ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ Российский патент 2008 года по МПК F03D3/02 

Настоящее изобретение относится к ветроэнергетической установке с вертикальной осью и, в частности, к ветроэнергетической установке с вертикальной осью, которая позволяет сформировать ряд секций для установки вала с опорными рамами, в которой множество лопастей установлены на многочисленных уровнях на основном вертикальном валу для увеличения ветроприемной скорости, тем самым обеспечивая увеличение ветроприемной площади и эффективности вращения при низких затратах на установку и большое общее генерируемое количество электрической энергии на конкретную площадь.

Известная ветроэнергетическая установка с вертикальной осью для ветрогенератора, такая как, например, описанная в JP 2000-234582, содержит множество вертикальных лопастей вокруг основного вертикального вала. Но когда одна из лопастей подвергается воздействию ветра, другая подвергается воздействию турбулентности, которая уменьшает силу вращения, так что небольшой крутящий момент делает невозможным практическое использование такой ветроэнергетической установки с вертикальной осью. Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращается с высокой скоростью даже при слабом ветре, но уменьшение количества лопастей приводит к использованию меньшей ветроприемной площади, в то время как увеличение количества лопастей, по-видимому, вызывает турбулентность при ветре с большой скоростью.

Принимая во внимание недостатки, целью настоящего изобретения является создание ветроэнергетической установки с вертикальной осью, пригодной для ветрогенератора, и со значительно увеличенной ветроприемной площадью относительно установочной площади ветроэнергетической установки, что позволяет выполнять ветроэнергетическую установку с меньшими размерами и более легкой, тем самым снижая себестоимость.

Согласно настоящему изобретению создана ветроэнергетическая установка с вертикальной осью, содержащая опорную раму; основной вертикальный вал, установленный с возможностью вращения на опорной раме; крепежный элемент, закрепленный на основном вертикальном валу; опорную консоль, прикрепленную одним концом к крепежному элементу, и проходящую по вертикали лопасть, установленную на другом конце опорной консоли, при этом лопасть имеет наклонную часть, образованную на верхнем и нижнем концах, наклоненную внутрь под углом от 30 до 45 градусов по отношению к вертикальной оси основного вала, причем ширина лопасти составляет от 45 до 55% от радиуса орбиты лопасти, когда лопасть вращается вокруг основного вертикального вала.

Предпочтительно, лопасть, установленная на опорной консоли, установлена вертикально во множестве уровней для образования множества лопастей, каждая из которых проходит в различных направлениях без перекрытия по вертикали таким образом, что они отстоят по существу на равные углы, если смотреть сверху.

Преимущественно, лопасть расположена вертикально во множестве уровней.

Установка может быть установлена в стальной мачте высоковольтной линии электропередачи.

Предпочтительно, пара лопастей установлена на основном вертикальном валу, причем одна из лопастей расположена ближе к валу и является длиннее, в то время как другая из лопастей расположена дальше от вала и является короче.

Указанные и другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут лучше понятны из нижеприведенного описания вариантов осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированных на прилагаемых чертежах, на которых:

фиг.1 - вид спереди в разрезе первого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - вид сверху первого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 - комбинированный вид сверху и спереди, показывающий лопасть в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.4 - вид спереди в разрезе второго варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.5 - вид сверху второго варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.6 - вид сверху, показывающий форму лопасти ветроэнергетической установки с вертикальной осью;

фиг.7 - вид спереди в разрезе третьего варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.8 - вид спереди в разрезе четвертого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.9 - вид сверху пятого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.10 - вид спереди в разрезе шестого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.11 - вид сверху седьмого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением; и

фиг.12 - вид спереди в разрезе восьмого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением.

Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показан вид спереди в разрезе первого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью, а на фиг.2 показан вид сверху лопастей ветроэнергетической установки с вертикальной осью. В опорной раме 4 промежуточные крепежные консоли и диагональные распорки не показаны. Опорная рама 4 закреплена на бетонном фундаменте "В".

Как показано на фиг.1, ветроэнергетическая установка 1 с вертикальной осью имеет секцию 4а для установки вала в прямоугольной опорной раме 4, содержащей множество опор 2 и крепежных консолей 3.

