ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ ВЕТРОСИЛОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2015 года по МПК F03D3/06 F03D3/04 F03D7/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к горизонтальной ветросиловой турбине малого веса, предназначенной для генерации электроэнергии.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Высокая стоимость энергии и истощение природных ресурсов привели к увеличению числа разработок экологически безопасных и недорогих альтернативных источников энергии. Настоящее изобретение относится к использованию энергии ветра для выработки электрической энергии, а конкретно - к ветросиловым турбинам. Ветросиловые турбины существуют уже много лет, но обычно они очень дороги в изготовлении и зачастую не могут работать при очень малых скоростях ветра, а именно - ниже 5 км/ч. Часть этих ветровых турбин представляют собой также массивные конструкции неэстетичного вида, а потому обычно располагаются в отдаленных зонах, а произведенная электроэнергия передается к распределительным трансформаторам по воздушным или подземным кабелям. Эти крупные конструкции ветровых турбин также дороги в установке, для этого требуются тяжелое подъемное оборудование и квалифицированная рабочая сила. Перед установкой таких турбин необходимо также провести исследования воздействий на окружающую среду и получить разрешение от местных властей, для чего потребуются общественные консультации. Эти огромные ветровые турбины представляют собой вертикально монтируемые турбины, они имеют неприятный вид, они не могут быть приспособлены для выработки электроэнергии. потребной для единственного промышленного или жилого здания. Однако горизонтальные ветровые турбины, как можно убедиться, более приятны для глаз, однако конструкции для их установки зачастую неприглядны и зачастую их очень дорого и тяжело устанавливать на крышах зданий. Типичные примеры горизонтальных ветросиловых турбин раскрыты в патентах США №6981839 и №7540705 и в патенте Великобритании GB 2185786. Все ветровые турбины, раскрытые в этих патентах, имеют определенные недостатки, например, не могут работать при малых скоростях ветра, имеют большой вес и производят большой шум, требуют значительного технического обслуживания и неэстетично выглядят, будучи установленными на крышах зданий.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Характерной особенностью настоящего изобретения является обеспечение горизонтальной ветросиловой турбины, в которой в значительной мере преодолены недостатки существующих горизонтальных ветровых турбин, упомянутые выше.

Другой особенностью настоящего изобретения является обеспечение горизонтальной ветросиловой турбины, отличающейся тем, что конструкция ротора имеет уникальную форму, что позволяет обеспечить малый вес и способность работать при очень низких скоростях ветра.

Другой особенностью настоящего изобретения является обеспечение горизонтальной ветросиловой турбины, которая может работать в одностороннем или в двухстороннем режиме без перемещения турбины.

Другой особенностью настоящего изобретения является обеспечение горизонтальной ветросиловой турбины, которая очень просто устанавливается, и для ее монтажа и обслуживания не требуется персонал высокой квалификации.

Другой особенностью настоящего изобретения является обеспечение горизонтальной ветросиловой турбины, которая может управляться автоматически модулем программируемого контроллера.

Другой особенностью настоящего изобретения является обеспечение горизонтальной ветросиловой турбины, которая может быть соединена последовательно, причем последовательность таких турбин может быть расположена при сборке в виде последовательно соединенных турбин, расположенных друг за другом.

Другой особенностью настоящего изобретения является обеспечение горизонтальной ветросиловой турбины, имеющей конструкцию входного воздушного канала, выполненную с заслонкой, определяющей форму входного канала, которая обеспечивает возникновение эффекта Вентури в потоке воздуха, входящем в турбину.

В соответствии с особенностями, перечисленными выше, настоящее изобретение в широком смысле обеспечивает горизонтальную ветросиловую турбину, включающую в себя раму, на которой горизонтально установлен ротор на валу ротора, выполненный с возможностью вращения. Ротор состоит из трех или больше элементов радиальных лопаток, закрепленных на валу ротора при помощи крепежных деталей. Элементы радиальных лопаток распределены на равном расстоянии друг от друга. Каждый элемент радиальной лопатки состоит из опорного кронштейна и ветровой лопасти, закрепленной на наружном конце опорного кронштейна. Ветровая лопасть имеет такую форму, что захватывает поток воздуха, попадающий на нее, что вызывает смещение ветровой лопасти и возникновение вращающей силы, относительно вала ротора, в результате чего ротор вращается вокруг продольного вала ротора. Элементы радиальных лопаток жестко соединены между собой при помощи креплений с регулировкой натяжения, расположенных на их внешних концах. Предусмотрено средство, направляющее поток воздуха так, чтобы он прошел через рабочий воздушный канал и воздействовал на по меньшей мере одну из ветровых лопастей, расположенных в рабочем воздушном канале, чтобы сместить ветровую лопасть под действием аэродинамического сопротивления.

В одном конкретном варианте осуществления упомянутые растяжки с регулировкой натяжения состоят из крепежных проволок равной длины, закрепленных на регулируемом соединителе проволоки, закрепленном на упомянутых опорных кронштейнах упомянутых элементов радиальных лопаток, при этом упомянутый регулируемый соединитель проволок закреплен на свободном внешнем конце каждого из упомянутых опорных кронштейнов, а упомянутая ветровая лопасть закрепляется между двумя опорными кронштейнами.

Еще в одном конкретном варианте осуществления упомянутый регулируемый соединитель растяжек представляет собой деталь для крепления проволоки, перемещаемую при помощи средства позиционирования вдоль продольной оси упомянутых опорных кронштейнов.

