ВЕТРОКОЛЕСО (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а конкретно к конструкциям ветроколес с горизонтальной и вертикальной осью вращения, и может быть использована в ветроэнергетических установках низкой стоимости и высоким КПД.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является ветроколесо, описанное в а.с. №1809160. Данное ветроколесо содержит горизонтальные, взаимно перпендикулярные траверсы, состоящие из полутраверс, с размещенными на их концах перпендикулярно им штангами с регулировочными втулками, парашютами и стропами.

Признаками, совпадающими с существенными признаками предлагаемой полезной модели являются:

- по варианту 1 то, что ветроколесо содержит полутраверсы, образующие между собой равные углы, штанги, размещенные на концах траверс, перпендикулярно им и в плоскости ветроколеса, а также расположенные на штангах аэродинамические элементы,

- по варианту 2 то, что ветроколесо содержит полутраверсы, образующие между собой равные углы, штанги, размещенные на концах траверс, перпендикулярно им и в плоскости ветроколеса, а также расположенные на штангах аэродинамические элементы и связанные с ними элементы регулирования аэродинамического сопротивления.

Недостатками данного устройства по обоим вариантам является недостаточная разница аэродинамического сопротивления противоположно расположенных аэродинамических элементов, а также значительное боковое сопротивление аэродинамических элементов, а следовательно, низкий коэффициент использования ветра. По второму варианту, когда ветроколесо регулируется в зависимости от силы ветра, эта регулировка производится вручную, что не реально для промышленных установок.

Предлагаемым изобретением по обоим вариантам решается техническая задача повышения разницы аэродинамического сопротивления противоположно расположенных аэродинамических элементов, снижения бокового сопротивления, а значит, и повышения коэффициента использования ветра. Кроме того, по варианту 2 решается задача автоматического регулирования скорости вращения ветроколеса.

Для достижения указанного технического результата:

- по варианту 1 в ветроколесе, содержащем полутраверсы, образующие между собой равные углы, штанги, размещенные на концах траверс, перпендикулярно им и в плоскости ветроколеса, а также расположенные на штангах аэродинамические элементы, каждый аэродинамический элемент выполнен в виде двух расположенных последовательно в плоскостях, перпендикулярных штанге, одинаково сориентированных пластин одинаковой формы, разного размера, при этом расстояние между пластинами меньше двойного минимального из геометрических размеров большей пластины, а все разного размера пластины аэродинамических элементов установлены по окружности ветроколеса в одинаковой последовательности,

- по варианту 2 в ветроколесе, содержащем полутраверсы, образующие между собой равные углы, штанги, размещенные на концах траверс, перпендикулярно им и в плоскости ветроколеса, расположенные на штангах аэродинамические элементы, а также связанные с ними элементы регулирования аэродинамического сопротивления, каждый аэродинамический элемент выполнен в виде двух расположенных последовательно в плоскостях, перпендикулярных штанге, одинаково сориентированных пластин одинаковой формы, разного размера, при этом расстояние между пластинами меньше двойного минимального из геометрических размеров большей пластины, все разного размера пластины аэродинамических элементов установлены по окружности ветроколеса в одинаковой последовательности, элементы регулирования аэродинамического сопротивления выполнены в виде размещенных на полутраверсах подпружиненных и выполненных с возможностью их движения вдоль полутраверс инерционных грузов, а по крайне мере одна из пластин каждого аэродинамического элемента подпружинена и выполнена с возможностью перемещения вдоль штанги и связана тягой с инерционным грузом.

Кроме того, для достижения максимального использования энергии ветра отношение соответствующих размеров пластин в каждом аэродинамическом элементе равно 0,65-0,85, а отношение расстояния между ними к минимальному из геометрических размеров меньшей пластины равно 0,25-1.

