Результат интеллектуальной деятельности: ВАНТОВАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к ветряным двигателям и может найти применение для получения электрической энергии при использовании ветровых потоков.

Известно множество видов ветроэнергетических установок, а наиболее применимыми до сих пор оказываются: с горизонтальной осью вращения при размещении на дорогостоящих сложных башенно-мачтовых инженерных сооружениях или с вертикальной осью вращения при размещении на дорогостоящих фундаментах по индивидуальным проектам. С учетом явных преимуществ и развития области композитных материалов, спектр близких к расширенному использованию технических решений ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения теснит классические пропеллерные горизонтально-осевые ветроэнергетические установки. Предлагаемое изобретение расширяет парк ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения в направлении упрощения, мобильности и снижения требований, как к размещению, так и к уменьшению занимаемого пространства.

Известна ветроэнергетическая установка (Пат. США №4084102, опубл. 11.04.1978 г.), в которой используют подъемный газонаполненный шар с подъемно-стабилизирующим крылом, ветроэнергетическая установка (Пат. США №4165468, опубл. 21.08.1979), в которой используют естественные возвышения рельефа местности с поперечно натянутым леером для подвеса ветрогенераторов с вертикальной осью вращения. В известных устройствах несущая вантовая система совмещена с рабочим валом ветродвигателей, соединенных с электрогенераторами, установленными на земле.

Недостатками указанных устройств являются сложность практической реализации технических решений и эксплуатации в процессе использования.

Известна ветроустановка (А.с. СССР №1273638, опубл. 30.11.1986), содержащая натянутый между подшипниковыми опорами гибкий вал, расположенные вдоль него ярусы профилированных лопастей ветродвигателя и кинетически связанный с валом через мультипликатор электрогенератор, установленный на тележке.

Недостатками данного решения являются сложность конструкции ветродвигателя, индивидуальность с резервированием расширенного занимаемого пространства под электрогенератор с тележкой при установке, недостаточно высокий КПД за счет дополнительных противодействующих сил натяжения на подшипники и использования мультипликатора, а также трудности эксплуатации ветроустановки в зимних условиях.

Известен ветроэнергетический агрегат Болотова (Пат. РФ №2352809, опубл. 20.04.09), включающий раму с цилиндрическими блоками-статорами, играющими роль направляющих аппаратов для ветра, и роторы, закрепленные в раме, соединенные с электрическим генератором, выполненные с возможностью вращения в противоположных направлениях, преобразующие энергию ветра во вращательное движение их валов трубчатого сечения. Вал одного из роторов агрегата проходит внутри вала другого для соединения с ротором и статором электрогенератора, который выполнен также с подвижным ротором и вращающимся снаружи ротора электрическим статором для увеличения, при работе, их относительной скорости вращения. При практической реализации ветровая роторная турбина Болотова оснащается как мачта, оттяжками (www.eneesis.ru).

Недостатками указанного агрегата являются сложность эксплуатации и изготовления комплектующих: электрического генератора с подвижным ротором и вращающегося снаружи ротора электрического статора, снижающих надежность и ведущих к удорожанию изделия и его эксплуатации.

Известен роторный ветродвигатель (Пат. РФ №2210000, опубл. 10.08.03), содержащий каркас, с закрепленным в нем с помощью подшипников валом с рабочими лопастями в виде пластин с переменной толщиной и шириной. Эти лопасти еще и изогнуты в вертикальной плоскости по спирали, а в горизонтальной плоскости - по дуге. Все это обеспечивает обращение лопастей всегда к поступающему потоку воздуха, минимальный стартовый момент и стабильность работы. Для отбора мощности в ветродвигателе предусмотрен второй вал, а сам он выполнен в виде отдельно стоящей конструкции, требующей основательного фундамента.

Недостатками такого устройства являются необходимость применения жесткого каркаса для установки в нем ротора ветродвигателя и устройства отбора мощности или электрогенератора, а также прочного фундамента.

Известна ветроэнергетическая установка профессора Меркулова (Пат. РФ №2384730, опубл. 20.03.10), содержащая ветрогенераторы, состоящие из лопастей и связанных с ними электромеханических преобразователей, использующих суммарное, комбинированное воздействие энергии ветра, при размещении их, для эффективного применения энергии поступательного движения площади ветрового потока, в ячейках сетки, вывешенной с помощью мачт и растяжек.

Недостатками такой ветроэнергетической установки являются сложность конструкции и эксплуатации, как отдельных устройств, так и групп и в группах, в подвешенном положении, влекущем дополнительную регулировку для обеспечения их соответствия требуемому положению.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является ветроустановка (Пат. РФ 1550207, опубл. 15.03.1990), в которой используют подъемный аэростат, связанный с землей при помощи троса, на котором установлены ветродвигатели, совмещенные с электрогенераторами и соединенные с потребителями спускающимся по тросу кабелем.

