ВЕТРОСОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2023 года по МПК F03D3/04 H02S10/12 

Заявленное техническое решение относится к комбинированным ветросолнечным энергетическим установкам и может использоваться для получения энергии на бытовом уровне и в походных условиях.

Проблема современных ветро- и солнечных генераторов энергии заключается в том, что все современные ветряки и солнечные панели основываются на разработках более чем столетней давности. Ветряки вообще стали известны в Европе (Южная Испания) в XII веке. С тех пор они никак принципиально не изменились. Повысился КПД (точнее, коэффициент использования энергии ветра (киэв)), вплотную приблизившись к теоретическому пределу 0,5926. Но, правда, в процессе эксплуатации высокоэффективных ветроустановок выяснилось, что они крайне шумны и производят опасный уровень вибрации. Поэтому наиболее эффективные (и наиболее шумные и вибронагруженные) одно- и двухлопастные установки запрещены к эксплуатации. У наиболее употребимых трехлопастных ветряков среднегодовой киэв, как правило, находится на уровне 0,24-0,28, что ненамного превышает аналогичный показатель ветряков XIX и даже XVIII веков. Чтобы довести среднегодовой показатель эффективности преобразования энергии ветра до приемлемых показателей, ветряки все чаще выносят на шельфовые участки морей. Таким образом, среднегодовой киэв удается довести до 0,31.

С другой стороны, в настоящее время все большее применение находят солнечные панели. Их ассортимент очень велик, как по цене, где можно найти очень дешевые «китайские» солнечные панели, так и крайне дорогие «американские» и «японские» (в кавычках названия написаны потому, что все они, за редким исключением, производятся именно в Китае). Причем, по основной своей характеристике - КПД преобразования энергии Солнца в электрическую, все они находятся примерно на одном уровне, имея различия в пределах статистической погрешности 15%-22%.

Поскольку современные солнечные панели изготавливаются на огромных предприятиях партиями по много миллионов квадратных метров, то в настоящее время их цена на рынке установилась на уровне примерно $0,8 за Ватт номинальной мощности.

Логично было бы дополнить ветряк солнечной панелью и за небольшую прибавку по цене получить существенную (почти на треть) прибавку в мощности и стабильности в работе. Но простой монтаж солнечной панели на ветряк приводит лишь к увеличению ометаемой площади и, соответственно, к уменьшению удельной эффективности комплексированной установки: ветряк 1 м² мощностью 300 Ватт + солнечная панель 1 м² мощностью 150 Ватт = 2 м² мощностью 450 Ватт, или 1 м² мощностью 225 Ватт.

При этом конструктивно происходит объединение недостатков: остается сильно шумящий и вибрирующий ветряк, для ветряка и солнечной панели нужны отдельные инверторы и АКБ, то есть, на выходе мы получаем практически вдвое более дорогостоящую установку при незначительном повышении мощности. Но, правда, резко возрастает надежность и стабильность работы.

Известны различные ветроэнергетические установки гражданского назначения.

Ветроэнергетические установки «Винд-Ротор» (ОАО «НИИМЕСТПРОМ» г.Нижний Новгород) малой и средней мощности для гражданского назначения - это ветроэнергетические установки роторного типа. Они предназначены для преобразования кинетической энергии ветра во вращательное движение ротора с последующей выработкой генератором электрической энергии, которая используется для электроснабжения индивидуальных жилых домов, коттеджей, небольших сельских муниципальных образований, дачных поселков, крестьянско-фермерских хозяйств и других потребителей, подключение которых к системам централизованного электроснабжения невозможно или очень дорого.

Известен вертикальный ветрогенератор LT 1500 (Компания «Светлый город»), имеющий 2 ряда лопастей с эффектом турбирования. Предназначен для преобразования механической энергии ветра в электрическую. Диапазон высоты рекомендуемой мачты 3-10 м. Ветрогенератор может быть укомплектован контроллером заряда батарей с номинальным выходным напряжением 12/24/48 В.

Также известна модель ветрогенератора «ВЭУ-Исток 800-1», которая была одной из первых роторных вертикально-осевых установок. В действительности, ее малая габаритность, по сравнению с другими моделями, и небольшая ометаемая площадь показали достойные результаты на этапе тестовых запусков.

