ВЕТРОУСТАНОВКА Российский патент 1999 года по МПК F03D9/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии, а также для привода различных насосов.

Известен карусельный ветродвигатель, содержащий вертикальный вал и радиальные лопасти, каждая из которых выполнена в виде прикрепленной к валу рамы, и установленных в ней с возможностью поворота относительно горизонтальных осей параллельных пластин (см. SU 1537885 A1, F 03 D 3/00, 23.01.90). К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства относится то, что в известном устройстве мала мощность и эффективность, т.к. при вращении ротора рабочая лопасть, воспринимающая ветровой поток, находится в положении наибольшего ветрового давления/перпендикулярно ветру/ очень короткое время. В остальных положениях лопасти давление на нее ветра резко падает. При попытке увеличить мощность размеры ротора и его масса увеличиваются настолько, что становится нецелесообразно его применение.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая основной парус и дополнительный парус, установленный асимметрично относительного основного паруса. Паруса совершают колебательные движения, причем парус, идущий против ветра, уменьшает свою парусность специальным механизмом ( SU 1216416 A, F 03 D 5/00, 07.03.86). К недостаткам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства относится то, что в известном устройстве нельзя добиться строгого взаиморасположения парусов во время работы установки т.к. нет механизма, ограничивающего боковые колебания парусов под действием ветрового потока. Нельзя использовать установку у густонаселенной местности, т.к. велика опасность обрыва тросов и закорачивания ими энергосистемы населенных пунктов, а также травмирования людей. Сложность контроля за состоянием тросов во время работы. Опасна для воздушного транспорта.

Известен ветроагрегат, содержащий вертикальный вал с закрепленными на нем кронштейнами с поворотными лопастями (SU 1377448 A1, F 03 D 3/02, 29.02.88). К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства относится то, что в известном устройстве при вращении ротора рабочая лопасть, воспринимающая ветровой поток, находится в положении наибольшего ветрового давления /перпендикулярно ветру/ очень короткое время. В остальных положениях лопасти давление на нее ветра резко падает. Большие поверхности лопастей создают при закрытии большие динамические нагрузки. Применение фрикционного планетарного механизма ограничивает мощность, передаваемую ветроагрегатом на генератор. При попытке увеличить мощность ветроагрегата масса и инерционные нагрузки возрастают настолько, что становится нецелесообразно его использование. Все вышесказанное дает основание утверждать, что известное устройство будет иметь невысокую мощность и эффективность.

Известна ветроустановка, содержащая тележки с колесами, кинематически связанные между собой и установленные с возможностью параллельного возвратно-поступательного перемещения. На тележках установлены вертикальные мачты с управляемыми парусами. Тележки соединены тросом со шкивом генератора (SU 1588900 A1, F 03 D 5/04, 30.08.90). К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства относится то, что в известном устройстве низка мощность, передаваемая на вал генератора, т.к. паруса расположены на тележках параллельно друг за другом и ветровой напор воспринимается только первым парусом, а остальные находятся в аэродинамической "тени" и только частично воспринимают энергию ветра. Много энергии теряется на трение в ходовых колесах тележек. При перемене направления ветра существует опасность опрокидывания тележек. Ветроустановка занимает большую площадь. В данном устройстве не решен вопрос ориентирования его на ветер.

Известна ветроэлектрическая установка, содержащая парусные лопасти, и связанные с ними опорные тележки, установленные на замкнутой колее (см. SU 1275114 A1, F 03 D 5/00, 07.12.86). Парусные лопасти связаны тросами с опорными тележками и шкивом генератора, а также с поддерживающим аэростатом. Парусная лопасть под действием ветра перемещается по направлению ветра, а другая переводиться в горизонтальное положение и движется навстречу ветру.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства относится то, что в известном устройстве низка надежность, связанная с трудностью контроля за тросами, находящимися на высоте. Мощность установки ограничена применением фрикционного привода генератора. Установка занимает большую площадь. Опасна для воздушного транспорта. Часть вырабатываемой электроэнергии идет на привод наземных лебедок, что снижает эффективность установки.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков является ветроустановка, содержащая два паруса, подвешенных на аэростатах и связанных при помощи механизмов раскрытия и складывания с общим тросом, охватывающим шкив, установленный на валу, соединенным через редуктор с валом генератора (SU 1225913 A1, F 03 D 9/00, 23.04.86). К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве низка надежность, связанная с трудностью контроля за тросами, находящимися на высоте. Мощность установки ограничена применением фрикционного привода генератора. Низкая эффективность установки усматривается в том, что большая часть энергии ветрового потока будет непроизводительно расходоваться на преодоление сопротивления аэростата /имеющего большую парусность/, движущегося навстречу ветру со сложенным парусом. Установка занимает большую площадь. Опасна для воздушного транспорта. Возможен обрыв тросов и замыкания им энергосистемы населенных пунктов, а также травмирование людей.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в повышении мощности, надежности, простоте изготовления и эксплуатации, небольшой занимаемой площадки.