Недостатками известной ветроустановки являются как сложность практической реализации технических решений и эксплуатации в процессе использования, так и снижение КПД из-за использования опорно-поворотных устройств подвеса и крепления при связи с элементами подвеса и землей.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в упрощении конструкции и эксплуатации, универсальности и сокращении занимаемого пространства при размещении.

Для достижения указанного технического результата вантовая ветроэнергетическая установка, содержащая как минимум один ветрогенератор и электрогенератор, установленные на устройстве подвеса, нижний конец которого закреплен к фундаменту, отличается тем, что устройство подвеса представляет собой внутреннюю ось, вал ветрогенератора и вал электрогенератора выполнены трубчатыми и соединены между собой и установлены на внутреннюю ось с возможностью их свободного вращения вокруг нее, причем верхний конец внутренней оси посредством гибкой тяги через блоки и с помощью устройств фиксации подвешен к естественному возвышению, искусственным конструкциям или постройкам. Вал ветрогенератора соединен с валом электрогенератора с помощью муфты, вал ветрогенератора и вал электрогенератора установлены на внутреннюю ось через подвижные соединения.

Ввиду того что подвижные соединения предназначены только для обеспечения вращения трубчатого вала и конструктивно не испытывают напряжений при обтяжке вантовой системы, то снижения КПД данной ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения, в отличие от аналогов, не происходит.

В вертикальном рабочем положении верхний конец внутренней оси посредством гибкой тяги через блоки и устройства фиксации подвешивается за консоль мачты-опоры, а нижний конец внутренней оси и электрогенератора зафиксированы к фундаменту. Кроме этого, в вертикальном рабочем положении возможна версия, когда верхний конец удлиненной внутренней оси, пропущенной через трубчатый вал электрогенератора, фиксируют к консоли мачты - опоры, а нижний конец внутренней оси тягой крепят к якорю. А также, когда верхний конец внутренней оси подвешивается за верхнюю консоль мачты - опоры, а нижний конец внутренней оси и электрогенератор фиксируют к нижней консоли мачты-опоры. При этом в нижней части трубчатого вала ветрогенератора дополнительно размещают устройство для отбора мощности, выполненное с возможностью для ее передачи или приема на общий от нескольких ветрогенераторов электрогенератор или другие ветрогенераторы.

Предлагаемая вантовая ветроэнергетическая установка может быть использована в наклонном рабочем положении. Для этого верхний конец внутренней оси посредством тяг и устройств фиксации подвешивают к естественному возвышению, искусственным конструкциям или постройкам, а нижний конец внутренней оси и электрогенератор фиксируют к фундаменту или якорю. В этой версии при использовании одного ветрогенератора, ометаемая ветровым потоком поверхность ветроротора, с разных углов розы ветров будет не одинаковой.

Дополнительно к этому, перспективным направлением возможно использование предлагаемой установки в качестве резервного, мобильного, с оперативной сборкой и разборкой электрогенерирующего источника, а также сезонного для дачных участков или полевых экспедиций.

Таким образом, предлагаемая бескаркасная и безрамная, для подвешивания при эксплуатации вантовая ветроэнергетическая установка с увеличенным КПД, с возможностью расширенного упрощенного изготовления и размещения позволит с увеличением надежности и снижением стоимости единицы установленной мощности, множить зоны использования экологически чистой возобновляемой энергии.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом.

На фиг.1 показан общий вид вантовой ветроэнергетической установки, которая содержит внутреннюю ось 1, трубчатый вал 2, рабочие лопасти 3, соединенные с валом 2 с возможностью вращения вместе с ним вокруг внутренней оси 1, муфту 4, трубчатый вал 5 электрогенератора 6, элементов 7 несущей вантовой системы для фиксации ветрогенератора в рабочем положении и устройство 8 для отбора мощности.

Вантовая ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Поток движущегося воздуха, набегая на рабочие профилированные лопасти 3, приводит в движение ветрогенератор, вызывая вращение трубчатого вала 2 вокруг оси 1, который соединен с устройством для отбора мощности 8 или/и с трубчатым валом 5 ротора электрогенератора 6, который при вращении ротора вырабатывает электроэнергию. Работа ветроэнергетической установки в рабочем положении обеспечивается вантовым подвесом при использовании элементов несущей вантовой системы 7, являющихся неподвижными, за счет использования участка внутренней оси 1, вокруг которой могут свободно вращаться трубчатый вал 2 и трубчатый вал 5 электрогенератора.

Технические преимущества использования вантовой ветроэнергетической установки состоят в бескаркасном и безрамном использовании при эксплуатации ветроэнергетического агрегата с упрощенной конструкцией, увеличенной надежностью работы устройства и снижением стоимости единицы вырабатываемой мощности.