Лопастная система ветроэлектростанции Российский патент 2020 года по МПК F03D7/04 

Техническое решение относится к ветроэнергетике и предназначено для преобразования кинетической энергии ветра в полезную механическую энергию вращения лопастной системы.

Из уровня техники известна «Ветроэлектростанция» по патенту РФ на полезную модель №184844 (МПК F03D 9/34, F03D 3/06, F03D 3/04, опубликован 12.11.2018), которая включает опорную раму, выполненную с возможностью ее крепления между, как минимум, тремя радиально расположенными сооружениями, на которой расположен вал, выполненный с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и лопастную систему, закрепленную на валу, а также щиты, закрепленные по периметру рамы и создающие направленный воздушный поток.

В известной ветроэлектростанции лопасти лопастной системы закреплены на валу без возможности изменения их положения. Данное расположение может приводить к тому, что лопасти, двигающиеся в процессе вращения вала навстречу воздушному потоку, поступающему между сооружениями к лопастной системе, могут создавать аэродинамическое сопротивление, приводящее к снижению эффективности работы ветроэлектростанции.

Из уровня техники известен «Способ управления лопастями ротора ветряка с вертикальной осью вращения» по патенту РФ на изобретение №2525998 (МПК F03D 7/06, опубликован 20.08.2014). Согласно известному способу лопасти ротора ветроэлектростанции, создающие под действием ветрового напора крутящий момент относительно вертикальной оси ротора, располагают таким образом, что с разных сторон ротора они создают максимальное и минимальное аэродинамическое сопротивление, при этом указанное положение лопастей обеспечивают путем фиксирования пространственного положения лопасти в момент начала создания данной лопастью крутящего момента относительно вертикальной оси ротора, а при прекращении создания данной лопастью крутящего момента относительно вертикальной оси ротора фиксацию пространственного положения лопасти снимают и переводят данную лопасть в состояние флюгирования.

В известном решении для достижения максимального и минимального аэродинамического сопротивления лопастей используют фиксирование их пространственного положения либо перевод в состояние флюгирования соответственно. При этом лопасти если имеют достаточно большой размер, чтобы обеспечить вращение вала даже при небольшой силе ветра, лопасть должна иметь достаточную жесткость, чтобы при создании максимального аэродинамического сопротивления она могла сохранять форму, а элементы конструкции, предназначенные для фиксации положения лопасти, должны быть прочными для обеспечения фиксации лопасти, на которую приходится мощное воздействие ветра. При сверхнормативных по скорости ветрах ротор вообще выводят из рабочего режима путем перевода всех лопастей во флюгирующее состояние, во избежание пололки лопастей и фиксирующих элементов. Следовательно, недостатками известного способа являются высокая материалоемкость конструкции, для обеспечения устойчивости формы лопасти и ограниченная функциональность, в частности, невозможность использования при высоких скоростях ветра.

Из уровня техники известно «Устройство для преобразования энергии открытой воды (ветра) в механическую энергию» по патенту Китая на изобретение № CN 104564493 A (МПК F03B 13/00; F03B 3/12; F03B 3/18; F03D 3/04; F03D3/06; F03D 9/00, опубликован 29-04-2015), выбранное в качестве ближайшего аналога. Согласно известному решению устанавливают вертикальный вал, на котором закреплены лопасти, выполненные в виде рамы, с установленными в них посредством петель дверьми, выполняющими функцию заполнения пространства рамы, ограниченное ее контурами. Двери могут открываться с одной стороны вала, под действием ветра или воды, и закрываться с другой стороны. Таким образом, при закрытой двери создается максимальной сопротивление воздушному потоку, а при открытой - минимальное.

В известном решении для того, чтобы вал вращался даже при незначительных ветрах, необходимо выполнение лопасти достаточно большого размера. При этом размещение элементов заполнения на шарнирных петлях, свободно перемещающихся под действием ветра, не обеспечивает стабильную работу устройства, так как эти элементы могут хаотично двигаться при порывистых и переменчивых ветрах, при переходе с одной стороны вала на другую не всегда закрываться по причине заклинивания или смены направления порыва ветра. А устройства принудительного изменения положением этих элементов известное решение не содержит.

Задачей заявляемого изобретения является создание лопастной системы ветроэлектростанции, конструкция которой позволила бы преодолеть указанные недостатки известных решений. Технический результат заключается в снижении материалоемкости конструкции, в повышении надежности работы, а также в расширении функциональных возможностей, заключающемся в возможности использования ветроэлектростанции при широком диапазоне силы и направленности ветра.

Заявленный технический результат достигается тем, что в лопастной системе ветроэлектростанции, которая содержит лопасти, каждая из которых включает раму, жестко закрепленную к валу, и установленные в раме элементы заполнения, выполненные с возможностью перекрывать или открывать с разных сторон от вала область рамы, ограниченную ее контуром, согласно заявленному решению рама каждой лопасти содержит, как минимум, две ячейки, элементы заполнения установлены в ячейки рамы и выполнены с возможностью перекрывать или открывать с разных сторон от вала область рамы, ограниченную ее контуром, посредством системы управления лопастью. Лопасти могут быть закреплены как на вертикальном, так и на горизонтальном валу. Элементы заполнения могут быть выполнены в виде пластин, закрепленных с возможностью вращения на осях, установленных в ячейке рамы, таким образом, что с одной стороны вала пластины перекрывают область рамы, ограниченную ее контуром, а с другой стороны вала - открывают. Еще в одном варианте исполнения элементы заполнения могут быть выполнены в виде шторки, таким образом, что с одной стороны вала шторка перекрывает область рамы, ограниченную ее контуром, а с другой стороны вала шторка смещается к одной из сторон ячейки рамы и открывает область рамы, ограниченную ее контуром. Еще в одном варианте исполнения элементы заполнения могут быть выполнены в виде пластин, закрепленных к одной из сторон ячейки рамы с помощью параллелограммного механизма, таким образом, что с одной стороны вала механизм раздвигается и пластины перекрывают область рамы, ограниченную ее контуром, а с другой стороны вала - механизм сдвигается и пластины открывают область рамы, ограниченную ее контуром. Элементы заполнения могут быть выполнены с возможностью перекрывать или открывать область рамы, ограниченную ее контуром, полностью или частично. Система управления лопастью может включать исполнительный механизм, выполненный с возможностью конструктивного соединения с элементом заполнения.

Выполнение лопасти в виде рамы, состоящей из ячеек, позволяет снизить материалоемкость конструкции и повысить надежность. В такой конструкции нет необходимости делать каждый элемент заполнения очень жестким. Противодействие ветровой нагрузке достигается за счет небольшой площади каждого элемента, следовательно, он может быть более тонким, легким, не содержащим дополнительных ребер жесткости и других укрепляющих деталей. Общая жесткость всей лопасти достигается за счет рамы. При этом для создания жесткой конструкции рамы не требуется больше материала, так как жесткость может быть обеспечена путем использования объемных конструкций, например, путем изготовления рамы из трубы круглого или прямоугольного сечения.

Использование системы управления лопастью, содержащей, в частности, исполнительные механизмы для приведения в движение элементов заполнения, позволяет регулировать степень заполнения ячейки и, следовательно, степень аэродинамического сопротивления лопасти. Так, при высоких скоростях ветра, нет необходимости переводить систему в режим флюгерирования, а можно продолжать использовать ее, но перекрывая область рамы, ограниченную ее контуром, частично, чтобы лопасть воспринимала не всю ветровую нагрузку, а лишь часть ее. Кроме того, так как каждый элемент заполнения имеет небольшую площадь, за счет разделения рамы на ячейки, требуется меньшее усилие исполнительного механизма для его поворота и удержания в заданном положении, в сравнении с большой площадью всей лопасти.

Заявленное решение может быть использовано как при горизонтальном, так и при вертикальном расположении вала, но вертикальное расположение вала является предпочтительным, так как позволяет использовать дополнительно различные элементы конструкции, формирующие направленный поток воздуха, поступающий на лопастную систему ветроэлектростанции.

Суть заявляемого решения поясняется далее с помощью фигур, на которых условно представлено конструктивное исполнение заявленного решения.

На фиг. 1 представлено вертикальное сечение ветроэлектростанции с вертикальным валом и с лопастной системой согласно заявляемому решению, в которой элементы заполнения представляют собой пластины, закрепленные с возможностью вращения на осях, установленных в ячейке рамы.

На фиг. 2 представлено вертикальное сечение ветроэлектростанции с вертикальным валом и с лопастной системой согласно заявляемому решению, в которой элементы заполнения представляют собой шторку, выполненную с возможностью раздвигаться и сдвигаться в плоскости ячейки.

На фиг. 3 представлено вертикальное сечение ветроэлектростанции с вертикальным валом и с лопастной системой согласно заявляемому решению, в которой элементы заполнения представляют собой пластины, закрепленные к одной из сторон ячейки рамы с помощью параллелограммного механизма.

На фигурах позиции имеют следующее обозначение: 1 - вал лопастной системы, 2 - лопасти, 3 - рама лопасти, 4 - ячейка лопасти, 5 - пластина элемента заполнения, 6 - шторка элемента заполнения, 7 - параллелограммный механизм элемента заполнения, 8 - исполнительный механизм системы управления лопасти, 9 - система управления лопастью.

Осуществление заявляемого технического решения поясняется далее на примерах возможных вариантов реализации со ссылками на фигуры. На фигурах элементы заполнения условно показаны только в одной ячейке с каждой стороны. Очевидно, что каждая ячейка содержит элементы заполнения, расположение которых соответствует показанным элементам.

Любым известным способом осуществляют сооружение ветроэлектростанции, в предпочтительном варианте исполнения выполняют ее с вертикальной осью вращения. На валу закрепляют одну или несколько лопастных систем, включающих лопасти (2), каждая из которых содержит раму (3), закрепленную к валу (1). Вал (1) лопастной системы может быть установлен на фундамент или иное опорное сооружения, а может также, для более надежного закрепления конструкции и возможности создания конструкции с большими площадями лопастей (2), закреплен к опорной конструкции (на фигурах не показана), которая, в свою очередь, установлена между несколькими сооружениями. Такая конструкция обеспечивает устойчивость и надежность, уменьшает колебательные нагрузки, увеличивает эффективность работы.

Вал (1) может быть закреплен к опорной конструкции любым известным способом, например, в двух точках - в верхней и нижней частях. Вал (1) может быть конструктивно соединен с электрогенератором любым известным из уровня техники способом для передачи вращения, вызванного воздействием воздушного потока на лопасти (2) лопастной системы, в механическую энергию вращения элементов электрогенератора для преобразования ее в электрическую энергию. При этом сам электрогенератор может быть, как непосредственно связан с вращающимся валом (1), так и размещен отдельно с использованием известного способа передачи вращения.

Каждая лопасть (2) включает раму (3), ограничивающую контур рабочей поверхности лопасти (2), на которую воздействует воздушный поток, поступающий на лопастную систему. Рама (3) содержит не менее двух ячеек (4), в которых установлены элементы заполнения, выполненные с возможностью перекрывать или открывать с разных сторон от вала (1) область рамы (3), ограниченную ее контуром. Перемещение или изменение положения элементов заполнения осуществляется посредством системы (9) управления лопастью, включающей, в частности, исполнительные механизмы (8).

Система (9) управления лопастью может быть выполнена любым известным из уровня техники способом, например, в виде взаимосвязанных исполнительных механизмов (8), датчиков ветра и блока управления (на фигурах не представлены), который на основании информации от датчиков ветра передает управляющий сигнал на исполнительные механизмы (8), приводящие в движение и фиксирующие положение элементов заполнения.

Для специалиста очевидно, что лопастная система может включать как две лопасти (2), как изображено на фигурах, так и любое другое количество, которое рассчитывается в зависимости от потребностей как конкретной лопастной системы, так и ветроэлектростанции в целом. Количество и параметры ячеек рамы также рассчитывают, исходя из общего размера лопасти (2), преобладающих ветров, их силы и направленности, количества лопастных систем на валу и прочих параметров.

В одном варианте исполнения элемент заполнения может быть выполнен в виде пластин (5), закрепленных с возможностью вращения на осях, установленных в ячейке (4) рамы (3), таким образом, что с одной стороны вала (1) пластины (5) расположены параллельно плоскости лопасти (2), а с другой стороны вала (1) - перпендикулярно плоскости лопасти (2). Таким образом достигается возможность с одной стороны вала (1) получать наименьшее сопротивление лопасти (2) поступающему воздушному потоку, а с другой стороны вала (1) - максимальное. При этом имеется также возможность регулировать сопротивление лопасти (2) воздушному потоку от максимального до уровня, требуемого в конкретных текущих условиях эксплуатации, устанавливая, например, угол разворота пластин (5), при котором они располагаются под углом к плоскости лопасти (2), и фиксируя их в этом положении, с помощью исполнительного механизма (8).

В другом варианте исполнения элемент заполнения может быть выполнен в виде шторки (6), таким образом, что с одной стороны вала (1) шторка (6) раздвигается и перекрывает ячейку, а с другой стороны вала (1) шторка (6) смещается к одной из сторон ячейки (4) рамы (3). Таким образом достигается возможность с одной стороны вала (1) получать наименьшее сопротивление лопасти (2) поступающему воздушному потоку, а с другой стороны вала (1) - максимальное. При этом имеется также возможность регулировать сопротивление лопасти (2) воздушному потоку от максимального до уровня, требуемого в конкретных текущих условиях эксплуатации, устанавливая, например, степень раскрытия шторки (6), при которой она частично перекрывает область рамы (3) лопасти (2), и фиксируя ее в этом положении, с помощью исполнительного механизма (8).

Еще в одном варианте исполнения элемент заполнения может быть выполнен в виде пластин (5), закрепленных к одной из сторон ячейки (4) рамы (3) с помощью параллелограммного механизма (7), таким образом, что с одной стороны вала (1) механизм (7) раздвигается и пластины (5) перекрывают ячейку (4), а с другой стороны вала (1) пластины (5) смещаются к одной из сторон ячейки (4). Таким образом достигается возможность с одной стороны вала (1) получать наименьшее сопротивление лопасти (2) поступающему воздушному потоку, а с другой стороны вала (1) - максимальное. При этом имеется также возможность регулировать сопротивление лопасти (2) воздушному потоку от максимального до уровня, требуемого в конкретных текущих условиях эксплуатации, устанавливая, например, такую степень раздвижения параллелограммного механизма (7), при которой пластины (5) перекрывают не полностью область ячейки (4), а частично, и фиксируя их в этом положении, с помощью исполнительного механизма (8).

Лопастная система ветроэлектростанции может быть размещена внутри корпуса, представляющего собой сооружение, снабженное системой управления направлением воздушного потока, например, в виде поворотных щитов. С помощью щитов создают постоянное направление воздушного потока, направляя движение воздуха к открытым частям корпуса и далее к лопастям (2) лопастной системы. В зависимости от направления и силы ветра система управления воздушным потоком выбирает расположение щитов и степень их раскрытия, при котором воздушный поток, поступающий на лопастную систему, будет оптимальным для достижения требуемой скорости вращения вала (1).

Для специалиста очевидно, что управление всеми средствами при осуществлении способа требует наличия общего блока управления. Данный блок может быть выполнен любым известным из уровня техники способом, например, в виде персонального компьютера с соответствующим программным обеспечением, имеющим взаимосвязь со всеми узлами, в частности, с системой (9) управления лопастью, системой управления воздушным потоком, исполнительными механизмами, датчиками ветра и т.д.

Представленные фигуры и описание конструкции не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения в объеме заявляемой формулы. В частности, заявленное техническое решение можно использовать не только в газообразной среде, но и в гидросфере (под водой), с изменениями, не меняющими суть технического решения.

Заявленный способ позволяет достичь снижения материалоемкости конструкции, повышения надежности, а также расширения функциональных возможностей, позволяя использовать ветроэлектростанцию при широком диапазоне силы и направленности ветра.

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для преобразования кинетической энергии ветра в полезную механическую энергию вращения лопастной системы. Лопастная система ветроэлектростанции содержит лопасти, каждая из которых включает раму, жестко закрепленную к валу, и установленные в раме элементы заполнения, выполненные с возможностью перекрывать или открывать с разных сторон от вала область рамы, ограниченную её контуром. Рама каждой лопасти содержит, как минимум, две ячейки, элементы заполнения установлены в ячейки рамы и выполнены с возможностью перекрывать или открывать с разных сторон от вала область рамы, ограниченную её контуром, посредством системы управления лопастью. Лопасти могут быть закреплены как на вертикальном, так и на горизонтальном валу. Элементы заполнения могут быть выполнены в виде пластин, закрепленных с возможностью вращения на осях, установленных в ячейке рамы, таким образом, что с одной стороны вала пластины перекрывают область рамы, ограниченную её контуром, а с другой стороны вала – открывают. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лопастная система ветроэлектростанции, содержащая лопасти, каждая из которых включает раму, жестко закрепленную к валу, и установленные в раме элементы заполнения, выполненные с возможностью перекрывать или открывать с разных сторон от вала область рамы, ограниченную её контуром, отличающаяся тем, что рама каждой лопасти содержит, как минимум, две ячейки, элементы заполнения установлены в ячейки рамы и выполнены с возможностью перекрывать или открывать с разных сторон от вала область рамы, ограниченную её контуром, посредством системы управления лопастью, которая выполнена с возможностью регулирования степени перекрывания ячейки элементом заполнения.

2. Лопастная система ветроэлектростанции по п.1, отличающаяся тем, что лопасти закреплены на вертикальном валу.

3. Лопастная система ветроэлектростанции по п.1, отличающаяся тем, что лопасти закреплены на горизонтальном валу.

4. Лопастная система ветроэлектростанции по п.1, отличающаяся тем, что элементы заполнения выполнены с возможностью перекрывать или открывать область рамы, ограниченную её контуром, полностью или частично.

5. Лопастная система ветроэлектростанции по п.1, отличающаяся тем, что элементы заполнения выполнены в виде пластин, закрепленных с возможностью вращения на осях, установленных в ячейке рамы, таким образом, что с одной стороны вала пластины перекрывают область рамы, ограниченную её контуром, а с другой стороны вала – открывают.

6. Лопастная система ветроэлектростанции по п.1, отличающаяся тем, что элементы заполнения выполнены в виде шторки, таким образом, что с одной стороны вала шторка перекрывает область рамы, ограниченную её контуром, а с другой стороны вала шторка смещается к одной из сторон ячейки рамы и открывает область рамы, ограниченную её контуром.

7. Лопастная система ветроэлектростанции по п.1, отличающаяся тем, что элементы заполнения выполнены в виде пластин, закрепленных к одной из сторон ячейки рамы с помощью параллелограммного механизма, таким образом, что с одной стороны вала механизм раздвигается и пластины перекрывают область рамы, ограниченную её контуром, а с другой стороны вала – механизм сдвигается и пластины открывают область рамы, ограниченную её контуром.

8. Лопастная система ветроэлектростанции по п.1, отличающаяся тем, что система управления лопастью включает исполнительный механизм, выполненный с возможностью конструктивного соединения с элементом заполнения.