Вертикальный вал 5 секции 4а для установки вала расположен вертикально и поддерживается с возможностью вращения верхним и нижним подшипниками 6. Опора 2 содержит трубку, L-образный элемент, Н-образный элемент и U-образный элемент. При этом может быть присоединено множество коротких элементов.

Основание 7 на фиг.1 содержит коробку, в которой подшипник (не показан) поддерживает нижний конец основного вертикального вала 5. В основании 7 генератор (не показан) может быть соединен с основным вертикальным валом 5 через передающее устройство, чтобы вся опорная рама 4 играла роль ветрогенератора.

Согласно фиг.1 основной вертикальный вал 5 имеет высоту, составляющую, например, 7 м, и его наружная поверхность закрыта усиливающим элементом 5а, за исключением окрестности подшипников. Усиливающий элемент 5а изготавливается из волокнита, алюминия или их комбинации.

В усиливающем элементе 5а крепежные элементы 8 закрыты для повышения устойчивости к атмосферному воздействию опорных консолей 9a-9d. Соединение форм усиливающих элементов 5а заполняется волокнитовой смолой и отверждается для того, чтобы формы можно было соединить.

Множество крепежных элементов 8 закреплено на основном вертикальном валу 5. Крепежный элемент 8 является кольцевым и скользящим на основном вертикальном валу 5. Крепежный элемент 8 может состоять из двух половинок, которые прижимают к валу 5 и закрепляют винтами. Крепежные элементы 8 могут использоваться в качестве маховиков для сохранения инерции вращения ветроэнергетической установки.

Пара верхних и нижних крепежных элементов 8 расположена на одинаковом расстоянии в качестве четырех узлов, как показано на фиг.1. На каждой одной паре крепежных элементов 8 верхняя и нижняя опорные консоли 9 расположены параллельно в вертикальном направлении и закреплены на крепежных элементах 8 с помощью винтов. Вертикальное расстояние между верхними и нижними опорными консолями 9 определяется высотой лопасти 10. Если три опорные консоли 9 отстоят друг от друга по вертикали, то три крепежных элемента 8 отстоят друг от друга по вертикали в виде одного узла.

Направления опорных консолей отличаются друг от друга в каждом узле. Как показано на фиг.2, самая верхняя опорная консоль 9а проходит вперед, в то время как опорная консоль 9b второго уровня проходит под прямыми к ней углами.

Опорная консоль 9с третьего уровня проходит далее под прямыми углами, в то время как четвертая опорная консоль 9d проходит далее под прямыми от нее углами. Направление вращения может осуществляться по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Общие углы от самой верхней опорной консоли 9а к самой нижней опорной консоли 9d составляют 360 градусов, и как показано на фиг.2, каждая из опорных консолей 9a-9d находятся на одинаковом расстоянии под прямыми углами.

На фиг.1 на наружных торцевых поверхностях каждого узла опорных консолей 9a-9d вертикальная лопасть 10 закреплена посредством внутренней поверхности, расположенной напротив основного вертикального вала 5. Опорные консоли 9a-9d прикрепляются к лопастям 10 посредством винтов, причем соединение или крепление волокнитом зависит от размера и веса лопасти 10.

Опорные консоли 9 имеют достаточную жесткость, чтобы поддерживать лопасти 10 и формы, на которые ветровое сопротивление не оказывает влияния. Опорные консоли 9a-9d изготавливаются, например, из волокнитовых пластин.

Например, лопасть имеет высоту, составляющую 100-180 см, и толщину, составляющую 4-6 см. Длина пояса фермы изменяется в зависимости от радиуса орбиты и количества лопастей. Длина пояса фермы одной лопасти определяется в пределах диапазона 50-65% от радиуса.

Верхняя и нижняя торцевые поверхности лопасти 10 наклонены для образования наклонных частей 10а. Если угол наклонной части 10а больше 45 градусов, то, вероятно, возникает турбулентность воздуха, тогда как если он слишком малый, скорость восстановления энергии ветра уменьшается. Таким образом, подходящим углом является угол, составляющий 30-45 градусов. Если наклонная часть 10а является слишком длинной, то, вероятно, она становится прочной и, предпочтительно, может составлять менее 10% от длины лопасти.

