ВЕТРОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2019 года по МПК F03D1/02 F03D5/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Заявленное изобретение относится к области энергетики, в частности, к ветровым электростанциям, преобразовывающим энергию ветра в электрическую энергию.

Заявленное решение может использоваться в местностях с благоприятным ветровым режимом, а именно местностях с высокой и средней скоростью ветра на вершинах холмов, возвышенностей, принимая во внимание предметы, способные оказать влияние на скорость и силу ветра (например, такие как деревья, здания, холмы и др).

Уровень техники:

Из уровня техники известны различные решения, позволяющие преобразовывать ветровой поток в электрическую энергию. К ним относятся ветровые электростанции, которые состоят из отдельно стоящих ветроэнеретических установок, блочные ярусные, многоярусные электростанции, волно-ветровые электростанции.

При этом отдельно стоящие ветроэнергетические установки располагаются на небольшой высоте от поверхности земли и используют не в полной мере энергетический ветровой поток.

Недостатком нескольких установленных на незначительном расстоянии друг от друга ветроэнергетических установок является то, что они занимают значительную площадь и, находясь на небольшом расстоянии от поверхности земли, не могут полностью использовать энергию ветровых потоков.

Известны различные виды ветродвигателей, в отдельных источниках называемые ветроколесами, для получения энергии с помощью силы ветра. К ним относятся крыльчатые, карусельные, конвейерные, роторные и иные ветродвигатели с горизонтальными или вертикальными осями вращения.

Наиболее часто встречается крыльчатый тип ветродвигателей с горизонтальной осью вращения

В качестве основного недостатка крыльчатых ветродвигателей с горизонтальной осью вращения можно считать необходимость постройки дорогостоящих высоких башен, обусловленную большим диаметром ветроколеса, необходимого для получения высокой мощности. Высокие башни, дорогостоящие и сложные в строительстве и эксплуатации, не обеспечивают надлежащий уровень надежности ветроэлектростанции при штормовом ветре, так как вся конструкция становится неустойчивой.

В качестве основных недостатков существующих роторных двигателей с вертикальной осью вращения можно выделить наличие высокого лобового сопротивления, возникающего при вращении лопастей, которое обуславливает обледенение ветродвигателей при низких температурах, а так же низкий коэффициент использования энергии ветра. Ветродвигатели данного типа, как и крыльчатые ветродвигатели, отличаются высоким уровнем аварийности. Кроме того, рекомендуется разбирать такие ветродвигатели при угрозе штормового ветра, что обуславливает высокие затраты, связанные с демонтажем конструкций и временем вынужденного простоя.

1. Известна «блочная ярусная ветровая электростанция» RU 2487264(С2) класс МПК F03D 1/04 (2006.01), F03D 7/02 (2006.01), которая включает в себя блочную ярусную эстакаду, установленную на фундаменте.

Блоки ярусов электростанции крепятся между собой к основанию. Ярусы ветровой электростанции имеют на своей поверхности звукоизоляцию, в средних частях ярусов расположены ветродвигательные установки, которые поворачиваются внутри кожухов с помощью электромеханической системы при изменении направления ветра. Патрубки, расположенные внутри блоков, позволяют улавливать косые ветровые потоки, после чего направляют их в средние части. Ветроэлектростанция оснащена лифтом и солнечными батареями. Недостатком данной электростанции является отсутствие возможности поворота конструкции в зависимости от направления ветра. Так же электростанция громоздка и сложна в установке и эксплуатации, не обеспечивает надлежащий уровень надежности при штормовом ветре.

(Блочная ярусная ветровая электростанция RU 2487264(С2) https://fips.ru).