Известны ветро-солнечные установки AeroGreen (http://aerogreen.info/). Ветро-солнечная установка состоит из верхнего обтекателя, электрогенератора, кольцевого обтекателя, аэродинамической турбины. Аэродинамическая турбина состоит из двух многолопастных ветроколес, одно из которых неподвижно и предназначено для направления воздушного потока, выполненных по схеме осевой турбины современного авиадвигателя из легких композитных материалов для преобразования воздушного потока в крутящий момент.

Данная ветроустановка не требует ориентации на ветер, выполнена по современным турбинным технологиям из легких композитных материалов, работающая в широком скоростном диапазоне ветров (3-50 м/с).

Верхний обтекатель с гибкими солнечными батареями (элементами) предназначен для защиты аэродинамической турбины от неблагоприятных атмосферных воздействий и создания зоны разрежения для организации направленного движения воздушного потока. Гибкие фотоэлементы позволяют преобразовать солнечную энергию в электричество.

Основное преимущество ветроустановки AeroGreen состоит в том, что при сопоставимой с традиционными установками цене изготовления, эффективность использования ветра в 2 раза выше, чем у аналогичных традиционных конструкций, что подтверждено сравнительными лабораторными испытаниями.

Электрогенератор на постоянных магнитах предназначен для высокоэффективного преобразования крутящего момента, создаваемого аэродинамической турбиной в электрическую энергию.

Для установки AeroGreen отсутствует необходимость ориентации на ветер. Традиционные установки либо направлены в одну сторону, откуда преимущественно дует ветер, либо оснащены системой слежения за ветром, которая или очень дорогая электронная или механическая, которая снижает коэффициент использования ветра, поскольку эффективно и своевременно следить за ветром не может.

Есть и аналогичные установки, которым также не важно, с какой стороны дует ветер - но их КПД более чем в 2 раза меньше традиционных.

Кольцевой обтекатель и корпус с направляющими плоскостями предназначен для защиты аэродинамической турбины от неблагоприятных атмосферных воздействий и обеспечения ускорения и организации разнонаправленного порывистого ветра для устойчивой работы ветроколеса.

Установка имеет низкую скорость страгивания (от 1 м/с). При отрицательных температурах, благодаря закрытой конструкции отсутствует обледенение при эксплуатации в условиях снегопада, мокрого снега.

При ураганных ветрах у установки AeroGreen наблюдается повышение эффективности, в то время, когда традиционные конструкции либо «складываются» и перестают работать, во избежание разлома всей конструкции, либо используют специальные дорогостоящие системы торможения. Особенности конструкции позволяют практически полностью избавится от шумов, благодаря использованию высокооборотистой турбины (шум при работе характерен для лопастных ветроустановок).

Известны вертикальные ветровые турбины VAWT (США). Ветряные турбины Vertical Axis Wind Turbines производства США (https://wiki5.ru/wiki/Vertical_axis_wind_turbine) в настоящий день считаются самыми лучшими в мире вертикальными ветрогенераторами. Мощность турбин для коммерческой или частной эксплуатации в воздушной или водной среде варьируется от 2,5 кВ до 250 кВ.

Они эффективны в работе в условиях низкой скорости ветра или течения воды, там, где традиционные системы неэффективны или не работают вообще.

Турбины спроектированы для условий тяжелого климата. Электропроводка рассчитана на работу в условиях арктического климата. Подшипники предназначены для работы в любых условиях, и способны работать при полном обледенении лопастей, а сами лопасти способны выдерживать удары градин размером с мяч для гольфа. Поверхность турбины полностью покрывается защитным слоем.

Вертикальные ветровые турбины на постоянных магнитах с эффектом левитации практически не нуждаются в техобслуживании, так как имеет только 2 движущиеся части с 15 летним сроком эксплуатации (закрытые подшипники). Установка способна работать в любых тяжелых климатических условиях от арктического побережья до экваториального пояса и регионов с высоким содержанием соли в воздухе, без снижения эффективности. Все части турбины выполнены из авиационного алюминия 2024 и нержавеющей стали 316 и покрыты специальным порошковым защитным слоем.