При вращении лопасти 10 воздух вращается с боковой поверхностью лопасти 10 благодаря вязкости текучей среды. В результате, ветер, который проникает в траекторию вращения лопасти 10, проходит в вертикальном направлении и имеет меньшее сопротивление на поверхности лопасти. Когда наклонные части 10а образованы внутрь на верхней и нижней торцевых поверхностях лопасти 10, поток воздуха, который стремится проходить внутрь и вниз, гасится наклонными частями 10a для увеличения давления воздуха, таким образом толкая лопасть 10 в направлении вращения. При этом эффективность вращения лопасти 10, имеющей наклонные части 10а, увеличивается на 10-40% по сравнению с той, которая не имеет наклонные части, как описано далее.

В лопасти 10 в соответствии с настоящим изобретением длина пояса фермы или ширина являются очень большими. Поскольку наклонные части 10а образованы на верхней и нижней торцевых поверхностях лопасти 10, ясно, что лопасть 10 достигает идеального количества вращения по сравнению с простой прямой вертикальной лопастью, несмотря на большую длину пояса фермы.

На фиг.3 показан схематический вид, включающий вид сверху, обозначенный сплошными линиями, и вид спереди, обозначенный воображаемыми линиями.

Наружная поверхность лопасти 10 содержит кривую поверхность вдоль траектории "Т" вращения. Таким образом, во время вращения ветроэнергетической установки 1 с вертикальной осью, наружная поверхность лопасти 10 перемещается вдоль кривой поверхности вращения для уменьшения потери сопротивления ветра в радиальной части лопасти.

Выступ 10b образован на внутренней поверхности лопасти 10. Таким образом, во время вращения задний торец внутренней поверхности лопасти 10 вращается снаружи траектории "Та" вращения выступа 10b, и соответственно ветер, который проходит вдоль внутренней поверхности лопасти 10, проходит назад на наружную сторону траектории "Та" вращения выступа 10b.

Таким образом, когда встречный ветер сталкивается с передней поверхностью лопасти 10 (см. фиг.3), он толкает задний торец внутренней поверхность лопасти 10.

Так как выступ 10b образован на внутренней поверхности лопасти 10, то скорость ветра, который проходит вдоль наружной поверхности лопасти 10, выше скорости ветра, который проходит вдоль внутренней поверхности. Ветер с более высокой скоростью делает воздух более разреженным для образования отрицательного давления или разрежения, так что лопасть 10 прижимается внутрь и вперед с наружной стороны для создания противодействия, которое обеспечивает самовращающееся усилие.

Как показано на фиг.3, ветер, который сталкивается с внутренней поверхностью вращающейся лопасти 10 с левой передней стороны и проходит вертикально, сталкивается с наклонной частью 10а лопасти 10. Так как траектория "Tb" вращения находится с внутренней стороны траектории "Та" вращения выступа 10b, то поток ветра, который проходит назад над выступом 10b, не распространяется вверх и вниз, а проходит назад при большой скорости, в то время как на него оказывается давление со стороны верхней и нижней наклонных частей 10а и создается высокое давление, таким образом, толкая заднюю сторону внутренней поверхности лопасти 10 для образования силы вращения.

На виде сбоку с фиг.3 стрелка "А", которая направлена на левую боковую поверхность наклонной части 10а, отталкивается в направлении стрелки "а". На виде сверху с фиг.3 ветер, обозначенный стрелкой "В", отталкивается в направлении стрелки "b". Отталкивающийся ветер влияет на силу вращения лопасти в качестве обратного действия.

Как показано на фиг.3, длина пояса фермы лопасти 10 составляет до 50% от радиуса орбиты. Однако наружная поверхность лопасти 10 находится на круглой поверхности вдоль траектории "Т" вращения. Таким образом, несмотря на выступ 10b на внутренней поверхности лопасть 10 имеет толщину около 7% от радиуса вращения. Чем тоньше лопасть, тем меньше сопротивление вращения.

В ветроэнергетической установке 1 с вертикальной осью, в том виде, как она сконструирована выше, лопасть 10 имеет длину, составляющую 1 м. Но четыре уровня одиночной лопасти расположены вокруг основного вертикального вала 5 с высотой, составляющей 7 м, так что четырехлопастная ветроэнергетическая установка с вертикальной осью имеет широкую ветроприемную площадь и обеспечивает большой крутящий момент при вращении.