Отличительными признаками предлагаемого ветроколеса от известного являются:

по варианту 1 - выполнение каждого аэродинамического элемента в виде двух расположенных последовательно в плоскостях, перпендикулярных штанге, одинаково сориентированных пластин одинаковой формы, разного размера, при этом расстояние между пластинами меньше двойного минимального из геометрических размеров большей пластины, а все разного размера пластины аэродинамических элементов установлены по окружности ветроколеса в одинаковой последовательности,

по варианту 2 - выполнение каждого аэродинамического элемента в виде двух расположенных последовательно в плоскостях, перпендикулярных штанге, одинаково сориентированных пластин одинаковой формы, разного размера, при этом расстояние между пластинами меньше двойного минимального из геометрических размеров большей пластины, все разного размера пластины аэродинамических элементов установлены по окружности ветроколеса в одинаковой последовательности, элементы регулирования аэродинамического сопротивления выполнены в виде размещенных на полутраверсах подпружиненных и выполненных с возможностью их движения вдоль полутраверс инерционных грузов, а по крайне мере одна из пластин каждого аэродинамического элемента подпружинена и выполнена с возможностью перемещения вдоль штанги и связана тягой с инерционным грузом.

Кроме того, дополнительно то, что отношение соответствующих размеров пластин в каждом аэродинамическом элементе равно 0,65-0,85, а отношение расстояния между ними к минимальному из геометрических размеров меньшей пластины равно 0,25-1.

Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными достигается максимальная разница аэродинамического сопротивления противоположно расположенных аэродинамических элементов и практически устранение бокового сопротивления, а следовательно, повышение коэффициента использования ветра. Кроме того, по варианту 2 решается задача автоматического регулирования скорости вращения ветроколеса. При этом получено простое по конструкции и чрезвычайно дешевое ветроколесо с коэффициентом использования ветра, близким к коэффициенту ветроколеса с профилированными лопастями.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемое ветроколесо, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности “изобретательский уровень”.

Предложенное техническое решение может найти применение в ветроэнергетике, в конструкциях ветроколес с горизонтальной и вертикальной осью вращения и может быть использована для производства дешевых ветроэнергетических установок с высоким КПД. Что особенно важно, данное ветроколесо имеет простую и надежную систему саморегулирования. Таким образом, предлагаемая полезная модель соответствует критерию охраноспособности "промышленно применима".

Изобретение по обоим вариантам поясняется чертежом.

Изображенное на чертеже ветроколесо содержит полутраверсы 1 (в данном случае их 4, а может быть 2, 3 и более), образующие между собой равные углы, штанги 2, размещенные на концах траверс, перпендикулярно им и в плоскости ветроколеса, расположенные на штангах аэродинамические элементы, выполненные в виде двух расположенных последовательно в плоскостях, перпендикулярных штанге, одинаково сориентированных пластин одинаковой формы, разного размера - меньшей 3 и большей 4. Кроме того, по варианту 2 ветроколесо дополнительно содержит элементы регулирования аэродинамического сопротивления, выполненные в виде размещенных на полутраверсах 1 инерционных грузов 5 с пружинами 6 с возможностью движения грузов 5 вдоль полутраверс 1, а по крайне мере одна из пластин, в данном случае 3, установлена на штанге 2 через пружину 7 и выполнена с возможностью перемещения вдоль штанги 2 и связана тягой 8 с инерционным грузом 5.

Известно, что коэффициент лобового сопротивления конструкций, состоящих из двух расположенных друг за другом в плоскостях, перпендикулярных потоку воздуха, плоских пластин, при определенных условиях может быть меньше лобового сопротивления одиночной пластины (“Теоретические основы”, 1980 г., т.102, №1, стр.225-234). Предлагаемая данным техническим решением конструкция работает следующим образом. При расположении против направления ветра сначала меньшей пластины 3, а затем на расстоянии, меньшем двойного минимального геометрического размера (для круга это диаметр, а для прямоугольника, как в данном случае, это минимальная сторона), большей пластины 4 относительное лобовое сопротивление будет менее 0,8, в то время как сопротивление одиночного диска равно 1,2. А при наиболее благоприятных отношениях соответствующих размеров пластин в каждом аэродинамическом элементе - 0,65-0,85, и отношении расстояния между ними к минимальному из геометрических размеров меньшей пластины, равном 0,25-1, относительное лобовое сопротивление будет лежать в диапазоне 0,2-0,4. Установленные на противоположной полутраверсе пластины будут располагаться по отношению к ветру в обратной последовательности: сначала большая 4, а затем меньшая 3. При этом для расстояния, меньшего двойного минимального геометрического размера большей пластины 4, относительное лобовое сопротивление будет больше сопротивления одиночного диска - 1,2, а при вышеуказанных наиболее благоприятных отношениях оно будет лежать в диапазоне 1,4-1,75. При разнице относительных лобовых сопротивлений противоположно расположенных аэродинамических элементов, которая может достигать 1,5, возникает крутящий момент. При этом благодаря плоской форме пластин другие не перпендикулярные потоку аэродинамические элементы оказывают незначительное сопротивление вращению.