Еще в одном конкретном варианте осуществления упомянутое средство крепления состоит из двух сборочных узлов, закрепленных на валу, причем каждый сборочный узел имеет три или больше жестких стоек, неподвижно закрепленных на упомянутом валу и находящихся на некотором расстоянии друг от друга, что позволяет подвижно соединять их с внутренними соединительными концевыми участками упомянутых двух опорных кронштейнов упомянутых трех или более элементов радиальных лопаток.

Еще в одном конкретном варианте осуществления упомянутые жесткие стойки представляют собой полые трубчатые стойки, при этом упомянутые опорные кронштейны представляют собой прямые штанги с поперечным сечением, позволяющим плотно вставлять их в соответствующие упомянутые полые трубчатые стойки, при этом имеется также средство крепления, позволяющее временно неподвижно соединять в предопределенном положении упомянутые прямые штанги с упомянутыми полыми трубчатыми стойками, причем в них дополнительно предусмотрено пружинное средство смещения, надежно установленное внутри упомянутых полых трубчатых стоек, которое обеспечивает радиальное смещение упомянутых прямых штанг вследствие термического расширения или сжатия, причем упомянутые крепежные проволоки удерживают упомянутые сплошные штанги в упомянутых полых трубчатых стойках.

Еще в одном конкретном варианте осуществления упомянутые ветровые лопасти имеют форму скобы, имеющей удлиненную вогнутую внутреннюю стенку и противоположные поперечные концевые стенки, при этом упомянутые противоположные поперечные концевые стенки имеют прямую переднюю грань, при этом упомянутые опорные кронштейны являются прямыми опорными кронштейнами, а упомянутый внешний концевой участок упомянутых опорных кронштейнов закреплен на соответствующей одной из упомянутых прямых передних граней упомянутых поперечных концевых стенок.

Еще в одном конкретном варианте осуществления упомянутая вогнутая внутренняя стенка имеет либо полуэллиптическую, либо полукруглую форму поперечного сечения.

Еще в одном конкретном варианте осуществления упомянутые поперечные концевые стенки являются концевыми стенками задержки потока воздуха, и тем, что дополнительно предусмотрена одна или несколько промежуточных стенок задержки потока воздуха между упомянутыми концевыми стенками.

Еще в одном конкретном варианте осуществления упомянутое средство направления потока воздуха содержит конструкцию входного воздушного канала и наклонную направляющую стенку, расположенную ниже входного воздушного канала упомянутой рамы и регулируемой заслонки Вентури, шарнирно закрепленной на упомянутой раме над упомянутым входным воздушным каналом, причем упомянутая регулируемая заслонка Вентури имеет такую кривизну внутренней поверхности стенки, которая позволяет достичь эффекта Вентури в упомянутом потоке воздуха от набегающего потока воздуха в упомянутом входном воздушном канале, при расположении заслонки на предопределенном расстоянии от упомянутой наклонной стенки для ускорения упомянутого потока воздуха.

Еще в одном конкретном варианте осуществления упомянутая регулируемая заслонка Вентури выполнена с возможностью смещения из открытого положения в закрытое положение, при этом в упомянутом закрытом положении упомянутая регулируемая заслонка значительно закрывает входной воздушный канал, причем упомянутая регулируемая заслонка смещается в открытое положение посредством прижимного средства и средства регулировки заслонки с целью смещения и сохранения положения упомянутой заслонки в желаемой позиции относительно прижимного средства.

Еще в одном конкретном варианте осуществления на упомянутой наклонной стенке выполнено несколько вертикальных направляющих ребер, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и расположенных вдоль оси упомянутого входного воздушного канала, чтобы направлять поток воздуха, поступающий на него под углом.

Еще в одном конкретном варианте осуществления упомянутая ветросиловая турбина является двунаправленной турбиной, в которой задний конец упомянутой рамы оборудован верхней и нижней выходными заслонками, шарнирно закрепленными на верхней части и нижней части упомянутой рамы над упомянутыми частями, причем упомянутые заслонки перемещаются в открытое положение посредством прижимного средства и средства регулировки положения заслонок, для установки упомянутых выходных заслонок так, чтобы направить поток воздуха, идущий сзади, в упомянутую нижнюю часть упомянутой рамы, чтобы создать обратный рабочий поток воздуха, чтобы воздействовать на упомянутые элементы радиальных лопаток в нижней части упомянутой рамы, причем упомянутая наклонная направляющая стенка имеет шарнирную секцию для создания отверстия ниже упомянутого входного воздушного канала для пропускания и направления упомянутого обратного рабочего потока воздуха, причем эта шарнирная секция направляющей стенки обеспечивает направляющую поверхность для упомянутого обратного рабочего потока воздуха.

Еще в одном конкретном варианте осуществления две или несколько упомянутых ветросиловых турбин располагают бок о бок с соединением их валов роторов при помощи гибкой связи для образования единого вала ротора, приводимого в движение упомянутыми двумя или несколькими ветросиловыми турбинами.

Еще в одном конкретном варианте осуществления упомянутый вал ротора соединен с возможностью передачи приводного усилия с электрическим двигателем для генерации переменного электрического напряжения.