2. Аналогом заявленного изобретения можно считать Ветровую электростанцию с вертикальной двухступенчатой вихревой аэротурбиной с центробежными ограничителями скорости вращения аэротурбины RU 2392489 (С1) класс МКП F03D3/00. Изобретение так же относится к области энергетики, используется для преобразования энергии ветра в другие виды энергии. Электростанция состоит из аэротурбины, которая включает в себя две расположенные одна над другой турбины с несущими валами. Турбины соединены с электрогенераторами. Внутри нижнего вала находится вал верхней турбины. Лопасти турбин образуют многолопастные турбины противоположного направления вращения. Недостатком является то, что изобретение имеет сложную конструкцию, может использоваться только в местностях с благоприятным или экстремальным ветровыми режимами, не оснащена возможностью поворота для улавливания различного направления ветровых потоков.

(Ветровая электростанция с вертикальной двухступенчатой вихревой аэротурбиной с центробежными ограничителями скорости вращения аэротурбины RU 2392489 (С1) https://fips.ru).

3. Известна Ветровая электростанция RU 2504690 (С2) класс МКП F03D 1/04, F03D 11/00, F03D 3-04, она включает в себя несколько ветроэнергетических установок, которые располагаются в подземном туннеле, который соединен с вертикальной аэродинамической трубой, подвешенной к аэростату. За счет перепада атмосферного давления на концах трубы возникает воздушный поток, за счет которого функционирует электростанция. Звуковые и вибрационные воздействия снижены за счет подземного расположения ветроэнергетических установок. Недостатком данного решения является сложность и громоздкость конструкции, необходимость использования больших площадей, высокий уровень аварийности, обусловленный расположением установок в подземном туннеле.

(Ветровая электростанция RU 2504690 (С2) https://fips.ru).

4. Из уровня техники также известен Универсальный ротор Онипко RU 2550718 (С2) класс МКП F03B 3/12, F03D 1/06, F04D 29/18. Он состоит из двух дугообразных лопастей, расположенных вокруг оси вращения ротора и связанных с крепежным элементом. Каждая из лопастей расположена близко к лопасти, параллельной оси вращения ротора. Верхний край выгнутой боковой поверхности лопасти связан с краем вогнутой боковой поверхности лопасти. Вогнутая поверхность не имеет крутых изгибов и углов и наклонена от оси вращения ротора к основанию лопасти. Связь края вогнутой поверхности лопасти с верхним краем выгнутой поверхности выполнена под углом.

Недостатком Ротора является небольшая мощность и низкий уровень КПД, позволяющий вырабатывать лишь небольшое количество энергии для частного использования, а так же невозможность применения данного решения в промышленных масштабах. (Универсальный ротор Онипко RU 2550718 (С2) https://fips.ru).

Сходство заявленного изобретения с существующими аналогами заключается в том, что основным назначением каждой конструкции является преобразование энергии ветра в механическую работу и в электроэнергию. Различие заключается в самих конструкциях, составе конструктивных элементов и механизмах их работы, направленных на получение энергии.

Основными недостатками представленных аналогов является недостаточная механическая прочность конструкций, низкий уровень КПД, ограничения в применении в зонах с повышенными или пониженными скоростями ветра, сложности в установке и эксплуатации.

Раскрытие изобретения:

На сегодняшний день достаточно актуальным является вопрос поиска альтернативных видов электроэнергии. Ветровая электростанция позволяет использовать энергию потоков ветра, не требует вложения больших денежных средств, не наносит вред экологии.

Задачами заявленного решения является разработка конструкции ветровой электростанции, которая обладает более высоким КПД по сравнению с прототипом, устраняет торможение лопастей, уменьшает интенсивность турбулентных ветровых потоков, менее зависима от скорости и направления ветра и использует энергию потока ветра в полной мере. Кроме того, ветровая электростанция проста в установке и эксплуатации, не оказывает негативного воздействия на окружающую среду.

Поставленные задачи достигаются за счет разработанной конструкции ветровой электростанции, которая устраняет недостатки вышеописанного прототипа за счет конструкции винтов и возможности поворота всей конструкции электростанции в зависимости от направления ветра, обеспечивая пользователей альтернативным источником получения энергии.