Чтобы достичь заявленной мощности, установка должна компоноваться экранами-уловителями ветра. Ветровая энергия определяется массой улавливаемого слоя воздуха. Чтобы добиться большего КПД или большей скорости ветра, установку необходимо компоновать экранами-уловителями ветра. Например, 0,5 кВА установка при силе ветра 10,72 м/с, выдаст только около 100 Ватт энергии, тогда как с экранами-уловителями мощность достигает заявленной.

Известна установка башенного типа компании ODIN Energy (Корея), также работающая по принципу ветросолнечной генерации электроэнергии. Система направляющих установки позволяет существенно увеличить коэффициент использования ветра по сравнению с существующими ветротурбинами с вертикальной осью вращения за счет преобразования турбулентного потока в ламинарный, также за счет увеличения скорости ветрового потока и применения эффекта Venturi.

Все известные системы генерации имеют низкую эффективность использования энергии ветра, выполнены в различных вариациях турбины Савониуса (теоретический киэв ξ - 0,18), кроме системы Aerogreen.

Никто из производителей не дает значений ξ свой установки, указывая лишь на то, что их установка «вдвое-втрое эффективнее, чем другие».

Также все известные системы генерации имеют высокую материалоемкость - порядка 500 кг на 1 кВт номинальной мощности, при этом WR-1 - 2000 кг на 1 кВт, имеют низкую удельную мощность 100-150 Вт на м² ометаемой площади при скоростях ветра выше 10 м/сек. Наименьшее значение показывает WR-1 - 20 Вт, наибольшее LT-1500 (230 Вт).

Эти обстоятельства приводят к высокой себестоимости производимой ими электроэнергии.

В настоящее время в мировом эксплуатируемом парке ветроэнергетических установок традиционные горизонтально-осевые установки (ГО ВЭУ) составляют подавляющее большинство, а их серийным выпуском занимаются сотни предприятий. Отставание в освоении вертикально-осевых ВЭУ (ВО ВЭУ) вызвано несколькими причинами. Во-первых, вертикально-осевые ВЭУ были изобретены только в XX веке (ротор Савониуса - в 1929 г., ротор Дарье - в 1931 г., ротор Масгроува - в 1975 г.). Во-вторых, до недавнего времени считалось, что предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально-осевых ВЭУ ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных. Правда, как показывают результаты современных исследований и опыта эксплуатации, киэв как горизонтально-осевых, так и вертикально-осевых находится примерно в одном диапазоне: для горизонтально-осевых ВЭУ 0,25-0,47, для вертикально-осевых 0,09-0,48.

При этом у ВО ВЭУ имеются очевидные недостатки, о которых все знают, но мирятся как с неустранимой необходимостью. В них практически невозможно эффективно ориентировать ветроколесо при изменении направления ветра из-за запаздывания действия механизмов ориентации. Для ветроустановок средней и большой мощности с диаметром ветроколеса более 30-40 м эффективность его ориентации на ветер снижается вследствие некомпланарности и различия в скоростях ветрового потока по длине размаха лопастей, что приводит к невозможности установки ветроколеса в оптимальное направление ориентации. По этой причине снижаются выработка электроэнергии (вследствие уменьшения используемой энергии ветрового потока) и экономическая эффективность ветроустановки. К конструктивным недостаткам можно отнести то, что система ориентации разрывает жесткую связь между гондолой (корпусом ветроагрегата) и опорной башней горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ, чем обусловливаются появление автоколебаний и различие в частотных характеристиках подвижной и неподвижной частей конструкции, что в конечном счете снижает надежность и увеличивает амортизационные издержки.

Эффективность же работы вертикально осевых ВЭУ принципиально не зависит от направления ветра, в связи с чем отпадает необходимость в механизмах и системах ориентации на ветер. Неравенство характеристик ветрового потока по высоте приводит лишь к некоторому выравниванию моментов поворота, снимаемых с лопастей.