Еще в одном конкретном варианте осуществления горизонтальная ветросиловая турбина дополнительно содержит контроллер для управления упомянутой ветросиловой турбиной, причем упомянутый контроллер управляет упомянутым средством перемещения заслонок, а также датчики, прикрепленные к упомянутому контроллеру для контроля скорости потока воздуха, шума и вибрации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Здесь будет описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения со ссылками на соответствующие иллюстрации:

на фиг. 1А показан упрощенный перспективный вид, на котором видна конструкция горизонтальной ветросиловой турбины по настоящему изобретению;

на фиг. 1В показан перспективный вид, аналогичный фиг. 1А, однако показывающий кожух турбины в закрытом положении, где конструкция, формирующая входной поток воздуха, закрыта;

на фиг. 2 показан перспективный вид несущей рамы турбины со снятым ротором, на котором видна конструкция рамы и конструкции для подачи входящего потока воздуха, показанной в открытом положении, что позволяет увидеть механизм регулировки регулируемой заслонки Вентури;

на фиг. 3 показан перспективный вид ротора в собранном состоянии;

на фиг. 4А приведен перспективный вид, показывающий конструкцию элементов радиальных лопаток;

на фиг. 4В приведен перспективный вид, показывающий другой вариант осуществления конструкции элементов радиальных лопаток;

на фиг. 5 приведен перспективный вид, показывающий конструкцию сборочного узла крепления вала, закрепленного на валу ротора, причем к этому узлу прикрепляются опорные кронштейны элементов радиальных лопаток;

на фиг. 6А приведен перспективный вид, показывающий конструкцию регулируемого соединителя проволоки;

на фиг. 6В приведен вид сверху на петлевой конец крепежной проволоки, расположенный у муфты крепления проволоки и перекрывающийся с петлевым концом соседней крепежной проволоки;

на фиг. 7 приведен перспективный вид, показывающий конструкцию плоской направляющей створки с вертикальными направляющими ребрами;

на фиг. 8А показан перспективный вид горизонтальной ветросиловой турбины, описанной в настоящем изобретении, соединенной бок о бок с аналогичной горизонтальной ветросиловой турбиной;

на фиг. 8В приведено поперечное сечение, на котором виден пример соединения валов роторов последовательно соединенных турбин с фиг. 8А;

на фиг. 8С приведен упрощенный схематический вид, показывающий две последовательные ветросиловые турбины, описанные в настоящем изобретении, расположенные на поверхности один за другим;

на фиг. 9 приведен упрощенный вид сбоку, показывающий ветросиловую турбину по настоящему изобретению, имеющую верхние и нижние выпускные каналы, предусмотренные на выходе кожуха ветросиловой турбины, благодаря чему турбина может работать в двухстороннем режиме, то есть поток воздуха может подаваться сзади или снизу турбины;

на фиг. 10 приведена упрощенная блок-схема, на которой показана турбина, описанная в настоящем изобретении, соединенная с инфраструктурой электрической сети и включающая в себя системный контроллер, обеспечивающий работу турбины и регенеративного двигателя; и

на фиг. 11 приведена иллюстрация здания, на конструкциях крыши которого установлено несколько последовательно соединенных горизонтальных ветросиловых турбин, сконструированных в соответствии с настоящим изобретением.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

На иллюстрациях, а более конкретно на фиг. 1А и фиг. 1В, вариант осуществления ветросиловой турбины по настоящему изобретению показан в основном под позицией 10. Турбина 10 содержит раму 11, на которой горизонтально установлен сборочный узел ротора (в основном обозначаемый позицией 12), выполненный с возможностью вращения на валу 13 ротора. Вал 13 ротора установлен на стандартных подшипниках, здесь не показанных. Сборочный узел 12 ротора состоит из трех или больше элементов 14 радиальных лопаток, закрепленных на валу 13 ротора при помощи крепежных деталей, как будет описано далее.

Как показано, имеются семь элементов 14 радиальных лопаток, которые размещены на равном расстоянии друг от друга вокруг вала 13 ротора. Каждый элемент 14 радиальных лопаток содержит опорный кронштейн 15 и ветровую лопасть 16, закрепленную на наружном конце опорного кронштейна 15. Ветровая лопасть 16 имеет такую форму, что захватывает поток 20 воздуха, попадающий на нее, как показано на фиг. 8С, что вызывает смещение ветровой лопасти и возникновение вращающей силы, приложенной к валу 13 ротора, в результате чего вал ротора вращается относительно своей продольной оси. Вал 13 ротора соединен с валом привода электрического двигателя 19, причем соединение производится стандартными средствами, хорошо известными из уровня техники. Опорные кронштейны 15 и ветровая лопасть изготавливаются из алюминия для облегчения веса.

Элементы 14 радиальных лопаток жестко соединены между собой при помощи растяжек 18 из крепежной проволоки с регулировкой натяжения, расположенных на их внешних концевых участках, что образует средство регулировки. Эти растяжки изготовлены из стальной проволоки, а возможность их регулировки обеспечивает малый вес и высокую прочность конструкции ротора, что позволяет использовать вал ротора малого веса и тем самым значительно уменьшает вес вала ротора и сборочного узла 14, позволяя ротору начинать вращение при очень низких скоростях ветра, менее 5 км/ч. Растяжки 18 могут быть изготовлены из другого подходящего материала, включая композитные материалы.

Ветросиловая турбина по настоящему изобретению содержит также конструкцию 17 направления входящего потока воздуха для ускорения и направления входящего потока воздуха, показанного здесь стрелкой 20, в рабочий канал воздушного потока 21 (см. фиг. 8С), проходящий в верхней части кожуха рядом с выпукло-изогнутой верхней стенкой 22. Элементы 14 радиальных лопаток проходят в канал 22 ускорения потока воздуха и находятся на некотором расстоянии от верхней стенки 22, вследствие чего поток воздуха, воздействующий на лопасти, расположенные в этом рабочем воздушном канале, оказывает давление на ветровые лопасти и вызывает их смещение вследствие аэродинамического сопротивления. Входной канал может захватывать поток воздуха в радиусе приблизительно 140°. Как показано на фиг. 8С, этот канал прохождения потока воздуха заканчивается на заднем конце 23 ветросиловой турбины. Поток воздуха направляется в кожух турбины под углом от 30 до 50°. Это увеличивает скорость потока воздуха и уменьшает аэродинамическое сопротивление возвращающимся лопастям 16.