Сущность изобретения заключается в том, что в ветроустановке для преобразования ветровой энергии в электрическую, содержащей два паруса, совершающих колебательные движения относительно друг друга и попеременно изменяющие свое сопротивление ветру, она выполнена в виде вертикальных мачт направленными на их верхних концах парусами и шарнирно закрепленными на основании нижними концами, снабженными устройством для преобразования энергии, причем верхние концы мачт имеют возможность качаться относительно друг друга в противофазе.

Кроме того, в ветроустановке имеется гидравлическое устройство, связанное с низом мачты.

Анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявления источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленный аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Данное изобретение позволяет увеличить мощность ветроустановки, ее эффективность, надежность. Она проста по конструкции и в эксплуатации. Занимает небольшую площадь.

На фиг. 1 приведен общий вид ветроустановки; на фиг.2 - вид сбоку; на фиг.3 - схема соединения силовых гидроцилиндров с гидротурбиной и коммутации потоков рабочей жидкости при рабочем ходе мачты 8, а также разрез гидравлического замедлителя мачт; на фиг.4 - схема коммутации потоков рабочей жидкости при рабочем ходе мачты 7; на фиг.5 - разрез гидравлического замедлителя мачт; на фиг. 6 - разрез плунжера гидравлического замедлителя мачт; на фиг. 7 - механизм открытия и закрытия параллельных пластин парусов; на фиг.8 - поперечное сечение мачт; на фиг.9 - механизм перевода парусов в горизонтальное положение; на фиг.10 - клапанный механизм поворотных пластин.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Ветроустановка содержит круглую опорную платформу 1(фиг.1), имеющую по периметру опорные катки 2, опирающиеся на рельсы 3, причем часть катков контактирует с рельсом 3, а часть катков контактирует с рельсом 4. Катки с рельсами заключены в швеллер 5, что исключает вертикальное перемещение платформы во время работы ветроустановки. Швеллер 5 размещен в верхней части кольцевого железобетонного фундамента 6. Сверху на опорной платформе расположены две пространственные мачты, каждая из которых состоит из двух боковых мачт 7, 8 и одной направляющей 9, 10, образующих пространственный шарнирный параллелограмм, позволяющий ориентировать паруса перпендикулярно ветру. Боковые мачты 7 и 8 имеют связи 11. На верхних концах мачт шарнирно закреплены паруса 12, 13, имеющие раму с установленными в ней с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси пластинами 14, 15, позволяющими изменять аэродинамическое сопротивление парусов. Каждая горизонтальная пластина имеет раму 16 (фиг.10) и клапан 17. Клапаны 17 шарнирно закреплены одним концом на горизонтальной оси и прижимаются к раме 16 с помощью пружины 18 через тяги 19. Пружина закреплена на стержне 20 с помощью регулировочной гайки 21, позволяющей изменять усилие прижима клапанов. Клапаны служат для кратковременного пропуска прорывов ветра через паруса и тем самым защищают установку от повреждения. Паруса крепятся к направляющим мачтам 9, 10 (фиг.2 и фиг.9) с помощью раздвижных подкосов 22, 23 с гидроцилиндрами 24, 25, служащими для перевода парусов в горизонтальное положение в случае усиления ветра или для остановки. В нижней части мачты шарнирно закреплены на опорной