Все сечения лопасти горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ находятся в разных энергетических состояниях по причине различия окружных скоростей и углов атаки. Это различие значительно снижается благодаря скрутке сечений лопасти относительно друг друга. Особенности инерционного нагружения лопасти приводят к необходимости сужения профиля к концу лопасти. Таким образом, пропеллерная лопасть конструктивно представляется значительно более сложной, чем прямая, а особенно симметричная относительно хордовой плоскости лопасть ВО ВЭУ.

Поворот лопастей горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ отработан и используется не только как средство торможения ветроколеса (наряду с обычным фрикционным), но главным образом как средство поиска оптимального угла установки лопасти для удержания ветроколеса на предельно возможном числе оборотов во избежание выхода его вразнос. Применение системы поворота лопастей значительно усложняет конструкцию ВЭУ, так как при этом нужны и система непрерывного слежения за числом оборотов, и поворотные устройства с приводами для каждой лопасти, и система автоматического управления углами поворота лопастей.

Следующая проблема ВО ВЭУ всем известна и заключается в сильном шуме, который они издают при работе. Он появляется в связи с давлением и трением набегающего ветрового потока об элементы ВЭУ, в основном лопасти, траверсы, стяжки. При этом каждая лопасть и траверса испытывает знакопеременную нагрузку, за счет чего может генерироваться и механический шум различных частот.

Среди наиболее опасных - ультразвук и инфразвук.

Аэродинамический ультразвук может генерироваться малыми и/или тонкими элементами ВЭУ, например, тросовыми растяжками, кронштейнами, стяжками, фиксаторами болтовых соединений, фрагментами высохших тел насекомых, бьющихся о лопасти крыльчатки и т.д.

Аэродинамический инфразвук появляется за счет срыва потока с лопастей, турбулентности ветрового потока за ВЭУ. Этот вид шума, кстати, принципиально не может возникнуть у вертикально-осевых установок. Механический инфразвук образуется в процессе появления соответствующих гармоник при работе вращающихся частей ступицы ветроустановки за счет неидеальности трущихся поверхностей, явных и скрытых дефектов и дисбалансов.

В целом шумовое загрязнение у современных ВО ВЭУ таково, что для борьбы с ним приходится идти на сознательное снижение эффективности использования энергии ветра до 0,24. Запрещена промышленная эксплуатация одно- и двухлопастных ВЭУ, хотя они наиболее эффективны и обеспечивают максимальные значения быстроходности.

Поэтому очевиден непрерывный рост интереса к вертикально-осевым ветроэнергетическим установкам, что отразилось, например, в реализации, как минимум, четырех основных методов их разработки, позволяющих создавать конструкции, наиболее полно соответствующих условиям их преимущественной эксплуатации.

Ветровой агрегат (ВА) ветросолнечной энергетической установки (ВСЭУ) состоит из следующих устройств:

1) Направляющий аппарат

2) Ротор

Направляющий аппарат состоит из верхней и нижней опор, и неподвижных лопастей.

Верхнее и нижнее основание могут быть как монолитными, сплошными и закрытыми, так и открытыми, составными. По центру оснований установлены наплывы, в которых располагаются подшипники: верхний - качения, нижний - качения, упорный.

По радиусу ротора на нижнем основании могут быть установлены подпятники, выполненные либо как подшипники скольжения, либо качения.

К нижнему основанию крепятся установочные устройства.

К нижнему основанию ВСЭУ крепится юбка, в которой находится блок регулировочно-преобразовательного оборудования и АКБ. К юбке крепятся установочные устройства.

Ротор состоит из верхней и нижней опор (сплошных, монолитных для маломощных ВСЭУ, либо составных для более мощных), а также лопастей ротора.

Основания по центру содержат ось, которая устанавливаются в подшипники. Ось также содержит ответные места для установки шкива, зубчатых колес, либо фрикционной передачи.

В патентной литературе также известны электростанции, в которых ветрогенераторы и солнечные панели объединены в одном устройстве, в том числе, использующих солнечные панели в качестве направляющих ветер створок (например, KR 20130062662, KR 20120080155, JP 2014169671), вообще известны. Такое комбинирование позволяет повысить эффективность электростанции в условиях слабых, порывистых ветров и слабого солнечного освещения.

