Область техники.

Решение относится к ветроэнергетике и касается ветроагрегатов с ветроколёсами барабанного типа, у которых лопасти параллельны оси вращения. Предшествующий уровень техники.

Известен ветроаrрегат. содержащий ветроколёса барабанного типа, установленные на радиальных траверсах, расположенных в одной вертикальной плоскости с направляющими экранами, флюгеры, закреплённые на концах траверс - для ориентации ветроколёс с экранами на ветер, и электрогенератор с ротором, кинематически связанным с половиной ветроколёс и контрротором, связанным с остальной половиной ветроколёс. Имеется центральная поворотная мачта с симметричным направляющим обтекателем, к которой прикреплены траверсы, а ветроколёса. связанные с ротором и контрротором, установлены, соответственно, по разные стороны мачты с возможностью вращения в противоположные стороны (см. авторское свидетельство СССР NУ 1564375. F 03 D 3/02. 1990 г.).

Недостатки извес тного решения состоят в следующем.

Поворотная конструкция, используемая в устройс тве, не допускает значительного повышения мощности за счет увеличения количества аналогичных конструкций - модулей. При горизонтальном расположении модулей они. так или иначе, б) дут перекрыва ть друг друга. Добавление каждого следующего модуля требует изменения размещения всех уже установленных модулей. При верт икальном расположении модулей наступает ограничение по количест ву модулей из-за прочнос ти мачты. Поворотная конс трукция обладает определенным моментом инерции, который оказывае т непосредс ι венное влияние на время разворота установки на ветер. Во время разворота установка работает неэффективно (практически не работает); таким образом, обрезается высокочасто тная часть энергетического спектра переменных воздушных потоков. Наступает ограничение по ширине установки (с ростом ширины растет момент инерции, увеличивается время разворота, меньшая часть мιергетпческого спект ра у час твует в преобра зовании энергии), что ограничивает ак тивную площадь сбора энергии.

Наличие обтекателей и флюгеров увеличивают материалоемкост ь установки, что сказывается на ее весе и себес тоимости. Вышеуказанные ограничения сужают границы применения ветроустановки (мощность, территориальное размещение и т.д.).

Прототипом предлагаемого решения является модульная ветроэнергетическая установка, содержащая, по меньшей мере, один модуль. состоящий из одного ротора пропеллерного типа, связанного с валом генератора, соединённого с нагрузкой, при эгом увеличение количества модулей предполагает их жесткое соединение при симметричном размещении на каркасе (см. патент Швейцарии X» 625018. F 03 D 1/04, 1981 г.).

Недостаток прототипа заключается в том. ч го с тационарный (неповороrный) вариант установки требует большого числа панелей, развернутых по каждому из направлений: от 0° до 360° горизонта (число панелей равно отношению полного угла 360° к сектору направленное"! и каждой панели). При такой компоновке в каждый момент времени (при определенном направлении ветра) больше половины гаких панелей будут бездействовать. Быстроходные роторы машин пропеллерного типа, используемые в прототипе, характери зую ι ся повышенным уровнем акустических шумов. Это обстоятельство ограничивает применение таких машин в ι устонасслепнυй и жилой зоне.

Раскрытие изобретения. Решаемой технической задачей являе тся увеличение коэффициен та преобразования энергии и расширение границ применения ве троэнергет ической установки.

Эта задача решена в модульной ве троэнергетической установке, содержащей, по меньшей мере, один модуль, сос тоящий из минимум двух роторов, лопасти которых параллельны оси вращения, каждый из которых механически связан с валом генерат ора, соединённого с наι рузкой. при этом образующие двух соседних ро торов в каждом модуле параллельны, а зазор между ними - не более радиуса ро тора.

В одном из час тных случаев исполнения устройс тва ро тор в модуле выполнен цилиндрическим.

В другом частном случае ро тор в модуле выполнен коническим. Предполагается возможность соединения модулей в единую конструкцию в вертикальном и/или ι орiионт альпом направлении. Отдельный модуль ветроэнергетической установки (ветропанель) собирается из нескольких роторов, лопасiи которых параллельны оси вращения, любого известного шпа (Cauoни\ca и т п.). Недостаток такого одиночного ротора заключается в том. что у него работает лишь одна половина, ιiопатки которой движутся по ветру Вторая половина, лопатки которой движутся против ветра, только тормозит движение В пред пожен ном устройстве решена задача использования второй поiовины роюра Когда мы располагаем роторы рядом друг с другом, поток воздуха, набегающий на половину ротора, движущуюся навсiречу ветру, обтекаеi ее и попадает на рабочие попатки соседнего ротора Таким образом, в преобразовании энергии ветра учасiвует вся площадь ветропанели (крайним роιором ιιрснебреιасм). а не половина, как в случае оιдсiьноιо ротора Впияпис )ioιo эффекта зависш оi заюра мeжд\ соседними роιорами чем меньше эюι за юр. ιeм сильнее влияние При величине зазора, сравнимой с радиусом роюра. воздушный поток хвлекаеιся в промежуток между роторами мимо рабочих лопаток, что oб\cлaвливaci несущественное проявление эффекта