На каждом уровне лопасть 10 является единичной, чтобы избежать сопротивления ветра на противоположной стороне того же самого уровня и увеличить эффективность вращения. Несмотря на ветер, который мгновенно меняет направление, лопасть 10 на каждом уровне меняет направление под прямыми углами для обеспечения плавного вращения вала с постоянной энергией ветра подобно четырехцилиндровому двигателю автомобиля и достижения мощного крутящего момента.

Единичная лопасть 10 расположена на единственном основном вертикальном валу 5 на каждом из множества уровней при фиксированных углах для обеспечения устойчивого равновесия при вращении основного вертикального вала.

В многоуровневых лопастях вокруг единственного основного вертикального вала 5 коэффициент мощности не равен величине, умноженной на количество уровней, а больше его, что подтверждено. Подъемная сила четырехуровневых лопастей в четыре раза больше подъемной силы единичной лопасти, активная нагрузка на лопасть 10 уменьшается до единицы, поделенной на количество уровней для увеличения эффективности вращения и увеличения скорости вращения лопасти 10, таким образом, увеличивая коэффициент мощности.

В первом варианте осуществления изобретения лопасти 10 расположены на четырех уровнях, но три основных вертикальных вала 5 могут быть соединены вертикально для образования двенадцати уровней лопастей 10.

Путем укорачивания основного вертикального вала 5 лопасти 10 могут быть расположены на трех или шести уровнях. Лопасть 10 может быть длиннее или короче.

На фиг.4 показан вид спереди в вертикальном разрезе второго варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением, а на фиг.5 показан вид сверху. Одни и те же ссылочные позиции используются для одних и тех же элементов, как указано выше, и их описание опущено. Промежуточные крепежные консоли или диагональные распорки не включены в опорную раму с фиг.4 и 5.

Как показано на фиг.4 основной вертикальный вал 5 поддерживается множеством промежуточных подшипников 66, каждый из которых закреплен с помощью крепежной консоли 3 между опорами 2. Таким образом, основной вертикальный вал 5 может сопротивляться изгибу целиком, делая основной металлический вертикальный вал тоньше и легче, до тех пор, пока он выдерживает сдвигающую нагрузку.

Согласно фиг.4 основной вертикальный вал 5 расположен между двумя лопастями 10. Если радиус орбиты лопасти 10 составляет 1 м, то, предпочтительно, длина пояса фермы лопасти 10 может составлять от 40 до 55% от радиуса.

Опорные консоли 9a-9d расположены на одной и той же орбите. При вращении две лопасти 10 на одном уровне имеют устойчивое равновесие для повышения равновесия вращения для всей ветроэнергетической установки 1.

Как показано на фиг.5, самые верхние опорные консоли 9а расположены на каждой стороне вала 5. Опорная консоль 9b на втором уровне сдвигается под углом 72 градуса в направлении вращения, как показано стрелкой "А". Опорная консоль 9а на третьем уровне далее сдвигается на 72 градуса. Опорные консоли на четвертом и пятом уровнях 9d, 9e сдвигаются на 72 градуса в направлении вращения.

Таким образом, опорные консоли 9а-9е расположены в направлении вращения через 36 градусов в последовательности 9а, 9d, 9b, 9e, 9с, 9а, 9d, 9с, как показано на фиг.5.

Во втором варианте осуществления две лопасти расположены на пяти уровнях и общее количество лопастей равно десяти для увеличения ветроприемной площади, что обуславливает более мощный крутящий момент. В частности, ветроприемная площадь пяти уровней ветроэнергетической установки 1 больше в пять раз, чем ветроприемная площадь одноуровневой ветроэнергетической установки, и генерирование энергии ветра увеличивается пропорционально площади лопасти 10, умноженной на скорость ветра и возведенной в куб.

На фиг.6 показан вид сверху двух лопастей ветроэнергетической установки с вертикальной осью. Одни и те же ссылочные позиции используются для одних и тех же частей и элементов, и их описание опущено.

Ветроэнергетическая установка 1 с вертикальной осью изготовлена для испытаний в аэродинамической трубе, и радиус орбиты лопастей 10 составляет 40 см, высота - 80 см и длина пояса фермы - 20 см.