Ветровая электростанция, реализуя свойства представленных и существующих аналогов, решает ряд проблем:

1. Позволяет повысить КПД электростанции за счет формы винтов и усовершенствованной конструкции;

2. Занимает меньшие площади поверхности земли по сравнению со стоящими на небольших расстояниях друг от друга ветроэнергетическими установками;

3. Позволяет максимально уменьшить потери энергетических потоков воздуха, увеличив при этом коэффициент их использования;

4. Не оказывает негативного воздействия на окружающую среду;

5. Снижает затраты на установку и эксплуатацию;

6. Не обладает механическим шумом и имеет низкий уровень аэродинамического шума² при функционировании;

7. Может быть использована в зонах с благоприятными и экстремальными ветровыми режимами.

Сущность изобретения:

Ветровая электростанция функционирует по принципу горизонтально-осевого ветряка. Ветродвигатель электростанции относится к роторному типу и выполнен в форме геликоидных винтов, что дает определенное преимущество перед ветровыми колесами крыльчатого типа, так как при увеличении скорости ветра винты быстро увеличивают силу тяги, стабилизируя скорость вращения.

Сила ветра вращает лопасти, а ветровая электростанция преобразует кинетическую энергию в механическую, а затем в электрическую.

Заявленная ветровая электростанция включает раму (2) с закрепленными на ней двумя опорами винта (2.1) (в рамках данного описания условно назовем их правой и левой), соединенными между собой внизу горизонтально ориентированными балками

(2.2). В центре на балках (2.2) закреплена вертикально вверх центральная часть рамы

(2.3) фиг. 1, 2. Внутри центральной части рамы (2.3) проходит вертикально ориентированный вал (8) привода генератора (5), соединенный вверху посредством конической зубчатой передачи (10) с валами (3.1) и (3.2), которые в рамках данного описания условно назовем левым (3.1) и правым (3.2) фиг. 2.

Коническая зубчатая передача (10) включает три зубчатых колеса, зубчатое колесо вала (8) генератора является ведомым по отношению к ведущим зубчатым коническим колесам (3.1.1), (3.2.1) вала (3.1) винта (1.1) и вала (3.2) винта (1.2).

Вал (3.1) винта (1.1) и вал (3.2) винта (1.2) проходят через ось вращения (3) винтов (1.1) и (1.2). Винты (1.1) и (1.2) с изменяемым шагом, выполненные в форме геликоида ³, расположены друг за другом на валах 3.1 и 3.2, которые вместе с винтами расположены параллельно поверхности земли (фиг. 1,2).

Винты (1.1) и (1.2) имеют несколько дугообразных вогнутых лопастей и вращаются в разные стороны фиг. 1, что позволяет эффективно использовать набегающий поток воздуха в зависимости от направления ветра (фиг. 1).

Опоры (2.1) установлены на подвижную опору (4) фиг. 2 с возможностью поворота на 360 градусов за счет венца (15) опорно-поворотного устройства (9).

Конструкция ветровой электростанции оснащена флюгером, который может быть установлен как на самой электростанции, так и в удалении от нее. Флюгер определяет направление и скорость ветрового потока и направляет полученные данные любым известным способом. В зависимости от полученных данных о направлении ветрового потока, опорно-поворотное устройство (9) фиг. 4, расположенное на раме (2), при помощи привода (13) опорно-поворотного устройства, включающего электромотор (11), редуктор (14), шестерню (12), венец (15), разворачивает конструкцию электростанции в необходимую для вращения винтов сторону.

Вертикальный вал (8) в нижней части соединен с генератором (5) фиг. 4.

Заявленная ветровая электростанция создает такие условия, при которых потоки воздуха (7), находящиеся в области вращения винтов (1.1) и (1.2) фиг. 1 под заданным вращательным направлением, искусственно создают воронку, по принципу своего действия аналогичную торнадо, таким образом, благодаря центробежной силе, потоки воздуха, проходя через лопасти винтов, закручиваются, образуя воронку вокруг каждого винта и вовлекая в эту воронку другие потоки воздуха.

Правый винт (1.2) в зависимости от направления ветра, осуществляя свое вращение через коническую зубчатую передачу (10), передает дополнительное усилие на левый винт (1.1), вращающийся в противоположную сторону (фиг. 1).