платформе. Каждая мачта 7, 8 соединена с силовыми гидроцилиндрами 26, 27, служащими для передачи энергии ветра на турбину 28, а также для цикличного перемещения мачт. Силовые гидроцилиндры соединены с гидротурбиной с помощью трубопроводов 29 (фиг.2 и фиг.3). На входных патрубках гидротурбины 30, 31 (фиг.3 и 4) установлены золотники 32, 33, а на выходных патрубках 34, 35 золотники 36, 37, служащие для обеспечения вращения гидротурбины в одну сторону, независимо от направления движения рабочей жидкости от гидроцилиндров 26, 27. Золотники имеют зубчатые рейки 38 и сцепленные с ними шестерни 39. Золотники 32, 36 перемещаются с помощью редуктора 40 и электродвигателя 41. Золотники 33, 37 с помощью редуктора 42 и электродвигателя 43. Золотники имеют трубчатую конструкцию с размещенными на их боковой поверхности окнами 44, служащими для прохода рабочей жидкости. При работе ветроустановки, в подводящих к гидротурбине магистралях, будут возникать кратковременные перепады давления из-за цикличности работы парусов. Для уменьшения потерь энергии при переходе рабочего хода с одной мачты на другую, предусмотрено кратковременное отключение гидротурбины 28 от силовых гидроцилиндров путем соединения входных 30, 31 и выходных 34, 35 патрубков через магистраль 45. На магистралях установлены золотники 46, перекрывающие эти магистрали с помощью электродвигателя 47, редуктора 48 и кривошипно-шатунного механизма 49, связанного с золотником 46. Обратное подключение гидротурбины к силовым гидроцилиндрам, с одновременным перекрытием магистрали 45, осуществляется от датчиков давления 50 при достижении номинального давления в магистрали 29. Надпоршневое пространство гидроцилиндров 26 сообщается с надпоршневым пространством гидроцилиндров 27 по трубопроводу 51 через гидравлический замедлитель мачт 52 (фиг. 3 и 5), служащий для остановки мачт в заданном положении в конце рабочего хода. Одним концом замедлитель крепится к одной из боковых мачт, а другим к опорной платформе. Гидравлический замедлитель состоит из корпуса 52 (фиг.5), плунжера 53 с диаметральными отверстиями 54 симметрично уменьшающимися от середины плунжера к краям (разрез В-В фиг.6) возвратных пружин плунжера 55, 56, штока плунжера 57 с клиновидными пазами 58, 59, обоймы 60, защелки обоймы 61, соленоидов защелки 62, 63, возвратных пружин защелки 64. Гидравлический замедлитель мачт работает совместно с аэродинамической системой торможения мачт ветровым потоком. Обе мачты 7 и 8 оснащены механизмом для циклического изменения аэродинамического сопротивления парусов путем закрытия и открытия параллельных пластин парусов. Этот же механизм служит для аэродинамического торможения мачт в конце рабочего хода. Он содержит гидроцилиндры 65, 66 мачты 7 и гидроцилиндры 67, 68 мачты 8. Рассмотрим механизм мачты 7. Он состоит из гидроцилиндров 65, 66, соединительных трубопроводов 69, 70, 71, исполнительного гидроцилиндра 72, траверсы включателей 73, включателей соленоидов 74, 75. На вертикальной оси гидротурбины 28 (фиг.1 и 2) установлен маховик 76. Он опирается на упорный подшипник 77. Маховик заключен в кожух 78. Через муфту 79 гидротурбина 28 приводит во вращение генератор 80. Боковые мачты (разрез Г-Г фиг.8), имеют ферменную 81 предварительно напряженную конструкцию, в которой изгибающие усилия в поясах воспринимаются тросами 82.