Краiкое описание черιежей

На фиг 1 предсιавлена конструкция одного модуля с двумя цилиндрическими роторами, па фиг 2 а. б - схема модуля с iрсмя коническими роιорами: на фиг 3 - вид конструкции плоской многороторной ветропанели (модуля) с одним общим генерлором. в ко юрой роюры симмеiрично расположены по обе стропы υi мавноiо вала модvля. ил фш 4 применение веiропаιιепей с цилиндрическими роторами для авюномноιо освещения периметра огороженной территории, на фиг 5 применение усiановки с ветропанелями. содержащими и конические, и цилиндрические роторы, для автономного освещения iерритории. на фиι 6 изображено вертикальное присос lинеιιие дв>\ ципиндрических модулей, ιιредιιанiаченных для автономного освещения рекламных тумб, на фиг 7 присоединение плоских веiропанслей в верiикальном и горизон uтльном направлении в единую многомодульную конструкцию по компоновочной схеме «yгoл».

Лучший вариант осуществления июбреiсния

Установка по ψпι 1 содержи i два роюра 1. лопасмι которых параллельны оси вращения, каждый ιп которых механически свяsаιι с валом 2 генератора 3. соединенною с нагрузкой 4 Образ ющие роторов 1 параллельны, а зазор между ними - не более радиуса ротора Приведённые на фиг 2 а. б варианты конических роторов 5 оiличаются положением и\ осей на фиг 2 а - оси параллельны, на фиг 2 б - оси пересекаются При этом зазор между ними - не более среднего радиуса конуса роюра На фиг. 3 плоская многороторная веrропанель содержит рогоры 1. закрепленные на траверсах 6 между стойками 7 по обе стороны зубчатого конического сбалансированною мулыипликаiора 8 Мvлыипликаιор содержиi единый главный вал. каждая коническая шестерня коюрого входи г в зацепление с соответствующей конической шестерней. жестко соединенной с соответствующим веrророюром (не показано) Главный вал мулыипликаrора 8 через механическое устройство (муфту или зубчатую переzшч) ) присоединяется к генераιор) 3

На фиi 4 показан вариант использования плоских ветропанелей 9 с цилиндрическими ро юрами Ветропанели установлены сверху ограждения для автономного питания освещения периметра территории Усiановка по фиi 5 оiличается от установки по фиг 4 наличием веiропанелей 10 с коническими роторами

Усiаιιовка собирасιся из одной паи нескольких мιiогороrорных ветропaнелей в различные конфиiурации по lеомстрии и по мощное i и Ветропанели могуι соединяiься между собой и с дрмими эiеменiами консιрjкции с помощью рсiьбовых. клепаных, сварных и rп соединений Возможно lакже применение бысiроразьемных соединений (замковых) Такие соединения хорошо примепяιь для переносных всiроусiановок. коюрые в процессе эксплулации многократно монiируюrся и демон iируюrся (установки автономного питания отдаленных стройiпощадок и i д )

Инiсι ральная мощιιосιь всей усiаιюнки lадасιся количеством используемых ветропанепей и мощностью каждой веiропднепи Геометрия усiаповки может быιь p<нпичнa. в зависимости оι решаемой uiдачи Веiропанели моi у ι быть собраны в одной или нескольких плоское iя\. расположенных по компоновочным схемам «iвcмдa». «мнoι oyгoлышк» или «пoмaнaя лиιιия» - для получения необходимой диаграммы паправпенносιи 11а фи ι 6 показано вертикальное присоединение цилиндрических вегропанелей 11. коюрые могуi усiанавливаι ься. например сверху ципиндрических рекиамных ιγмб дня их авiономноιо освещения 1 Ia фиг 7 изображена многомодульная конструкция. собранная из ветропанелей 9 по компоновочной схеме «yгoл». Диаграмма направленности такой схемы приближается к круговой, т.е. работа установки в целом не зависит от направления ветра.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Все роторы 1 механически связаны с валом генератора 3 через мультипликатор 8. который может быть выполнен, например, в виде зубчатой конической передачи. Для преобразования энергии важен параметр - скорость вращения вала преобразователя (для роторных машин). В некоторых случаях выгодно использовать мультипликатор, увеличивающий скорость вращения. Но любой мультипликатор вносит дополнительные потери, поэтому важно выбрать конструкцию мультиплика тора с наименьшим количеством потерь.

