Ветроэнергетическая установка

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для создания как автономных малоразмерных ветровых силовых установок, так и промышленных ветроэнергетических установок, преобразующих энергию ветра в механическую или другие виды энергии.

Известна ветроэнергетическая установка типа карусельного колеса, состоящая из вертикальной оси и закрепленных на ней парусных элементов таким образом, что парусность их с одной стороны максимальная, а с другой - минимальная, что создает вращательный момент (А.с. СССР №1017814, МПК: F03D 3/00, 1982 г.).

Известна энергетическая установка, в которой используется круговой рельс с установленной на нем платформой, на которой закреплены два винтовых ветроагрегата таким образом, что изменение направления ветра поворачивает платформу так, чтобы более эффективно использовать ветровую энергию (Патент №1119, МПК: F03D 3/00,1922 г.).

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая парусные элементы, которые установлены на платформах, соединенных в состав так, что начало и конец их соединены вместе, а состав передвигается по замкнутому рельсовому пути. При этом за два прохода платформы по круговому рельсовому пути парусные элементы делают один оборот вокруг своей оси и поворот корректируется при изменении направлении ветра, (патент РФ №2125182, МПК: F03D 3/00,1999 г.).

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая вращающиеся вокруг собственной оси парусные элементы, установленные на платформе, при этом она снабжена приспособлением, обеспечивающим поддержание неизменным отношения скоростей вращения платформы и парусных элементов, причем платформа выполнена в виде многолучевой звезды с осью вращения в центре симметрии, а парусные элементы установлены на концах лучей звезды (Патент РФ№2287084, заявка на изобретение №2003105000 от 19.02.2003, МПК: F03D 3/00 - прототип).

Указанная ветроэнергетическая установка содержит вращающиеся вокруг собственной оси жесткие парусные элементы, установленные на платформе, выполненной в виде двух, трех, четырех, пяти и более лучевой звезды с осью вращения в центре симметрии и снабженной приспособлением, обеспечивающим поддержание неизменным соотношением скоростей вращения платформы и парусных элементов, при этом парусные элементы установлены на концах лучей звезды и их положение принудительно корректируется в зависимости от направления ветра.

Основным недостатком указанных установок является недостаточно высокая эффективность их работы, обусловленная тем, что вращающий момент создается парусными элементами, находящимися в одной рабочей зоне от вертикальной оси вращения, при этом остальные парусные элементы, находящиеся в другой нерабочей зоне, создают вращающий момент, направленный в противоположную сторону, что приводит к потерям суммарного вращающего момента, приводящего в действие установку.

Задачей предложенного технического решения является устранение указанных недостатков и повышение эффективности работы ветроэнергетической установки за счет исключения действия отрицательного момента от парусных элементов, находящихся в нерабочей зоне.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенной ветроэнергетической установке, содержащей платформу, выполненную в виде многолучевой звезды с возможностью вращения вокруг собственной оси симметрии, парусные элементы, установленные на концах лучей указанной звезды, выполненные с возможностью вращения вокруг собственных вертикальных осей, при этом платформа снабжена устройством, обеспечивающим поддержание неизменным отношения скоростей вращения платформы и парусных элементов между собой, согласно изобретению, парусные элементы выполнены с возможностью дополнительного углового вращения вокруг собственных осей под действием набегающего потока воздуха, при этом угол радиального вращения парусного элемента от исходного положения, определяемого вращением платформы, в любую сторону до крайнего положения, составляет ∝=180°/n, где: ∝ - угол, n - количество парусных элементов.

Указанное значение величины угла выбрано исходя из того, что, при его дальнейшем уменьшении/увеличении, парусный элемент не будет занимать положения, параллельного набегающему потоку, и будет создавать дополнительное сопротивление в нерабочей зоне, кроме того, при дальнейшем увеличении угла происходит ослабление прочностных свойств мест крепления.

Техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности работы ветроэнергетических установок с использованием рабочих элементов в виде парусов/парусных элементов, расположенных на концах консолей двух/ трех/четырех/пяти- и более звездочной платформы, вращающейся вокруг собственной центральной оси, причем парусные элементы совершают один оборот вокруг собственной оси, тогда как платформа за это время делает два оборота.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка, вид сверху, на фиг. 2 - механизм синхронизации вращения платформы и парусных установок. Пунктиром показано положение парусных элементов, задаваемое вращением платформы. Стрелками показано направление ветра.