Как показано на фиг. 1В, рама может иметь боковые стенки 22′ и задние заслонки, показанные на фиг. 9, что позволяет создать полное укрытие для защиты турбины от сложных погодных условий, например от снега, града, проливного дождя или ураганного ветра. Укрытие не является необходимым для функциональности турбины, однако обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики.

Как показано на фиг. 4А, ветровая лопасть 16 имеет полукруглое поперечное сечение. Другая альтернативная форма показана на фиг. 4В, где ветровая лопасть 16″ имеет полуэллиптическое сечение. Ветровые лопасти также закрепляются между по меньшей мере двух опорных кронштейнов 15. Один или несколько промежуточных опорных кронштейнов 15′ могут быть также предусмотрены в случае, когда ветровая лопасть имеет большую длину, а вследствие этого требует дополнительных опор. Ветровая лопасть 16 образует кривизну внутренней стенки 26. Имеются также поперечные концевые стенки 27, которые служат стенками захвата потока воздуха в тех случаях, когда поток воздуха поступает под углом. Промежуточные стенки 27′ захвата потока воздуха могут быть предусмотрены в тех случаях, когда имеются дополнительные опорные кронштейны, например опорный кронштейн 15′. Эти поперечные концевые стенки 27 и промежуточные стенки 27′ крепятся к опорным кронштейнам 15 и 15′, соответственно.

Теперь рассмотрим фиг. 5, на которой показано средство крепления элементов 14 радиальных лопаток на валу 13 ротора. Как показано, это средство крепления содержит сборочный узел 35, закрепленный на валу, причем, конечно же, имеются два таких сборочных узла для присоединения ветровых лопастей, имеющих два опорных кронштейна 15. Сборочный узел 35 соединения с валом имеет три или более жестких полых стоек 36, в данном случае - семь жестких стоек, для установки ветровых лопастей 16 в варианте осуществления, показанном на фиг. 1А, причем эти жесткие стойки 36 неподвижно прикреплены к втулке 37 и металлическому диску 41, которые предназначены для закрепления на валу ротора на некотором расстоянии друг от друга. Жесткие стойки 36 представляют собой полые металлические стойки, имеющие открытый верхний конец 38, в который вставляется нижняя часть опорных кронштейнов 15. Опорные кронштейны 15 представляют собой алюминиевые штанги с поперечным сечением, позволяющим плотно входить в открытые концы соответствующих полых трубчатых стоек 36. Средство фиксации в виде стопорных винтов 39 неподвижно закрепляет сплошные штанги в полых трубчатых стойках до того, как будут натянуты растяжки 18. Пружинное средство смещения в виде цилиндрических пружин 40 удерживается в нижней части жестких полых трубчатых стоек 36, а опорные кронштейны 15 упираются в эти пружины и стопорные винты 39 удерживают кронштейны 15 в полых стойках 36 во время первоначального натяжения растяжек 18.

Теперь будут описаны, со ссылкой на фиг. 6А и фиг. 6В, растяжки с регулировкой натяжения, которые изготовлены из растяжки 18, как было описано ранее. Эти растяжки 18 имеют одинаковую длину, они закрепляются на регулируемом соединителе проволоки 25, закрепленном на верхнем конце несущих кронштейнов 15 элементов радиальных лопаток. Регулируемый соединитель проволоки 25 представляет собой регулируемый болт 28, имеющий резьбовую цилиндрическую часть 29, соединенную резьбой со свободным внешним концом опорного кронштейна 15, что позволяет регулировать высоту болта над лопастями. Втулка 30 присоединения проволоки имеет на своих противоположных концах два фланца 30′, установлена вблизи верхнего конца регулирующего болта 28 и крепит соединительную петлю 18′ растяжек 18, как показано на фиг. 6В. Болтовой соединитель 25 имеет доступную наружную головку 31, позволяющую передавать вращение болта 28 на верхний конец опорного кронштейна 15, чтобы отрегулировать смещение наружу соединительной втулки растяжки, передавая тем самым усилие на растяжки, закрепленные на втулке и протянутые в противоположных направлениях. При перемещении регулировочного болта в осевом направлении втулка крепления растяжки перемещается так, что натяжение противоположных растяжек 18 увеличивается или уменьшается, как показано на фиг. 6В. Растяжки 18 натягиваются до тех пор, пока опорные стойки остаются закрепленными на своих нижних концах в жестких пустотелых стойках с нижними концами стоек, опирающимися на цилиндрические пружины 40. Таким образом обеспечивается жесткая сбалансированная конструкция растяжек вокруг элементов 14 радиальных лопаток. В результате получается пространственная конструкция малого веса, состоящая из элементов радиальных лопаток, жестко соединенных на некотором расстоянии друг от друга, и узла крепления элементов радиальных лопаток в сборе на валу ротора. Затем стопорные гайки 32 отпускаются, позволяя нижним концам опорных кронштейнов опуститься на свои пружины 40. Назначением этих пружин является обеспечение компенсации расширения опорных кронштейнов 15 вследствие колебаний температуры. Это предотвращает искривление опорных кронштейнов, которое могло бы произойти при их неподвижном соединении со сборочным узлом 35 соединения с валом.