Известен ветродвигатель с вертикальной осью вращения (RU 2550993), содержащий ветровую турбину с лопастями S-образной формы, снабженный каркасом в виде многоугольной призмы с поворотными ветронаправляющими экранами. Ветронаправляющие экраны установлены на каждой стороне многоугольной призмы с возможностью обеспечения плавного перетекания воздуха с них на лопасти S-образной формы ветровой турбины. Ветродвигатель выполнен в виде башни. Ветронаправляющие экраны выполнены поворотными с углом поворота от 0 до 90° с возможностью выполнения функции жалюзи и прикрытия каждой стороны каркаса. S-образные лопасти характеризуются низкой скоростью и производительностью.

Известна фотоветровая автономная электростанция (RU 188712) с вертикально-осевым ротором на магнитных подвесах и концентратором ветрового потока. Вертикально-осевой ротор ветрового электрогенератора вращается внутри концентратора ветрового потока, представляющего собой жесткие вертикальные пластины. Фотоветровая автономная электростанция оснащается мультипликатором, обеспечивающим оптимальную передачу крутящего момента с вала ротора на вал электрогенератора. Солнечные панели размещены на одной стороне каждой из плоских направляющих поверхностей вертикальных пластин концентратора ветрового потока, а оборотные стороны направляющих поверхностей вертикальных пластин концентратора ветрового потока изготавливаются из светоотражающих материалов. Вертикально-осевой ротор электростанции опирается на магнитные подвесы, представляющие собой взаимно отталкивающиеся постоянные магниты, выполненные в форме дисков с отверстием посередине каждого диска для прикрепления дисков к валу вертикально-осевого ротора. Инвертор обеспечивает стабильные характеристики электроэнергии, направляемой потребителю от блока аккумуляторов. Использование одного асинхронного генератора на магнитных подвесах с демультипликатором имеет недостаток: создается дополнительный шум, увеличивается момент трогания ротора. Жесткие вертикальные пластины имеют с одной из сторон светоотражающие поверхности, с другой солнечные панели. Недостатком конструкции является недостаточная эффективность работы светоотражающих поверхностей в условиях возможного загрязнения, налипания снега, что в свою очередь снижает эффективность работы всего блока солнечных модулей.

Известна фотоветровая электростанция (патент RU 193683, опубл.: 11.11.2019) содержащая каркас, на котором установлены по-меньшей мере два вертикально-осевых ротора с лопастями один над другим, направляющие поток ветра жесткие солнечные панели, каждый ротор соединен с генератором.

Известные аналоги, имеют те же технические проблемы, что присущи вышеописанным промышленным установкам, поскольку они также выполнены по принципу системы Савониуса.

Наиболее близким аналогом является ветрогелиоэнергетическая установка (патент RU 148242 U, опубл.: 27.11.2014) содержащая платформу, на которой в подшипниковой опоре установлен вертикальный вал, сообщающийся с ротором электрогенератора и солнечные батареи, размещенные сверху, отличающаяся тем, что на вертикальном валу жестко закреплена неподвижная аэродинамическая конструкция, содержащая вертикально установленные панели, на которых размещены солнечные батареи, электрические выходы которых параллельно соединены с обмоткой ротора электрогенератора и блоком преобразования напряжения, к которому также подключена обмотка стартера электрогенератора.

Прототип частично усиливает эффективность установок системы Савониуса, но и имеет свои технические проблемы.

Так, прототип решает задачу возможности работы установки вне зависимости от направления ветра.

Но в прототипе не решена проблема отвода воздушных масс сверху и снизу ротора, в результате чего возникающие в роторе завихрения тормозят набегающие потоки воздуха ветра, что ограничивает возможность работы установки при малых потоках ветра. Кроме того, солнечные панели используются не эффективно.

Задачей настоящего решения является создание усовершенствованной ВСЭУ, в которой минимизированы недостатки известных ВСЭУ, работающих на основе системы Савониуса и улучшена конструкция прототипа.