Автоматическое регулирование оборотов (вариант 2 формулы) происходит следующим образом. При увеличении ветра происходит увеличение центробежной силы, сдвигающей инерционные грузы 5 к концам полутяг, сжимая пружины 6 и 7. Благодаря сжатию пружин 7 уменьшается зазор между пластинами 3 и 4 (возможен вариант его увеличения). Соответственно увеличивается относительное лобовое сопротивление аэродинамических элементов, расположенных в порядке меньшая 3 - большая 4 по отношению к направлению ветра, что автоматически уменьшает скорость вращения ветроколеса. При снижении ветра пружины 6 и 7 разжимаются и относительное лобовое сопротивление пары пластин меньшая 3 - большая 4 снова приближается к наилучшему.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к конструкциям ветроколес с горизонтальной и вертикальной осью вращения, и может быть использовано при создании высокоэкономичных ветроэнергетических установок. Предлагаемым изобретением решается техническая задача повышения разницы аэродинамического сопротивления противоположно расположенных аэродинамических элементов, снижения бокового сопротивления, а значит, и повышения коэффициента использования ветра, а также задача автоматического регулирования скорости вращения ветроколеса. Для достижения указанного технического результата в ветроколесе, содержащем полутраверсы, образующие между собой равные углы, штанги, размещенные на концах траверс, перпендикулярно им и в плоскости ветроколеса, расположенные на штангах аэродинамические элементы, а также связанные с ними элементы регулирования аэродинамического сопротивления, согласно изобретению каждый аэродинамический элемент выполнен в виде двух расположенных последовательно в плоскостях, перпендикулярных штанге, одинаково сориентированных пластин одинаковой формы, разного размера, при этом расстояние между пластинами меньше двойного минимального из геометрических размеров большей пластины, все разного размера пластины аэродинамических элементов установлены по окружности ветроколеса в одинаковой последовательности, причем элементы регулирования аэродинамического сопротивления выполнены в виде размещенных на полутраверсах подпружиненных и выполненных с возможностью их движения вдоль полутраверс инерционных грузов, а по крайней мере одна из пластин каждого аэродинамического элемента подпружинена и выполнена с возможностью перемещения вдоль штанги и связана тягой с инерционным грузом. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ветроколесо, содержащее полутраверсы, образующие между собой равные углы, штанги, размещенные на концах траверс перпендикулярно им и в плоскости ветроколеса, а также расположенные на штангах аэродинамические элементы, отличающееся тем, что каждый аэродинамический элемент выполнен в виде двух расположенных последовательно в плоскостях, перпендикулярных штанге, одинаково сориентированных пластин одинаковой формы, разного размера, при этом расстояние между пластинами меньше двойного минимального из геометрических размеров большей пластины, а все разного размера пластины аэродинамических элементов установлены по окружности ветроколеса в одинаковой последовательности.2. Ветроколесо, содержащее полутраверсы, образующие между собой равные углы, штанги, размещенные на концах траверс перпендикулярно им и в плоскости ветроколеса, расположенные на штангах аэродинамические элементы, а также связанные с ними элементы регулирования аэродинамического сопротивления, отличающееся тем, что каждый аэродинамический элемент выполнен в виде двух расположенных последовательно в плоскостях, перпендикулярных штанге, одинаково сориентированных пластин одинаковой формы, разного размера, при этом расстояние между пластинами меньше двойного минимального из геометрических размеров большей пластины, все разного размера пластины аэродинамических элементов установлены по окружности ветроколеса в одинаковой последовательности, элементы регулирования аэродинамического сопротивления выполнены в виде размещенных на полутраверсах подпружиненных и выполненных с возможностью их движения вдоль полутраверс, инерционных грузов, а по крайней мере одна из пластин каждого аэродинамического элемента подпружинена и выполнена с возможностью перемещения вдоль штанги и связана с тягой с инерционным грузом.3. Ветроколесо по п.1 или 2, отличающееся тем, что отношение соответствующих размеров пластин в каждом аэродинамическом элементе равно 0,65-0,85, а отношение расстояния между ними к минимальному из геометрических размеров меньшей пластины равно 0,25-1.