Геликоидная форма винтов (1.1, 1.2), благодаря закрутке лопастей, позволяет осуществлять вращение равномерно, что снижает нагрузку на элементы конструкции и увеличивает длительность их службы.

Заявленная ветровая электростанция приспособлена к изменениям скорости и направления ветровых потоков за счет того, что конструкция имеет подвижную опору, которая разворачивает всю конструкцию с винтами по кругу на 360 градусов в зависимости от направления движения ветра, определенного флюгером. Таким образом, винты всегда повернуты в нужную сторону, что позволяет лопастям винтов максимально улавливать и использовать ветровые потоки.

Основным преимуществом заявленной ветровой электростанции, отличающим ее от существующего прототипа, является геликоидная форма винтов и возможность поворота конструкции в нужную сторону.

Такая форма винта позволяет максимально использовать энергию ветровых потоков, так как поток ветра в первую очередь попадет на поверхность одной вогнутой лопасти винта, получает дополнительное вращение и передается другому винту, вращающемуся в обратном направлении, таким образам задавая второму винту дополнительное движение. Энергия, возникающая от закручивания воздуха в сторону, противоположную вращению первого винта, передает дополнительное усилие на второй винт. Такая форма винтов позволяет ветровой электростанции быть более устойчивой к турбулентности. Лопасти винтов (1.1 и 1.2), встречаясь с потоками воздуха (7), поворачиваются под их давлением и через коническую зубчатую передачу (10) фиг. 2 передают вращение на вал (8), который в свою очередь передает его на генератор (5) и преобразует силу ветра в электрическую энергию.

«С помощью вала (8) фиг. 2, 3, крутящий момент от винтов (1.1) и (1.2) через валы (3.1), (3.2) и зубчатую передачу (10), передается ротору генератора (5) фиг. 1, 4».

Это позволяет электростанции разворачивать ось с винтами в соответствии с изменением направления ветра. Известные ветроэлектростанции осуществляют вращение лопастей таким образом, что часть энергии ветрового потока не попадает на поверхность лопасти и не используется, снижая тем самым КПД электростанции, предлагаемое решение позволяет улавливать косые потоки ветра и направлять их в средние части.

Ветровая электростанция легка в обслуживании, так как генератор (5) находится не вверху как у традиционных ветроэлектростанций, а внизу.

Краткое описание чертежей:

Фиг. 1 - схематичное изображение ветровой электростанции. Общий вид;

Фиг. 2 - схематичное изображение ветровой электростанции. Вид спереди;

Фиг. 3 - схематичное изображение ветровой электростанции. Вид А;

Фиг. 4 - схематичное изображение ветровой электростанции. Вид В;

Фиг. 5 - схематичное изображение ветровой электростанции. Вид С

Краткое описание конструктивных элементов

1.1 - левый винт;

1.2 - правый винт;

2 - рама;

2.1 - опора винта;

2.2 - балка;

2.3 - центральная часть рамы;

3 - ось винта;

3. 1 - вал винта левый;

3.1.1 - зубчатое коническое колесо вала винта левого;

3.2 - вал винта правый;

3.2.1 - зубчатое коническое колесо вала винта правого;

4 - подвижная опора;

5 - генератор;

6 - стойка опоры;

7 - поток воздуха;

8 - вал привода генератора;

9 - опорно-поворотное устройство;

10 - коническая зубчатая передача;

11 - электромотор;

12 - шестерня привода;

13 - привод опорно-поворотного устройства;

14 - редуктор;

15 - венец опорно-поворотного устройства;

16 - опора редуктора.

Принцип работы

Для осуществления заявленного изобретение необходимо выбрать местность с благоприятным для этого ветровым режимом (это может быть открытая местность с высокой или средней скоростью ветра).

Высота опоры (2.1) винтов (1.1) и (1.2) может быть различная и рассчитывается индивидуально, исходя из природных условий выбранного места расположения заявленной электростанции, наличия на местности различных препятствий (деревьев, зданий и др.), скорости и силы ветра.