Техническим результатом настоящего решения является расширение арсенала технических средств ВСЭУ. Также, техническим результатом является портативность и малый вес установки, возможность использования на бытовом уровне. Кроме того, техническим результатом является возможность работы установки при малых потоках ветра вне зависимости от его направления.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что заявлена ветросолнечная энергетическая установка, содержащая каркас, на котором установлен вертикально-осевой ротор с лопастями, направляющие поток ветра жесткие солнечные панели, где ротор соединен с генератором, отличающаяся тем, что вокруг лопастей ротора установлены лопатки направляющего аппарата вдоль квадратных элементов верхней и нижней опор, образующие вместе каркас, при этом лопасти ротора закреплены сверху и снизу на кольцевых опорах, каждая из которых соединена с осью вращения ротора горизонтально расположенными лопастями, где в нижней кольцевой опоре лопасти ориентированы направлением воздушного потока вниз, а в верхней кольцевой опоре лопасти ориентированы направлением воздушного потока вверх, между верхней и нижней кольцевыми опорами на оси закреплены по меньшей мере две вертикально расположенные лопасти, закрепленные вверху и внизу с опорными пластинами, а каждая опорная пластина в центре соединена с осью вращения ротора, кроме того, лопатки направляющего аппарата также установлены в верхней части ротора над верхней кольцевой опорной пластиной и ориентированы под уклоном к ней.

Допустимо, что нижняя опорная пластина в центре соединена с ось вращения ротора через муфту свободного хода.

Предпочтительно, под верхней и над нижней кольцевой опорами закреплены по меньшей мере две вертикально ориентированные лопасти, закрепленные к горизонтально расположенным лопастям, соединенным с ось вращения ротора.

Предпочтительно, лопатки направляющего аппарата также установлены в верхней части ротора над верхней кольцевой опорой и ориентированы под уклоном к ней.

Предпочтительно, солнечные панели расположены на лопатках направляющего аппарата.

Предпочтительно, все кольцевые опорные элементы выполнены прозрачными.

Предпочтительно, лопатки направляющего аппарата на краях содержат присоски, которыми закреплены к верхней и нижней опорам.

Осуществление изобретения

Ветросолнечная энергетическая установка состоит из каркаса, на котором установлен вертикально-осевой ротор с лопастями, направляющие поток ветра жесткие солнечные панели, где ротор соединен с генератором.

Новым является то, что вокруг лопастей ротора установлены лопатки направляющего аппарата вдоль квадратных элементов верхней и нижней опор, образующие вместе каркас.

Лопатки направляющего аппарата 5 (см. Фиг. 7), размещенные вдоль квадратных элементов 4.1 и 4.2 верхней и нижней опор, соответственно, обеспечивают забор и формирование потоков воздушных масс вокруг лопастей ротора 9 таким образом, что формируется перекресток воздушных масс, в котором перетоки воздуха возникают всегда вне зависимости от направления ветра.

Наглядно направления движения потоков, возникающих от лопастей направляющего аппарата, показаны на Фиг. 1, в сравнении с потоками воздуха, которые возникают на установке системы Савониуса.

Из схемы Фиг. 1 видно, что рабочий сектор 2 заявленной установки (Фиг. 1(Б)) благодаря лопаткам направляющего аппарата 5 существенно больше, чем рабочий сектор 2 в обычной установке системы Савониуса (Фиг. 1(А)).

При этом сектор торможения потока 3 заявленной установки (Фиг. 1(Б)) благодаря лопаткам направляющего аппарата 5 существенно меньше, чем рабочий сектор 2 в обычной установке системы Савониуса (Фиг. 1(А)).

Это возникает из-за того, что потоки воздуха 1, заходя за боковые стороны квадратного каркаса 4, попадают на лопатки направляющего аппарата 5 и заводятся в направлении лопастей ротора.

Между тем, в обычной установке системы Савониуса (Фиг. 1(А)) такого захода не возникает и потому рабочий сектор узок, а сектор торможения большой. Вот почему заявленная установка благодаря квадратной форме каркаса 4, которую образуют квадратные верхние и нижние опоры вместе с лопатками направляющего аппарата 5, имеет большую эффективность использования воздушных потоков воздуха 1, чем обычная установка системы Савониуса (Фиг. 1(А)), что позволяет заявленную установку использовать при малых потоках ветра.