Следует также указать, что для обеспечения такой регулировки втулка 30 крепления растяжки может быть выполнена перемещаемой относительно неподвижной опорной стойки или болта 28. Путем перемещения гаек 31 и 32 вдоль резьбового вала, который теперь неподвижен, регулируется положение втулки. Оба эти варианта регулируемого соединения растяжек были признаны очень эффективными, точными и экономичными механизмами регулировки.

Растяжки, соединенные между собой по наружному периметру сборочного узла ротора, поддерживают опорные кронштейны установленными в трубчатых стойках 36 сборочного узла 35 соединения с валом, как показано на фиг. 5. Жесткая конструкция из втулки и стоек сварена на плоском стальном диске 41 для обеспечения жесткой сплошной конструкции стоек, так что момент, создаваемый ветровыми лопастями 16, передается на вал через соединительный сборочный узел 35, приводящий в движение вал 13 ротора. Диаметр ротора выбирается подходящим для конкретных условий применения и при увеличении диаметра ротора может быть значительно увеличен объем получаемой энергии. Например, увеличение диаметра в два раза приводит к увеличению вырабатываемой энергии в пять раз.

Теперь будут описаны, со ссылками на фиг. 1А, 1В, 2 и 7-9, конструкция и работа средства направления потока воздуха, включающего в себя конструкцию 17 направления входящего потока воздуха, показанную на фиг. 1А. Эта конструкция состоит из наклонной направляющей стенки 45, которая закреплена под входом воздуха рамы 11, и регулируемой заслонки 47 Вентури, шарнирно соединенной с рамой 11 на верхнем конце 46′ входного воздушного канала или отверстия 46 подачи потока воздуха. Наклонная направляющая стенка может отклоняться на угол от 30 до 50°. Регулируемая заслонка Вентури имеет внутреннюю стенку 48 с выпуклой кривизной поверхности для получения эффекта Вентури в области 20′ (см. фиг. 8С) входного воздушного канала 20, ускоряя тем самым входной поток 20 воздуха для создания потока в рабочем канале 21 потока воздуха внутри ветросиловой турбины. Дугообразная крыша 22 соответствует дуге ротора ветровой турбины, она уменьшает турбулентность, создаваемую кожухом и/или рамой. Дугообразная крыша 22 также увеличивает жесткость конструкции рамы 1 и обеспечивает очистку крыши от снега и отведение водяных потоков при дожде. Она также обеспечивает аэродинамическую форму прохождения потока воздуха.

Регулируемая заслонка 47 Вентури смещается под давлением в открытое положение посредством пары амортизаторов 49, а проволочный натяжной механизм 50, содержащий проволоку 51, направляющие ролики и двигатель 53, смещает регулируемую заслонку Вентури относительно усилия открытия от поршней 49′, в результате чего устанавливается необходимое расстояние между внутренней поверхностью 48 заслонки Вентури и верхней поверхностью 45′ наклонной направляющей стенки. Такая конструкция устройства отклонения позволяет избежать использования дорогих и ненадежных гидравлических систем. Как показано на фиг. 1В, регулируемая заслонка Вентури перемещается в закрытое положение, в котором заслонка 47 опускается до касания наклонной направляющей стенки 45, закрывая тем самым входной воздушный канал в значительной степени. Это может быть необходимо в условиях очень сильного ветра либо тогда, когда турбина не используется. Конечно, может быть применено и другое средство для регулировки и прижатия заслонки, чтобы поддерживать регулируемую заслонку Вентури в необходимом положении. Например, штоки с пазами могут быть шарнирно присоединены одним концом к раме, а другим концом к регулируемой заслонке Вентури, причем для жесткой фиксации регулируемой заслонки Вентури необходимо будет вставлять в пазы фиксирующие болты.

Как показано на фиг. 7, наклонная направляющая стенка 45 имеет множество вертикальных направляющих ребер 55, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль оси входного воздушного канала 46, чтобы перенаправлять поток воздуха, приходящий под углом, как показано стрелками 55′, причем с любой стороны. Это помогает фиксировать и перенаправлять потоки воздуха, поступающие сбоку кожуха ветросиловой турбины.

Теперь рассмотрим фиг. 9, где показана дальнейшая модификация ветросиловой турбины 10 по настоящему изобретению. Как показано здесь, турбина 10 адаптирована для работы в качестве двунаправленной турбины, то есть передняя сторона и задняя сторона турбины сконструированы так, что позволяют использовать большинство преобладающих потоков воздуха. Для того чтобы такая работа была эффективной, к выходному концу кожуха присоединены верхняя выходная заслонка 60 и нижняя выходная заслонка 61, смещение этих заслонок производится амортизаторами 62 и 63 соответственно, причем функционирование этих заслонок происходит аналогично передним заслонкам, при помощи сборочного узла ролика и проволоки, натягиваемой двигателем, что позволяет регулировать положения верхней и нижней выходных заслонок. Эти заслонки должны работать автоматически под управлением контроллера 75, описанного далее, как показано на фиг. 10, причем должны учитываться направление и скорость потока воздуха. Как показано здесь, верхняя выходная заслонка 60 шарнирно соединена в позиции 64 с верхом задней стороны рамы 11, а нижняя выходная заслонка 61 шарнирно соединена примерно посередине задней стороны рамы, обозначенной позицией 65.