Наружная поверхность лопасти 10 перемещается вдоль орбиты вращения "Т". Выступ 10b образован на внутренней поверхности лопасти 10, а наклонные части 10а образованы на верхней и нижней торцевых поверхностях лопасти 10.

Испытания в аэродинамической трубе выполняются на основании характеристики вращения ветроэнергетической установки 1.

Дата: 26 июля 2004 г., облачно, 32-34°С

Устройство аэродинамической трубы, принадлежащее институту технологии г.Асикага

Открытый тип, отверстие для вдувания: 1,04 м × 1,04 м, аэродинамическая труба с переменной скоростью ветра

Измерение скорости ветра: манометр типа Betz и трубка пито

Скорость испытываемого ветра: 4, 6, 8, 10, 12, 14 м/с

Прямая лопасть: 13, 16, 20, 23 см в качестве длины пояса фермы

Лопасть типа Bellshion: только 20 см в качестве длины пояса фермы

Испытание крутящего момента: устройство типа инверторного двигателя, принадлежащего аспирантскому курсу Усияма института технологии г.Асикага.

При испытаниях в аэродинамической трубе прямой лопасти, не имеющей наклонных частей, получены следующие результаты эффективности "Ср" ветроэнергетической установки.

Длина пояса фермыСкорость ветраCpСкорость ветраСр13 см4 м/с0,0614 м/с0,261640,05140,272040,17140,282340,10140,29

На основании результатов испытаний лопасть с длиной пояса фермы 23 см является превосходной при эффективности Ср ветроэнергетической установки, когда скорость ветра является высокой и составляет 14 м/с, но неудовлетворительной, когда скорость ветра является низкой и составляет 4 м/с.

Напротив, лопасть с длиной пояса фермы 20 см или 50% от радиуса орбиты обеспечивает эффективность ветроэнергетической установки 0,17, несмотря на низкую скорость ветра 4 м/с, которая является значительно лучшей по сравнению с другими.

На лопастях типа Bellshion, имеющих наклонные части на верхней и нижней торцевых поверхностях и длину пояса фермы 20 см, были проведены испытания в аэродинамической трубе, и результаты приведены внизу.

Длина пояса фермыСкорость ветраСр20 см4 м/с0,25 80,27 120,30 140,32

На основании результатов испытаний в аэродинамической трубе, сравнивая лопасть 10 в соответствии с настоящим изобретением с обычной прямой лопастью, лопасть 10 в соответствии с настоящим изобретением имеет длину пояса фермы, составляющую 20 см и соответствующую 50% от радиуса орбиты, но обеспечивает свыше 0,25 эффективности "Ср" ветроэнергетической установки при низкой скорости ветра 4 м/с по сравнению с эффективностью ветроэнергетической установки 0,17 прямой лопасти, имеющей длину пояса фермы, составляющую 20 см, при скорости ветра 4 м/с, которая обеспечивает хорошую эффективность.

В частности, в случае одной и той же длины пояса фермы лопасть 10 в соответствии с настоящим изобретением достигает эффективность выше на 47% при низкой скорости ветра 4 м/с и на 14% при высокой скорости ветра 14 м/с, чем прямые лопасти.

Численные значения испытаний показывают, что ветроэнергетическая установка 1 с вертикальной осью отличается незначительно по эффективности вращения от площади с низкой скоростью ветра до площади с высокой скоростью ветра и постоянно.

В частности, ветрогенератор является невыгодным, если ветер со скоростью более чем 4 м/с, не дует в течение более 2000 часов в год. В каждом районе, где много дней в году, во время которых ветер с высокой скоростью не дует, ветроэнергетическая установка 1 с вертикальной осью, имеющая Ср=0,25 при скорости ветра 4 м/с в данном изобретении подходит для генерации энергии ветра.

При испытаниях в аэродинамической трубе становится ясно, что эффективность ветроэнергетической установки "Ср" особенно низкая на площади с низкой скоростью, является ли длина пояса фермы лопасти 10 короче или длиннее, чем ширина, соответствующая 50% от радиуса орбиты. Таким образом, подтверждено, что длина пояса фермы лопасти 10 в двух лопастях, предпочтительно, может изменяться в пределах от 45% до 55%. Однако в зависимости от размера, количества, средней скорости ветра в конкретном месте и т.д. длина пояса фермы может составлять от 40 до 60% радиуса орбиты.