Ветроэнергетическая установка содержит платформу 1, выполненную в виде многолучевой звезды, вращающейся вокруг оси симметрии 2. На концах лучей звезды установлены парусные элементы 3, имеющие ось вращения 4.

В качестве механизма синхронизации может быть рассмотрен следующий механизм.

На одной оси 4, вместе с парусными элементами 3, установлены звездочки 5 цепной передачи. На оси 2 подвижно установлены звездочки 6 цепной передачи и зубчатое колесо 7, неподвижно соединенные друг с другом. Зубчатое колесо 7 находится в зацеплении с зубчатым колесом 8, расположенным на одной оси с зубчатым колесом 9. Зубчатое колесо 9 находится в зацеплении с зубчатым колесом 10, жестко закрепленным на оси 2. Зубчатые колеса 9 и 10 расположены на водиле 11, подвижно установленном на оси 2. Один конец оси 2 расположен в подшипниковом узле 12, установленном в опорной плите 13. Опорная плита выполнена с возможностью вращения относительно оси 2 и обеспечения положения, обеспечивающего необходимую ориентацию парусных элементов относительно воздушного потока.

В местах крепления 14 парусных элементов 3 выполнены пазы 15, обеспечивающие возможность дополнительного углового вращения парусных элементов 3 вокруг собственных осей под действием набегающего потока воздуха, при этом угол радиального вращения парусного элемента от исходного положения, определяемого вращением платформы 1, в любую сторону до крайнего положения, составляет ∝=180°/n, где: ∝ - угол, n - количество парусных элементов.

Передаточное отношение механизма синхронизации подобрано таким образом, что парусные элементы 3 совершают один оборот вокруг собственной оси, тогда как платформа 1 за это время делает два оборота.

Предложенная ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

При набегании воздушного потока на парусные элементы 3, расположенные справа от оси вращения 2, за счет значительного превышения аэродинамического сопротивления парусных элементов, находящихся с правой стороны от оси вращения 2 платформы 1 по отношению к аэродинамическому сопротивлению парусных элементов, находящихся с левой стороны от оси вращения, в нерабочей зоне, появляется момент силы, сообщающий вращение платформе 1.

Платформа 1 вместе с осью 2 начинает вращаться и приводит во вращение зубчатое колесо 10, неподвижно расположенное на оси 2. Зубчатое колесо 10, в свою очередь, приводит во вращение зубчатое колесо 9, расположенное на подвижном водиле 11, и жестко соединенное с зубчатым колесом 8. Зубчатое колесо 8 приводит во вращение зубчатое колесо 7, жестко связанное со звездочкой 6 цепной передачи. От звездочки 6 вращение при помощи цепи передается звездочке 5, установленной на одной оси 4 с парусным элементом 3. Парусный элемент 3 проворачивается на оси 4 и изменяет свое положение по отношению к набегающему потоку воздуха.

За счет выполнения в местах крепления 14 парусных элементов 3 пазов 15, обеспечивающих возможность дополнительного углового вращения парусных элементов 3 вокруг собственных осей под действием набегающего потока воздуха, парусные элементы 3, вышедшие из рабочей зоны, расположенной справа от оси вращения платформы, под действием набегающего потока воздуха принимают положение, обеспечивающее минимальное сопротивление потоку. Такое положение сохраняется до принудительного введения, при помощи платформы 1, парусных элементов 3 в рабочую зону. В этом случае, набегающий поток воздуха разворачивает парусные элементы 3 в пазах 15 таким образом, что обеспечивается максимальная площадь проекции поверхности парусного элемента 3 на вертикальную плоскость и максимальное воздействие набегающего потока на парусный элемент 3, и, соответственно, возрастает вращающий момент, приводящий платформу 1 во вращение.

Далее процесс ввода/вывода парусных элементов в набегающий поток повторяется.

Использование предложенного технического решения позволит повысить эффективность работы ветроэнергетической установки за счет исключения действия отрицательного момента от парусных элементов, находящихся в нерабочей зоне.