Как показано на фиг. 9, выходные заслонки 60 и 61 находятся в своем нормальном открытом положении тогда, когда поток воздуха направлен на переднюю сторону кожуха 10 турбины и выходит сзади между заслонками 60 и 61, которые устанавливаются так, чтобы не нарушать течения потока воздуха. Когда поток воздуха направлен сзади кожуха, верхняя выходная заслонка 60 смещается в положение, показанное условной линией 66, а нижняя выходная заслонка 61 смещается в положение, показанное условной линией 67. Соответственно, воздух подается в нижнюю половину кожуха турбины, создавая поток 68 воздуха в обратном направлении, который воздействует на элементы радиальных лопаток или лопасти 16 в нижней части кожуха или рамы. Для того чтобы не препятствовать выпуску воздуха при работе с обратным потоком 68, наклонная стенка 45 имеет шарнирный участок 45′, который отклоняется вниз, как показано сплошной линией на фиг. 9, создавая отверстие 69 ниже входного воздушного канала 46, через которое происходит выпуск обратного потока 68 воздуха. Кроме того, шарнирный участок наклонной стенки 45 обеспечивает направляющую поверхность для обратного потока воздуха. Как показано здесь, участок наклонной стенки 45′ приводится в действие амортизатором 70 и механизмом из тросика и шкива (не показан), который может работать под управлением контроллера 75 либо под действием поршня, управляемого блоком контроллера, хотя это необязательно. Соответственно, можно увидеть, что ветросиловая турбина может работать как с передней, так и с задней стороны и может использовать поток воздуха, направленный под углом к ней.

На фиг. 8А показаны две ветросиловые турбины 10 и 10′, сконструированные в соответствии с настоящим изобретением и установленные рядом друг с другом. Для получения эффекта от такого соединения валы роторов 13 и 13′ ветросиловых турбин 10 и 10′ должны быть соединены между собой. Это осуществляется так, как показано на фиг.8В, при помощи гибкой муфты, которая соединяет валы роторов, образуя общий вал ротора для привода электрического двигателя 19, соединенного на конце вала последовательно включенных ветросиловых турбин. Турбин 10, 10′, установленных рядом, может быть несколько, как показано на фиг. 11.

Как показано на фиг. 8В, упругое соединение создается звездочками 80 и 80′, закрепленными на смежных концах валов соседних роторов 13 и 13′ и соединенными вместе при помощи цепного приводного ремня 81, сцепленного одновременно с обеими звездочками 80 и 80′ и удерживающего их рядом, чтобы обеспечить гибкость между связанными между собой валами роторов 13 и 13′, так что валы турбин остаются независимыми, что допускает вибрацию валов вследствие различия моментов, генерируемых каждым ротором. Упругое соединение может иметь различные конструкции, например может включать в себя муфту с резиновой втулкой либо другую конструкцию механического соединения.

Как показано на фиг. 8С, данная группа турбин, соединенных между собой, может быть также расположена друг за другом на некотором расстоянии на поверхности 79, которая может быть крышей здания или любой другой обыкновенной поверхностью, на которой такая установка целесообразна.

Хотя это и не показано, можно рассматривать, что горизонтальная ветровая турбина может быть смонтирована на поворотном основании и может также иметь ветровой стабилизатор или датчик ориентации турбины в направлении потока воздуха. Такая установка может быть использована в том случае, когда отсутствует электроэнергия для питания ограниченной пользовательской нагрузки.

На фиг. 10 показана блок-схема типичной автоматизированной системы, к которой может быть подключена ветросиловая турбина 10, описанная в настоящем изобретении, для обеспечения пропорциональной регенерации электрической энергии. Как было описано ранее, вал ротора ветровой турбины приводит в действие электрический двигатель 19, который генерирует различную электрическую мощность в зависимости от скорости вращения вала ротора. Переменная выходная мощность подается на регенеративный двигатель, который управляется с использованием заданного значения крутящего момента. Заданное значение меняется в зависимости от действительной скорости потока воздуха. При высокой скорости потока воздуха устанавливается высокое заданное значение крутящего момента, при этом генерируется больше электрической энергии, подаваемой в существующую инфраструктуру электрической сети. При очень большой скорости потока воздуха максимальный уровень регенерации поднимается до предела генератора, так что производство не останавливается никогда, даже при очень высокой скорости потока воздуха. Такой регенеративный двигатель поставляется компанией ABB, здесь он схематично показан в виде блока 80. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничивается двигателями фирмы ABB. Может быть использован эквивалентный двигатель другого производителя. К двигателю может быть подключен необязательный трансформатор 81 и/или инфраструктура электрической сети 82 здания. В это известное электрическое оборудование интегрирован контроллер 75, который управляет заслонкой 47 Вентури и задними заслонками 60 и 61 (если имеются) в зависимости от направления потока воздуха. В контроллер 75 поступают также сигналы от датчика 83 скорости потока воздуха, от датчика 84 вибрации и от датчика 85 шума, что позволяет надлежащим образом регулировать заслонку Вентури и выходные заслонки для достижения надлежащей работы ротора и управления его различными параметрами.

На фиг. 11 показан вид спереди здания 90, на поверхности крыши 91 которого размещены ветровые турбины 10, сконструированные в соответствии с настоящим изобретением. Как показано, установлены семь таких ветровых турбин, соединенных между собой «бок о бок». Они хорошо сочетаются с внешним видом здания и улучшают эстетический вид здания. Они, конечно же, могут быть окрашены для слияния с эстетическим видом здания. Вследствие малого веса конструкции многие из этих турбин могут быть размещены на поверхностях крыш зданий. Также упрощается проблема улавливания ветра на вершине здания из-за частого возникновения восходящих потоков воздуха вдоль стен здания вблизи турбин. Инфраструктура электрической сети уже расположена вблизи крыши.