На фиг.7 показан вид спереди в вертикальном разрезе третьего варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением. Одни и те же ссылочные позиции относятся к одним и тем же элементам, также как в указанных вариантах осуществления, и их описание опущено. Промежуточные крепежные консоли и диагональные распорки не показаны в опорной раме 4 с фиг.7.

В ветроэнергетической установке 1 с вертикальной осью в третьем варианте осуществления изобретения стальная мачта для высоковольтной линии "L" электропередачи используется в том виде, как она существует. Электричество, генерируемое силовым генератором (не показан) в основании 7, накапливается в электросборнике 11, преобразуется трансформатором 12 и аккумулируется по линии электропередачи "L". Таким образом, экономятся капиталовложения, и обеспечивается генерация электроэнергии в отдаленных районах и аккумулирование электроэнергии. Как показано, радиус орбиты лопасти 10 изменяется в зависимости от каждого из вертикальных уровней.

На фиг.8 показан вид спереди в вертикальном разрезе четвертого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением. Одни и те же ссылочные позиции относятся к одним и тем же элементам, также как в указанных вариантах осуществления, и их описание опущено. Промежуточные крепежные консоли и диагональные распорки не показаны в опорной раме с фиг.8. Электроколлектор, трансформатор, автоматическое устройство управления, датчик скорости вращения или тормозное устройство не показаны.

В четвертом варианте осуществления множество секций для установки вала расположено горизонтально в опорной раме 4 и основной вертикальный вал 5 расположен в каждой из секций 4а для установки вала, так что множество основных вертикальных валов 5 расположено в единственной опорной раме 4. На фиг.8 показаны две секции, но может быть расположено непрерывно десять или двенадцать секций в горизонтальном направлении.

Множество секций 4а для установки вала образовано в единственной опорной раме 4, и основной вертикальный вал 5 расположен в каждой из секций 4а для установки вала. Множество лопастей 10 установлено на каждой из основных вертикальных валов 5, хотя соседние лопасти 10 отличаются направлением для обеспечения равномерного прохождения потока ветра, тем самым уменьшая взаимодействие потока воздуха, вызванного смежными лопастями при вращении.

Основные вертикальные валы 5 в четвертом варианте осуществления, сконструированные таким образом, обеспечивают работу всей опорной рамы 4 в качестве силового генератора. В результате, каждый из основных вертикальных валов 5 обеспечивает вращение генератора (не показан) в основании 7 и генерирование электроэнергии, которая накапливается для реализации высокообъемного генератора с помощью единственной опорной рамы 4.

Лопасти 10 в данном варианте осуществления могут содержать две лопасти с фиг.4. Как показано на фиг.4, основной вертикальный вал 5 может поддерживаться промежуточными подшипниками 66.

Секции 4а для установки вала непрерывно расположены рядом, и количество уровней лопастей 10 может изменяться и составлять, например, пять, четыре, три и пять уровней. Это подходит, когда установка осуществляется на неровных площадках.

На фиг.9 показан вид сверху пятого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением. Одни и те же ссылочные позиции относятся к одним и тем же элементам, также как в указанных вариантах осуществления, и их описание опущено. Промежуточные крепежные консоли и диагональные распорки не показаны в опорной раме 4 с фиг.9.

Ветроэнергетическая установка 1 с вертикальной осью в пятом варианте осуществления содержит опорную раму Y-образной формы. Показано двенадцать секций 4а для установки вала, но могут быть непрерывными десять или пятьдесят секций в одном направлении. В зависимости от формы поверхности, количество секций 4а увеличивают в длину в одном направлении, но уменьшают в другом направлении. Кроме того, в одном направлении секции 4а для установки вала можно перемещать взад и вперед.

На фиг.10 показан вид спереди в вертикальном разрезе шестого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью. Одни и те же ссылочные позиции относятся к одним и тем же элементам, и их описание опущено. В опорной раме с фиг.10 промежуточные крепежные консоли и диагональные распорки не показаны.