Опоры (2.1), балка (2.2) и центральная часть рамы (2.3) ветровой электростанции устанавливаются на фундамент или раму (2) на стойки (6) рамы (2) фиг. 1, 2. Перед установкой подвижной опоры (4) на фундамент, он выдерживается не меньше месяца для того, чтобы обеспечить его прочность и плотное прилегание к поверхности земли, после чего возможно размещение остальных элементов конструкции.

Ветровой поток попадает на вогнутые поверхности лопастей винтов (1.1), (1.2) и задает им вращение. Винты (1.1), (1.2) начинают осуществлять вращение и с помощью валов (3.1) и (3.2) передают движение конической зубчатой передаче (10), которая осуществляет вращение вала (8), который в свою очередь передает энергию генератору (5) для преобразования ее в электрическую (фиг. 1).

Подвижная опора (4) с помощью венца (15) опорно-поворотного устройства (9) разворачивает конструкцию с винтами (1.1) и (1.2) в соответствии с изменением направления ветра, которое определяет флюгер.

Таким образом, достигается технический результат: пользователи обеспечены электростанцией с повышенным уровнем КПД, который достигается за счет формы винтов, позволяющих эффективно взаимодействовать с большим количеством ветровых потоков и использовать максимально энергию ветрового потока, возможностью поворота оси с винтами в зависимости от направления ветра.

Ветровая электростанция не занимает большую площадь, легка в обслуживании, а также безопасна при штормовых нагрузках.

В представленном изобретении ветровой энергетический поток напрямую взаимодействует с поверхностью лопастей, это способствует уменьшению потерь энергии потоков ветра.

Конструкция ветроэлектростанции предоставляет возможность уменьшить силу и интенсивность турбулентных потоков благодаря форме винта и его выгнутой поверхности лопастей. Энергетический ветровой поток направляется на край ометаемой поверхности винта и выходит за пределы винта, сообщая другому винту дополнительную движущую силу. Пользователи обеспечены ветровой электростанцией, с помощью которой возможно получение энергии при полном отсутствии сырья для переработки, а также отходов от использования электростанции.

Заявленное изобретение относится к ветровым электростанциям. Ветровая электростанция содержит ветродвигатель с горизонтальной осью вращения, имеющий геликоидальную форму с изменяемым шагом, опоры ветродвигателя, электромотор, редуктор. Ветродвигатель состоит из двух винтов на двух валах, расположенных друг за другом на одной оси вращения и вращающихся в разные стороны. Опоры расположены на внешних концах винтов, каждая из опор винтов установлена на подвижную опору круговой рамы с возможностью поворота опор с винтами по круговой раме в любую сторону на 360°, имеет центральную часть рамы с проходящим внутри вертикально ориентированным валом привода генератора, вверху соединенным через коническую зубчатую передачу с валами винтов, внизу соединенным с генератором, ветровая электростанция оснащена флюгером. Изобретение направлено на уменьшение потерь энергии ветрового потока. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ветровая электростанция, содержащая ветродвигатель с горизонтальной осью вращения, имеющий геликоидальную форму с изменяемым шагом, опоры ветродвигателя, электромотор, редуктор, отличающаяся тем, что ветродвигатель состоит из двух винтов на двух валах, расположенных друг за другом на одной оси вращения и вращающихся в разные стороны; имеет две опоры, опору одного винта и опору второго, расположенные на внешних концах винтов, каждая из опор винтов установлена на подвижную опору круговой рамы с возможностью поворота опор с винтами по круговой раме в любую сторону на 360°; имеет центральную часть рамы с проходящим внутри вертикально ориентированным валом привода генератора, вверху соединенным через коническую зубчатую передачу с валами винтов, внизу соединенным с генератором, ветровая электростанция оснащена флюгером.

2. Ветровая электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что флюгер, определяющий направление и скорость ветрового потока, установлен в отдалении от ветровой электростанции.