Работа ветроустановки осуществляется следующим образом. Перед пуском ветроустановки в работу верхние концы мачт 7 и 8 (фиг.2) разводят в диаметрально противоположные стороны. При этом пластины паруса на мачте 8 закрыты, а на мачте 7 открыты. Ветровой поток, воздействуя на парус мачты 8, начинает перемещать его в левое крайнее положение, передавая энергию ветра на рабочую жидкость гидроцилиндра 26. Из подпоршневого пространства рабочая жидкость по трубопроводу 29 (фиг.3) поступает в гидротурбину и приводит ее во вращение. Далее, выйдя их турбины она поступает в подпоршневое пространство гидроцилиндров 27 и перемещает мачту 7, совершающую холостой ход с открытыми пластинами в противоположное крайнее положение. Не доходя 10-15^o до места остановки мачты 7 шток гидроцилиндра 66 (фиг.2 и фиг.7) входит в соприкосновение с платформой 1. При дальнейшем движении жидкость, вытесняемая из подпоршневого пространства гидроцилиндра 66 поступает по трубопроводу 69 в подпоршневое пространство исполнительного гидроцилиндра 72. Шток гидроцилиндра перемещается влево и закрывает пластины 15 паруса 13, вследствие чего ветровой поток плавно замедляет движение мачты 7. Рабочая жидкость из надпоршневого пространства гидроцилиндра 72 поступает по трубопроводу 70 (фиг. 7) в подпоршневое пространство гидроцилиндра 65 и выдвигает его шток в исходное положение. Рабочая жидкость из надпоршневого пространства гидроцилиндра 65 перепускается по трубопроводу 71 в гидроцилиндр 66. В это же время шток гидроцилиндра 67, мачты 8 (фиг.2) входит в соприкосновение с платформой 1 и открывает пластины 14 паруса 12 аналогично вышеописанному.В то же время траверсой 73, закрепленной на нижнем конце мачты 7 замыкаются контакты включателя 74, соединенного с соленоидом 62 гидравлического замедлителя (фиг. 5). Он, в свою очередь, через пружину 64 поворачивает защелку 61 до соприкосновения со штоком 57 плунжера 53. В конце хода мачты при движении обоймы 60 с защелкой 61 последняя попадает в клиновидный паз 58 штока и начинает перемещать плунжер 53 влево, сжимая возвратную пружину 55. При этом рабочая жидкость проходит из надпоршневого пространства гидроцилиндров 26 в надпоршневое пространство гидроцилиндров 27 через уменьшающие отверстия плунжера 53 (фиг.6) до полного перекрытия магистрали 51 (фиг.3). После остановки мачты соленоид выключается. Возвратная пружина защелки 64 (фиг.5), выводит ее из клиновидного паза, освобождая шток плунжера, а возвратная пружина 55 возвращает его так же в исходное положение, открывая свободный проход жидкости через замедлитель. При торможении мачты 8 в конце ее рабочего хода шток рабочего гидроцилиндра 67 входит в соприкосновение с платформой вышеописанной гидравлической системы открывает пластины паруса 12. Торможение мачты 8 с помощью гидравлического замедлителя осуществляется аналогично вышеописанному торможению мачты 7 только движение обоймы 60(фиг. 5), будет осуществляться в противоположную сторону. Ветроустановка ориентируется на ветер путем поворота опорной платформы с помощью электродвигателей от датчиков флюгерного типа.

В соответствии с данным изобретением установка позволяет повысить мощность, надежность. Она проста в изготовлении и эксплуатации. Не требует постоянного обслуживающего персонала. Занимает небольшую площадь.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности для выработки электроэнергии, привода насосов;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии. Технический результат, заключающийся в повышении мощности, надежности, простоте изготовления и эксплуатации, достигается тем, что ветроустановка содержит два паруса, совершающих колебательные движения относительно друг друга и попеременно изменяющих свое сопротивление ветру, причем ветроустановка выполнена в виде вертикальных мачт с установленными на их верхних концах парусами и шарнирно закрепленными на основании нижними концами, снабженными устройством для преобразования энергии, причем верхние концы мачт имеют возможность качаться относительно друг друга в противофазе. Кроме того, ветроустановка имеет гидравлическое устройство, связанное с низом мачты. Причем мачты выполнены в виде пространственного шарнирного параллелограмма. 2 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Ветроустановка для преобразования ветровой энергии в электрическую, содержащая два паруса, совершающих колебательные движения относительно друг друга и попеременно изменяющих свое сопротивление ветру, отличающаяся тем, что она выполнена в виде вертикальных мачт с установленными на их верхних концах парусами и шарнирно закрепленными на основании нижними концами, снабженными устройством для преобразования энергии, причем верхние концы мачт имеют возможность качаться относительно друг друга в противофазе. 2. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем, что в ней имеется гидравлическое устройство, связанное с низом мачты. 3. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем, что мачты выполнены в виде пространственного шарнирного параллелограмма.