен к опорам 14. Вал 12 соединен снизу с электромеханической установкой 15. В шарнирном креплении каждой лопасти 1 над верхней кромкой 8 жестко закреплены V-образные рычаги 16, концы которых шарнирно соединены между собой тягами 17 (Фиг. 1 ,2). К валу 12 между кронштейнами 7 жестко прикреплен отрезок трубы 3, над которой жестко прикреплена ось шкива 4. На эту ось шарнирно насажен шкив 4, через шкив переброшена гибкая тяга 6, один конец гибкой тяги 6 соединен с верхней кромкой 8 лопасти 1 у внутреннего торца 10 лопасти 1 , а другой конец соединен с грузом 5. Груз 5 свободно расположен внутри отрезка трубы 3. На опоры 14 закреплена обшивка 18 (Фиг. 1), к верхней части обшивки между опорами жестко закреплены изогнутые воздуховоды 2 (Фиг. 1,2). Нижняя часть обшивки 18 расширена в форме конуса 19 и установлена выше поверхности земли. Поверхность под конусом и половина обшивки 18 по всей высоте и воздуховоды 2 окрашены в черный цвет, а противоположная сторона обшивки 18 и конусообразная часть 19 выполнены прозрачными.

К валу 12 прикреплены через обгонную муфту дополнительные лопасти 20.

С окрашенной стороны по обеим сторонам ВЭС к земле прикреплены зеркала 21 и 22 (Фиг. 1, 2, 4, 5). С покрашенной стороны обшивки 18 по обе стороны от ВЭС установлены на земле зеркала 23 и 24 до верхней кромки воздуховодов 2.

Во втором варианте (Фиг. 4) у ВЭС отсутствует вал и электромеханическая установка. На концах кронштейнов 7 за пределами воздуховодов 2 (Фиг. 3) жестко прикреплен ротор с горизонтальным расположением магнитов. Напротив ротора на воздуховодах 2 жестко прикреплен статор.

На Фиг. 5 представлена ВЭС с вертикальным расположением магнитов ротора и обмоток статора.

Работа ветряной электростанции происходит следующим образом. ВЭС устанавливается прозрачной обшивкой 18 на юг. При отсутствии ветра в ясную погоду от солнечных лучей нагревается внутренняя сторона обшивки 18 и поверхность земли, на которой установлена ВЭС, поскольку конусообразная часть 19 выполнена прозрачной. Зеркала 21 и 22 усиливают нагрев поверхности земли под конусообразной частью 19 утром и вечером, а зеркала 23 и 24 нагревают покрашенную (северную) часть обшивки 18 с наружной стороны. Воздушный поток устремляется вверх и через воздуховоды 2 действует (давит) на лопасти 1, что приводит к вращению кронштейнов 7 и вала 12. Кроме того, дополнительные лопасти 20 также вращают вал 12. Вращение вала 12 передается на электромеханическую установку 15 и вырабатывается электроэнергия.

В ветреную погоду ветровой поток поступает на лопасти 1 , что приводит к вращению лопастей 1 , кронштейнов 7 и вала 12. Вращение вала 12, выполненного в виде карданного вала передается на электромеханическую установку 15. При увеличении скорости ветра за счет давления ветра лопасть 1 начинает закрываться и внутренний торец 10 лопасти 1 начинает отходить от вала 12 и тянет гибкую тягу 6. Гибкая тяга 6 через шкив 4 тянет груз 5, который начинает подниматься внутри отрезка трубы 3. При повороте лопасти 1 вокруг шарнирного крепления V- образные рычаги 16 также поворачиваются, и посредством тяг 17 приводит к смещению всех лопастей 1 вокруг шарнирного крепления на кронштейнах 7. При ураганных порывах ветра лопасти 1 смыкаются и принимают форму тора.

Дополнительные лопасти 20 не оказывают сопротивление вращению вала 12, поскольку соединены с валом 12 через обгонную храповую муфту.

Вращение электромеханической установки приводит к выработке электроэнергии.

Во втором варианте работа ВЭС происходит аналогично. При вращении кольца с магнитами, установленного на кронштейнах, происходит пересечение магнитных полей (ротора) с обмоткой (статора), что приводит к выработке электроэнергии.