В шестом варианте осуществления опорные консоли 9 для лопастей 10 отличаются друг от друга по длине, а также предусмотрены удаленная лопасть 10А и ближняя лопасть 10В. Отношение более длинной опорной консоли 9А к более короткой консоли 9В составляет 2:1 как максимум. На фиг.10 удаленные лопасти 10А и ближние лопасти 10В расположены на двух уровнях, и более длинные и более короткие опорные консоли 9А, 9В расположены прямо. В случае четырех уровней более длинные и более короткие опорные консоли 9А, 9В отстоят друг от друга под прямыми углами.

Как показано на фиг.10, удаленная лопасть 10А короче, в то время как ближняя лопасть 10 В длиннее. Отношение более короткой опорной консоли 9В к более длинной опорной консоли 9А составляет 1:2. Более длинная опорная консоль 9А имеет длину, равную 100 см, а более короткая опорная консоль 9В имеет длину, равную 50 см. Удаленная лопасть 10А имеет длину, равную 100 см, а ближняя лопасть 10 В имеет длину, равную 200 см, так что ветроприемные площади являются одинаковыми.

Удаленная лопасть 10А и ближняя лопасть 10В не проходят через одну и ту же траекторию вращения при вращении и вряд ли подвергаются воздействию турбулентности при вращении. Эти варианты осуществления являются большими по ветроприемной площади, чем единичная лопасть одного уровня, поэтому наличие преимущества единичной лопасти усиливается за счет наличия преимущества двух лопастей.

На фиг.11 показан вид сверху седьмого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением. Одни и те же ссылочные позиции относятся к одним и тем же элементам, и их описание опущено. В опорной раме 4 с фиг.11 промежуточные крепежные консоли и диагональные распорки не показаны.

В седьмом варианте осуществления более длинная опорная консоль 9А расположена поперек более короткой опорной консоли 9В, и две удаленные лопасти 10А и две ближние лопасти 10В установлены на более длинной опорной консоли 9А и более короткой опорной консоли 9В соответственно. На фиг.11 опорная консоль 9А для удаленных лопастей 10А установлена на верхней поверхности крепежного элемента 8, в то время как опорная консоль 9В для двух ближних лопастей 10В установлена на нижней поверхности крепежного элемента 8. Однако более длинная и более короткая опорные консоли 9А и 9В обе могут быть установлены на верхней поверхности крепежного элемента 8. Лопасти 10 могут быть расположены на единственном основном вертикальном валу 5 на множестве уровней аналогично другим вариантам осуществления изобретения.

На фиг.12 показан вид спереди в вертикальном разрезе восьмого варианта осуществления ветроэнергетической установки с вертикальной осью в соответствии с настоящим изобретением. Одни и те же ссылочные позиции относятся к одним и тем же элементам, также как в указанных вариантах осуществления, и их описание опущено. На фиг.12 промежуточные крепежные консоли и диагональные распорки не показаны.

В восьмом варианте осуществления три лопасти расположены на четырех уровнях. Длина пояса фермы лопасти 10, предпочтительно, составляет 40-45% от радиуса орбиты, которая меньше, чем длина пояса фермы двух лопастей. Лопасти 10 отклоняются от лопастей на следующем уровне на 30 или 60 градусов. Силовой генератор 13 расположен на каждом уровне для генерирования электроэнергии при вращении основного вертикального вала 5 через передающее устройство 14. Автоматическое сцепляющее устройство или автоматический переключатель нагрузки (не показаны) расположены в каждом из генераторов 13. Предусмотрены подшипник, устройство передачи, датчик скорости вращения, автоматическое устройство управления, автоматический тормоз и двигатель для обеспечения вращения (не показан).

Датчик скорости вращения регистрирует скорость вращения основного вертикального вала 5 для управления соответствующим оборудованием с помощью автоматического устройства управления на основании зарегистрированного значении. Скорость ветра менее 4 м/с приводит в действие автоматическое сцепляющее устройство для размыкания и замыкания на каждом уровне конкретной скорости ветра. Таким образом, автоматическое сцепляющее устройство размыкается в четырех генераторах 13 для обеспечения количества генераторов 13 от одного до трех, в которые не передается сила вращения основного вертикального вала 5, таким образом, осуществляя вращение основного вертикального вала с нагрузкой, соответствующей низкой скорости ветра, для осуществления генерирования электроэнергии, пригодной при низкой скорости ветра.