Ветер, попадая на лопасти роторов 1. приводит их во вращение.

Коническая шестерня, жестко закрепленная на валу каждого ротора 1. передает момен т вращения своей парной конической шестерне, закрепленной на едином главном валу мультипликатора 8. Главный вал приводит во вращение генератор 3. который вырабатывает энергию и передаёт её нагрузке 4.

Эффект увеличения коэффициента преобразования энергии обусловлен следующим.

За сче т малых ра змеров каждого ротора 1 и небольших размеров ветропанелей 9- 1 1. лучше учитывается пространс твенная неоднородность ветра.

Установки с большой площадью ротора усредняют воздушные потоки по всей своей площади и работают не в самом эффективном режиме для каждого потока.

Малая активная площадь каждого самостоят ельного элемен та установки позволяет различить воздушные потоки и подобра ть для них эффективные режимы работы, а суммарно - по всем элементам для всей установки - шире охва тить пространственно-эперге ι ический спектр ветра.

За счет малого диаметра каждого ротора 1. сокращается время реакции ротора на изменения ветра (малый момент инерции). Инерционные ус тановки обрезают высокочастотную часть спектра плотности энергии ветра (фильтр высоких частот) и не используют ее. Малоинерционпая установка шире охватывает энергетический частотный спектр ветра.

За счет малого диаме тра каждого ротора 1. увеличивается его частота вращения. Это важно для последующего преобразования энергии (в элек трическую. гидравлическую или тепловую). Например. мощность электрической машины (генератора) при фиксированных параметрах (габариты. вес, себестоимость и т.п.) растет как квадрат частоты вращения, т.е. при увеличении скорости вращения в 3 раза (уменьшении диаметра ветроколеса в 3 раза), расчетная мощность генератора фиксированного веса возрастает в 9 раз. Следует отметить также другие положительные свойства ветроэнергетической установки, которые предполагают её широкое применение. Толщина ветропанели (диаметр ротора 1 ) много меньше ее габаритных размеров по высоте и ширине. Геометрическая форма ветропанели улучшает соотношения: активная площадь/объём, активная площадь /вес. Ветропанель занимает меньше полезной территории, на которой она установлена. Ветропанель меньше весит, а значит и меньше стоит, удобна при монтаже и в обслуживании.

Ветропанель безопасна для человека. Запасенная кинетическая энергия распределена по всей площади и не концентрируется в одном месте. Вес лопаток и каждого ро тора небольшой и не может принести при аварии существенный вред человеку и сооружениям.

Быстроходные установки (пропеллерного типа) производят большие акустические шумы. Тихоходные установки практически бесшумны. В многороторной ветропанели все шумы распределены по площади и не коррелируют между собой, частично подавляя друг друга. ^" Таким образом. многороторная ветропанель приносит меньший вред окружающей среде в сравнении со всеми известными типами ветроустановок.

Использование прозрачных материалов (пластиков) при изго товлении ветропанели позволяет создавать ветропанели. не препятствующие прохождению естественного и искусс твенного освещения. Использование цветных материалов (пластиков) или технологии окраски при изготовлении ветропанели позволяет создавать ветропанели с мозаичным рисун ком (логотипом, лозунгом, рекламой и т.п.).

Ветропанель приспособлена работать как в одиночку, так и в едином ансамбле ветропанелей. Установки из ветропанелей обладают большой конструкционной гибкос тью, что позволяет легко вносить изменения в конс трукцию (добавлен ие или демонтаж), без переделки основного «ядpa» установки, обслуживать, не прерывая ее работы. Модульно-независимая сiруктура ус iановок из ветропанелей повышает их интегральную надежность и устойчивость при выходе из строя ветропанели. частично или полностью, установка в целом не теряет работоспособности

Исходя из вышеперечисленных свойств, можно утверждать, что конструкции состоящие из веι ропанелей. приспособлены к использованию как в отдаленных ненасепенных районах, так и в i ус юнаселенных пунктах в том чиспе

- крупных городах Они моι уi быт ь смон тированы как отдельное сооружение, так и вписаны или дополнены в состав уже существующих зданий и сооружений

Себестоимость уст ановки сокращают не гопько маαые затраты материалов на изгоrовпение Установка состоит и s нескольких ве ι ропанепей. а каждая ветропанель состоит из мноι их одинаковых элементов Массовое производс i во. как известно, сокращает себестоимост ь и более привлека тельно для производи lелей