Ветросиловая турбина по настоящему изобретению, предлагает несколько преимуществ:

- может быть установлена на горизонтальных или наклонных крышах;

- имеет горизонтальную конфигурацию;

- имеет модульную конфигурацию (бок о бок);

- конструкция полного укрытия защищает от плохих погодных условий;

- имеет заслонки, регулируемые так, чтобы усилить, ослабить или остановить поток воздуха, поступающий в турбину;

- каждая секция турбины имеет длину 10 футов (однако этот размер может меняться);

- конструкция имеет малый вес;

- малая высота конструкции упрощает доступ к компонентам;

- может быть установлена на существующих зданиях;

- при заданном размере конструкции в сборе не требуется специальных разрешений на установку;

- может генерировать энергию при скорости ветра ниже 5 км/ч, что составляет около 80% ветров в некоторых районах;

- может выдерживать ветры скоростью до 200 км/ч;

- ветровой снос приводит к концентрации напора в области ветровых лопастей и улучшает эффективность генерации энергии;

- конструкция установки легко доступна для технического обслуживания даже с лестницы-стремянки;

- в случае поломки ветровой лопасти она может быть легко заменена;

- разборка конструкции установки возможна без инструментов;

- может устанавливаться в жилых, промышленных и офисных условиях;

- простое техническое обслуживание;

- низкая стоимость;

- общий размер может регулироваться для конкретных условий применения;

- установка может легко транспортироваться с одного места на другое;

- в отличие от больших ветровых турбин, которые требуют создания специальных дорог для доступа, настоящая установка в сборе не требует такой инфраструктуры для установки на местности;

- простота изготовления;

- может переносить порывы ветра;

- установки с малой, средней и большой мощностью могут быть сконструированы по одной концепции, просто путем соответствующего масштабирования компонентов;

- персонал, находящийся в здании, на котором установлена ветровая турбина, может следить за работой турбины; не требуется специальной квалификации персонала;

- запасные части легко доступны и могут быть получены в течение короткого времени после заявки;

- возможно также прямое производство водорода или горячей воды для дальнейшего использования.

Объем защиты настоящего изобретения покрывает любые явные модификации предпочтительного варианта осуществления, описанного здесь, при условии, что такие модификации подпадают под объем формулы изобретения, приведенной ниже.

Изобретение относится к ветросиловой турбине. Горизонтальная ветросиловая турбина содержит раму и средство направления потока воздуха. На раме горизонтально установлен ротор с возможностью вращения на валу ротора. Ротор имеет три или более элементов радиальных лопаток, закрепленных на валу ротора при помощи средства крепления. Элементы радиальных лопаток расположены на равных расстояниях друг от друга. Каждый элемент радиальных лопаток содержит опорные кронштейны и ветровую лопасть, закрепленную на внешнем концевом участке опорных кронштейнов. Ветровая лопасть имеет такую форму, чтобы захватывать поток воздуха, направленный на нее, что вызывает перемещение лопасти и возникновение вращающей силы на валу ротора. В результате чего ротор вращается относительно своей продольной оси. Элементы радиальных лопаток жестко соединены между собой на своих внешних концевых участках при помощи растяжек с регулировкой натяжения. Средство направления потока воздуха предназначено для ускорения и направления потока воздуха в рабочий воздушный канал, чтобы воздействовать на ветровые лопасти, расположенные в рабочем воздушном канале. В результате чего ветровые лопасти смещаются под действием аэродинамического сопротивления. Изобретение направлено на уменьшение веса ветросиловой турбины и обеспечение способности работать при низких скоростях ветра. 14 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Горизонтальная ветросиловая турбина, содержащая
раму, на которой горизонтально установлен ротор, выполненный с возможностью вращения на валу ротора, при этом упомянутый ротор имеет три или более элементов радиальных лопаток, закрепленных на упомянутом валу ротора при помощи средства крепления, при этом упомянутые элементы радиальных лопаток расположены на равных расстояниях друг от друга, а каждый упомянутый элемент радиальных лопаток содержит опорные кронштейны и ветровую лопасть, закрепленную на внешнем концевом участке упомянутых опорных кронштейнов, при этом упомянутая ветровая лопасть имеет такую форму, чтобы захватывать поток воздуха, направленный на нее, что вызывает перемещение лопасти и возникновение вращающей силы на упомянутом валу ротора, в результате чего упомянутый ротор вращается относительно своей продольной оси, упомянутые элементы радиальных лопаток жестко соединены между собой на своих внешних концевых участках при помощи растяжек с регулировкой натяжения, и
средство направления потока воздуха, предназначенное для ускорения и направления упомянутого потока воздуха в рабочий воздушный канал, чтобы воздействовать на упомянутые ветровые лопасти, расположенные в упомянутом рабочем воздушном канале, в результате чего упомянутые ветровые лопасти смещаются под действием аэродинамического сопротивления.

2. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые растяжки с регулировкой натяжения состоят из крепежных проволок равной длины, закрепленных на регулируемом соединителе проволоки, закрепленном на упомянутых опорных кронштейнах упомянутых элементов радиальных лопаток, при этом упомянутый регулируемый соединитель проволок закреплен на свободном внешнем конце каждого из упомянутых опорных кронштейнов, а упомянутая ветровая лопасть закрепляется между двумя опорными кронштейнами.

3. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.2, отличающаяся тем, что упомянутый регулируемый соединитель растяжек представляет собой деталь для крепления проволоки, перемещаемую при помощи средства позиционирования вдоль продольной оси упомянутых опорных кронштейнов.

4. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.2, отличающаяся тем, что упомянутое средство крепления состоит из двух сборочных узлов, закрепленных на валу, причем каждый сборочный узел имеет три или больше жестких стоек, неподвижно закрепленных на упомянутом валу и находящихся на некотором расстоянии друг от друга, что позволяет подвижно соединять их с внутренними соединительными концевыми участками упомянутых двух опорных кронштейнов упомянутых трех или более элементов радиальных лопаток.

5. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.4, отличающаяся тем, что упомянутые жесткие стойки представляют собой полые трубчатые стойки, при этом упомянутые опорные кронштейны представляют собой прямые штанги с поперечным сечением, позволяющим плотно вставлять их в соответствующие упомянутые полые трубчатые стойки, при этом имеется также средство крепления, позволяющее временно неподвижно соединять в предопределенном положении упомянутые прямые штанги с упомянутыми полыми трубчатыми стойками, причем в них дополнительно предусмотрено пружинное средство смещения, надежно установленное внутри упомянутых полых трубчатых стоек, которое обеспечивает радиальное смещение упомянутых прямых штанг вследствие термического расширения или сжатия, причем упомянутые крепежные проволоки удерживают упомянутые сплошные штанги в упомянутых полых трубчатых стойках.

6. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые ветровые лопасти имеют форму скобы, имеющей удлиненную вогнутую внутреннюю стенку и противоположные поперечные концевые стенки, при этом упомянутые противоположные поперечные концевые стенки имеют прямую переднюю грань, при этом упомянутые опорные кронштейны являются прямыми опорными кронштейнами, а упомянутый внешний концевой участок упомянутых опорных кронштейнов закреплен на соответствующей одной из упомянутых прямых передних граней упомянутых поперечных концевых стенок.

7. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.6, отличающаяся тем, что упомянутая вогнутая внутренняя стенка имеет либо полуэллиптическую, либо полукруглую форму поперечного сечения.

8. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.6, отличающаяся тем, что упомянутые поперечные концевые стенки являются концевыми стенками задержки потока воздуха, и тем, что дополнительно предусмотрена одна или несколько промежуточных стенок задержки потока воздуха между упомянутыми концевыми стенками.

9. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое средство направления потока воздуха содержит конструкцию входного воздушного канала и наклонную направляющую стенку, расположенную ниже входного воздушного канала упомянутой рамы и регулируемой заслонки Вентури, шарнирно закрепленной на упомянутой раме над упомянутым входным воздушным каналом, причем упомянутая регулируемая заслонка Вентури имеет такую кривизну внутренней поверхности стенки, которая позволяет достичь эффекта Вентури в упомянутом потоке воздуха от набегающего потока воздуха в упомянутом входном воздушном канале, при расположении заслонки на предопределенном расстоянии от упомянутой наклонной стенки для ускорения упомянутого потока воздуха.

10. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.9, отличающаяся тем, что упомянутая регулируемая заслонка Вентури выполнена с возможностью смещения из открытого положения в закрытое положение, при этом в упомянутом закрытом положении упомянутая регулируемая заслонка значительно закрывает входной воздушный канал, причем упомянутая регулируемая заслонка смещается в открытое положение посредством прижимного средства и средства регулировки заслонки с целью смещения и сохранения положения упомянутой заслонки в желаемой позиции относительно прижимного средства.

11. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.9, отличающаяся тем, что на упомянутой наклонной стенке выполнено несколько вертикальных направляющих ребер, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и расположенных вдоль оси упомянутого входного воздушного канала, чтобы направлять поток воздуха, поступающий на него под углом.

12. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.9, отличающаяся тем, что упомянутая ветросиловая турбина является двунаправленной турбиной, в которой задний конец упомянутой рамы оборудован верхней и нижней выходными заслонками, шарнирно закрепленными на верхней части и нижней части упомянутой рамы над упомянутыми частями, причем упомянутые заслонки перемещаются в открытое положение посредством прижимного средства и средства регулировки положения заслонок, для установки упомянутых выходных заслонок так, чтобы направить поток воздуха, идущий сзади, в упомянутую нижнюю часть упомянутой рамы, чтобы создать обратный рабочий поток воздуха, чтобы воздействовать на упомянутые элементы радиальных лопаток в нижней части упомянутой рамы, причем упомянутая наклонная направляющая стенка имеет шарнирную секцию для создания отверстия ниже упомянутого входного воздушного канала для пропускания и направления упомянутого обратного рабочего потока воздуха, причем эта шарнирная секция направляющей стенки обеспечивает направляющую поверхность для упомянутого обратного рабочего потока воздуха.

13. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.1, отличающаяся тем, что две или несколько упомянутых ветросиловых турбин располагают бок о бок с соединением их валов роторов при помощи гибкой связи для образования единого вала ротора, приводимого в движение упомянутыми двумя или несколькими ветросиловыми турбинами.

14. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.10, отличающаяся тем, что упомянутый вал ротора соединен с возможностью передачи приводного усилия с электрическим двигателем для генерации переменного электрического напряжения.

15. Горизонтальная ветросиловая турбина по п.14, отличающаяся тем, что дополнительно содержит контроллер для управления упомянутой ветросиловой турбиной, причем упомянутый контроллер управляет упомянутым средством перемещения заслонок, а также датчики, прикрепленные к упомянутому контроллеру для контроля скорости потока воздуха, шума и вибрации.