При запуске при низкой скорости ветра только один из генераторов 13, соединенный с основной вертикальной осью 5, включается, и соединенные генераторы 13 начинают включаться один за другим при увеличении скорости ветра. Следовательно, может быть установлен только один генератор, который по объему генерирования электроэнергии уступает другим.

Во время безветрия двигатель для обеспечения вращения (не показан) приводится в действие автоматическим устройством управления для обеспечения пускового усилия для ветроэнергетической установки 1 с вертикальной осью. Во время тайфуна приводится в действие автоматический тормоз. Автоматическим тормозом может быть электрическое устройство нагрузки, а не механическое устройство. Автоматическим устройством переключения нагрузки может быть размыкающее/замыкающее переключающее устройство, состоящее из множества батарей и электромагнитной катушки. Например, если скорость тайфуна превысит заданную скорость ветра, то переключатель разомкнется с помощью автоматического устройства управления на основании зарегистрированной величины в анемометре и станет нагрузкой, которая предотвращает генерирование электроэнергии при данной скорости, так что ветроэнергетическая установка перестает работать.

Относительно управления автоматическим переключателем нагрузки в генераторе 13 в данном варианте осуществления, может быть применен другой вариант осуществления.

Силовой генератор соединяется с основным вертикальным валом ветроэнергетической установки для образования ветрогенератора. В частности, опорная рама выполняется из легких опор для прохождения в горизонтальном направлении, таким образом увеличивая высоту, предотвращая потерю устойчивости и создавая ветрогенератор большого объема, состоящего из ряда небольших ветроэнергетических установок.

Вышеуказанное относится только к вариантам осуществления настоящего изобретения. Специалистами в данной области техники могут быть осуществлены различные модификации и изменения, не выходя из объема настоящего изобретения, определенного в формуле изобретения.

Изобретение относится к ветроэнергетической установке с вертикальной осью и системе генерирования энергии ветра и, в частности, к ветроэнергетической установке с вертикальной осью, содержащей опорную раму; основной вертикальный вал, установленный с возможностью вращения на опорной раме; крепежный элемент, закрепленный на основном вертикальном валу; опорную консоль, прикрепленную одним концом к крепежному элементу; и проходящую по вертикали лопасть, установленную на другом конце опорной консоли, при этом лопасть имеет наклонную часть, образованную на верхнем и нижнем концах, наклоненную внутрь под углом от 30 до 45 градусов по отношению к вертикальной оси основного вала, причем ширина лопасти составляет от 45 до 55% от радиуса орбиты лопасти, когда лопасть вращается вокруг основного вертикального вала. Лопасть установлена вертикально во множестве уровней для образования множества лопастей, каждая из которых проходит в различных направлениях без перекрытия по вертикали таким образом, что они отстоят по существу на равные углы, если смотреть сверху. Установка может быть размещена в стальной мачте высоковольтной линии электропередачи. Установка обеспечивает увеличение ветроприемной площади с увеличенной ветроприемной энергией, низкую себестоимость и увеличение генерации общей энергии на конкретной площади. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью, содержащая опорную раму; основной вертикальный вал, установленный с возможностью вращения на опорной раме; крепежный элемент, закрепленный на основном вертикальном валу; опорную консоль, прикрепленную одним концом к крепежному элементу; и проходящую по вертикали лопасть, установленную на другом конце опорной консоли, при этом лопасть имеет наклонную часть, образованную на верхнем и нижнем концах, наклоненную внутрь под углом от 30 до 45° по отношению к вертикальной оси основного вала, причем ширина лопасти составляет от 45 до 55% от радиуса орбиты лопасти, когда лопасть вращается вокруг основного вертикального вала.2. Установка по п.1, в которой лопасть, установленная на опорной консоли, установлена вертикально во множестве уровней для образования множества лопастей, каждая из которых проходит в различных направлениях без перекрытия по вертикали таким образом, что они отстоят, по существу, на равные углы, если смотреть сверху.3. Установка по п.1, в которой лопасть расположена вертикально во множестве уровней.4. Установка по п.1, установленная в стальной мачте высоковольтной линии электропередачи.5. Установка по п.1, в которой пара лопастей установлена на основном вертикальном валу, причем одна из лопастей расположена ближе к валу и является длиннее, в то время как другая из лопастей расположена дальше от вала и является короче.

Приоритеты: