Мобильная ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения Российский патент 2021 года по МПК F03D3/00 F03D9/32 F03D13/20 

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам и предназначено для преобразования кинетической энергии потоков воздуха с небольшими скоростями в электроэнергию для снабжения предприятий преимущественно сельского хозяйства и малого бизнеса, расположенных в труднодоступных и удаленных районах.

Известен стационарный ветродвигатель, содержащий ветровую турбину с вертикальной осью вращения, образованную из плоских профилированных осесимметричных лопастей, соединенных верхней и нижней круглыми крышками и расположенных внутри направляющей системы в виде неподвижных осесимметричных направляющих вертикальных створок, равномерно расположенных и закрепленных верхней и нижней крышками. Лопасти образованы наружной, средней и внутренней сторонами с соотношением сторон по ширине, соответственно, 1:5:10-1:5:20. Средняя и наружная стороны каждой лопасти загнуты в направлении вертикальной оси вращения турбины под углом, соответственно, 130-150° и 90-135°. Четные лопасти размещены с зазором относительно оси вращения, а нечетные лопасти установлены вплотную к оси вращения(патент RU 2399789, МПК F03D 3/04 (2006.01)).

Основными недостатками данного ветродвигателя являются пониженная эффективность работы и не высокий коэффициент полезного действия вследствие низкого использования воздушного потока, обусловленного плоской формой лопастей, а также отсутствие возможности передвижения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является стационарная ветроэнергетическая установка малой мощности с вертикальной осью вращения для преобразования энергии ветра в электроэнергию, содержащее ветроколесо с лопастями сложной криволинейной конструкции, то есть ротор Дарье, по типу пропеллера самолета или вертолета, которое преобразует энергию ветра в энергию вращения вала, Ветроколесо связано с трубой - мачтой, проходящей в закрытый объем, в котором расположен редуктор, соединенный муфтами с валом и генератором, связанным с сетью потребителей электроэнергии (Безруких П.П. Что может дать энергия ветра: ответы на 33 вопроса / П.П. Безруких, П.П. Безруких (мл.). - М.: НИЦ Инженер, 1998. - С. 6, 8, рис. 2).

Основными недостатками ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения являются отсутствие возможности передвижения и повышенная трудоемкость изготовления вследствие сложной конструкции ротора Дарье, так как он производится только в специализированных авиационных предприятиях.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании мобильной ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения, обеспечивающей передвижение для работы в потоке воздуха, при пониженной трудоемкости изготовления.

Решение этой технической проблемы достигается тем, что в мобильной ветроэнергетической установке с вертикальной осью вращения, содержащей ветроколесо с лопастями, связанное с трубой - мачтой, проходящей в закрытый объем, в котором расположен редуктор, соединенный муфтами с валом и генератором, связанным с сетью потребителей электроэнергии, согласно изобретению ветроколесо выполнено шестигранным и образовано ступицей, закрытой сверху колпаком, с двумя фланцами, к которым жестко присоединены шесть спиц рамной конструкции из труб, каждая из которых исполнена из трех одинаковых секций. К краям спиц жестко прикреплен обод из двенадцати труб. В крайних в сторону обода секциях спиц жестко закреплены шесть плоских лопастей в виде пустотелых полуцилиндров. Ступица установлена с возможностью вращения и соединена неподвижно своим верхом с валом, размещенным внутри составной по высоте трубы-мачты. Труба - мачта установлена опирающейся на П-образный элемент с косозубыми шестернями, предназначенный для передачи вращения через первую муфту редуктору, а через вторую муфту - генератору, и снабжена плоским шарниром, размещенным выше закрытого объема, для обеспечения поворота и подъема собранного ветроколеса в вертикальное положение. Установка выполнена с возможностью перемещения и оснащена трубой для подъема ветроколеса с лопастями в вертикальное положение, причем в верхней части трубы установлен с возможностью поворота блок с тросом, одним концом соединенным с проушиной, прикрепленной к трубе-мачте, и другим концом соединенным с лебедкой, закрепленной в грунте, а ниже проушины трубы - мачты закреплены тросовые опоры, соединенные с анкерами, зафиксированными в грунте.

Передвижение ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения для работы в потоке воздуха объясняется тем, что закрытый объемом установки снабжен колесами, что обеспечивает возможность ее перемещения, а также простотой сборки и подъема ветроколеса с лопастями в вертикальное положение.

Уменьшение трудоемкости изготовления мобильной ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения объясняется выполнением плоских лопастей в виде пустотелых цилиндров.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена мобильная ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения, продольный разрез; на фиг. 2 представлен план привода, вид сверху; на фиг. 3 - план ветроколеса; на фиг. 4 изображена аксонометрия ветроколеса; на фиг. 5 - ступица ветроколеса.

Мобильная ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения, содержит ветроколесо 1 с лопастями 2, вал 3, проходящий внутри составной по высоте трубы-мачты 4, связанной с ветроколесом 1 и проходящей с валом 3 в закрытый объем 5, внутри которого расположен редуктор 6, соединенный муфтами 7 с валом 3 и генератором 8, соединяющимся с сетью потребителей электроэнергии (не показано). Закрытый объем 5 снабжен колесами 9, что обеспечивает возможность перемещения установки.

Ветроколесо 1 выполнено шестигранным и образовано ступицей 10 с двумя фланцами 11 по краям, к которым жестко присоединены, например, болтами, шесть спиц 12 рамной конструкции из труб, имеющие по три одинаковые секции. Края спиц 12 жестко соединены, например, болтами, к которым прикреплен обод 13 из двенадцати труб. В крайних в сторону обода секциях спиц 12 жестко закреплены, например, болтами, шесть плоских лопастей 2 в виде пустотелых полуцилиндров. Ступица 10 установлена с возможностью вращения на двух подшипниках 14, один из которых опорный, и соединена неподвижно своим верхом с валом 3.

Труба-мачта 4 с валом 3 установлена опирающейся на П-образный элемент 15 с косозубыми шестернями 16, предназначенный для передачи вращения через одну из муфт 7 редуктору 6, а через другую из муфт 7 - генератору 8.В трубу-мачту 4 встроен выше закрытого объема 5 плоский шарнир 17 для обеспечения поворота и подъема собранного ветроколеса 1 в вертикальное положение.

Установка также оснащена трубой 18 для подъема ветроколеса 1 с лопастями 2 в вертикальное положение. В верхней части трубы 18 установлен с возможностью поворота блок 19 с тросом 20, одним концом соединенным с проушиной 21, прикрепленной к трубе-мачте 4, и другим концом соединенным с лебедкой 22, закрепленной в грунте 23. Ниже проушины 21 трубы - мачты 4 закреплены тросовые опоры 24, соединенные с анкерами 25, зафиксированными в грунте 23.

Таким образом, подъем собранного ветроколеса 1 в вертикальное положение осуществляется посредством плоского шарнира 17 трубы-мачты 4 и трубы 18 с лебедкой 22.

Ступица 10 сверху закрыта колпаком 26.

Мобильная ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения работает следующим образом.

После транспортировки закрытого объема 5 на колесах 9 мобильной ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения на место эксплуатации осуществляется сборка в следующей последовательности: на крыше закрытого объема 5 устанавливается труба 18 с блоком 19 с возможностью поворота, устанавливается горизонтально с помощью шарнира 17 труба-мачта 4. К проушине 21 крепится трос 20, проходящий через блок 19 и соединенный с лебедкой 22. На трубу-мачту 4, расположенную горизонтально, надевается ступица 10 на подшипники 14. К двум фланцам 11 ступицы 10 с обоих сторон на болтах крепятся спицы 12 рамной конструкции из труб - шесть штук. Каждая спица имеет 3 равных секции. К крайней секции каждой спицы 12 на шести болтах крепятся лопасть 2 пустотелой полуцилиндрической формы из тонкого металла. По периметру ветроколеса 1 крепится обод 13 из двенадцати труб. Таким образом ветроколесо 1 имеет шесть граней. После полной сборки ветроколеса 1 поднимается труба-мачта 4 с проушиной 21 с помощью трубы 18, блока 19, троса 20 и лебедки 22 в вертикальное положение. Труба-мачта 4 закрепляется в верхней части с помощью тросовых опор 24, которые закреплены анкерами 25 в грунте 23. Вал 3 в верхней своей части закреплен неподвижно болтами со ступицей 12 и накрыт колпаком 26, который защищает подшипники 14 от атмосферных осадков.

Ветер дует на пустотелые полуцилиндрические лопасти 2, и при обтекании их выпуклой и вогнутой части разница в силовом воздействии при обтекании выпуклой части в 4 раза меньше, чем вогнутой. За счет этого при любом направлении ветра создается вращающий момент, который через спицы 12 передается на ступицу 10, а через нее на вал 3, который проходит в трубе-мачте 4 и опирается на П-образный элемент 15, имеющий косозубые шестерни 16. Вращение косозубых шестерен 16 передается с помощью одной из муфт 7 на редуктор 6, а с помощью другой из муфт 7 - на генератор 8, связанный с сетью потребителей электроэнергии.

Мобильная ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения предназначена для преобразования кинетической энергии потоков воздуха с небольшими скоростями в электроэнергию для снабжения предприятий преимущественно сельского хозяйства и малого бизнеса, расположенных в труднодоступных и удаленных районах. Установка содержит шестигранное ветроколесо с лопастями, связанное с трубой-мачтой, проходящей в закрытый объем, в котором расположен редуктор, соединенный муфтами с валом и генератором, связанным с сетью потребителей электроэнергии. Ветроколесо образовано ступицей, закрытой сверху колпаком, с двумя фланцами, к которым жестко присоединены шесть спиц рамной конструкции из труб, каждая из которых исполнена из трех одинаковых секций. К краям спиц жестко прикреплен обод из двенадцати труб. В крайних в сторону обода секциях спиц жестко закреплены шесть плоских лопастей в виде пустотелых полуцилиндров. Ступица установлена с возможностью вращения и соединена неподвижно своим верхом с валом, размещенным внутри составной по высоте трубы-мачты. При этом труба-мачта установлена опирающейся на П-образный элемент с косозубыми шестернями, предназначенный для передачи вращения через первую муфту редуктору, а через вторую муфту - генератору, и снабжена плоским шарниром, размещенным выше закрытого объема, для обеспечения поворота и подъема собранного ветроколеса в вертикальное положение. Установка выполнена с возможностью перемещения и оснащена трубой для подъема ветроколеса с лопастями в вертикальное положение, причем в верхней части трубы установлен с возможностью поворота блок с тросом, одним концом соединенным с проушиной, прикрепленной к трубе-мачте, и другим концом соединенным с лебедкой, закрепленной в грунте. Ниже проушины трубы-мачты закреплены тросовые опоры, соединенные с анкерами, зафиксированными в грунте. Техническим результатом является обеспечение передвижения установки для работы в потоке воздуха при пониженной трудоемкости изготовления. 5 ил.

Мобильная ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения, содержащая ветроколесо с лопастями, связанное с трубой-мачтой, проходящей в закрытый объем, в котором расположен редуктор, соединенный муфтами с валом и генератором, связанным с сетью потребителей электроэнергии, отличающаяся тем, что ветроколесо выполнено шестигранным и образовано ступицей, закрытой сверху колпаком, с двумя фланцами, к которым жестко присоединены шесть спиц рамной конструкции из труб, каждая из которых исполнена из трех одинаковых секций, к краям спиц жестко прикреплен обод из двенадцати труб, в крайних в сторону обода секциях спиц жестко закреплены шесть плоских лопастей в виде пустотелых полуцилиндров, а ступица установлена с возможностью вращения и соединена неподвижно своим верхом с валом, размещенным внутри составной по высоте трубы-мачты, при этом труба-мачта установлена опирающейся на П-образный элемент с косозубыми шестернями, предназначенный для передачи вращения через первую муфту редуктору, а через вторую муфту - генератору, и снабжена плоским шарниром, размещенным выше закрытого объема, для обеспечения поворота и подъема собранного ветроколеса в вертикальное положение, установка выполнена с возможностью перемещения и оснащена трубой для подъема ветроколеса с лопастями в вертикальное положение, причем в верхней части трубы установлен с возможностью поворота блок с тросом, одним концом соединенным с проушиной, прикрепленной к трубе-мачте, и другим концом соединенным с лебедкой, закрепленной в грунте, а ниже проушины трубы-мачты закреплены тросовые опоры, соединенные с анкерами, зафиксированными в грунте.