Следует понимать, что направление потока ветра не влияет на создаваемый заявленной установкой эффект, поскольку она симметричная.

Если же поток ветра дует косо, например, как показано на Фиг. 2, то эффект использования воздушных потоков, как можно видеть из Фиг. 2, точно такой же.

Основной проблемой современных систем Савониуса является вывод воздушных масс из зоны вращения ротора, где они создают завихрения и мешают вновь поступающему потоку эффективно давить на лопасти. В результате, при малых потоках ветра система Савониуса не работает.

Данную проблему решает система горизонтально расположенных лопастей 7 (см. Фиг. 14), установленная на кольцевой опоре 6, центр которой совпадает с осью вращения 8 ротора. Данная система в заявленной установке применена инвертно.

За счет того (см. Фиг. 6), что лопасти ротора закреплены сверху и снизу на кольцевых опорах 6.1 и 6.2, соответственно, каждая из которых соединена с осью вращения ротора горизонтально расположенными лопастями 7.1 и 7.2, соответственно, причем в нижней кольцевой опоре 6.2 лопасти 7.2 ориентированы направлением воздушного потока вниз, а в верхней кольцевой опоре 6.1 лопасти 7.1 ориентированы направлением воздушного потока вверх, обеспечивается за счет вращения горизонтально ориентированных лопастей 7.1 и 7.2 принудительный отвод воздушных масс в верхней части вверх ротора, а в нижней части - вниз ротора (см. схему направления потоков на Фиг. 3). Это обеспечивает возможность работы установки при малых потоках ветра, поскольку принудительный отвод воздушных масс вверх и вниз ротора создает дополнительную тягу воздуха на лопасти и давление воздуха на последние больше, нежели в обычных установках системы Савониуса.

Для стартового раскручивания ротора, которое обеспечивает вышеуказанный принудительный поток воздуха вверх и вниз ротора, могут применяться дополнительные лопасти системы Дарье, которые на малых ветрогенераторах могут выполняться сверху (элементы 20.1) и снизу (элементы 20.2) (см. Фиг. 4).

Более эффективно при использовании только пары лопастей системы Дарье располагать перпендикулярно верхнюю и нижнюю пару, как показано на Фиг. 5.

Таким образом, лопасти системы Дарье могут выполняться также между верхней 6.1 и нижней 6.2 кольцевой опорами на оси. При этом, крепятся по меньшей мере две вертикально расположенные лопасти 20 вверху и внизу с опорными пластинами 21.1 (верхней) и 21.2 (нижней), где каждая опорная пластина в центре соединена с осью вращения ротора, своей осью вращения 8.1 и 8.2, соответственно (см. Фиг. 6).

На больших установках продольные лопасти 20 могут размещаться от верхней кольцевой опоры до нижней, причем они устанавливаются на верхней опорной пластине 21.1 в верху и на нижней опорной пластине 21.2 - внизу. Нижняя опорная пластина 21.2 соединяется с осью с помощью муфты свободного хода (на чертежах не показана). Когда ротор раскручивается на скоростях более 5-6 м/с, муфта свободного хода выводит лопасти Дарье из зацепления, и они зависают, не мешая вращению основного ротора ветрогенератора.

Муфта свободного хода или обгонная муфта - это механическое устройство, основная задача которого - предотвращение передачи крутящего момента к ведущему валу от ведомого в моменты, когда ведомый вал начинает вращаться более быстро. Для вышеописанных задач может использоваться любая муфта свободного хода.

Таким образом, на больших ветроустановках нижняя опорная пластина 21.2 в центре соединена с ось вращения ротора 8.2 через муфту свободного хода.

Заявленная установка помимо вышеописанных элементов содержит солнечные панели 10.1, размещенные на верхней части 4.1 квадратного элемента каркаса, а также солнечные панели 10.2, размещенные на лопатках направляющего аппарата 5 (см. Фиг. 7).

Крепление солнечных панелей 10.1 на верхней части 4.1 квадратного элемента каркаса может осуществляться жестко или присосками 22 (см. Фиг. 12), где присоски 22 могут соединяться с панелями через шарнирный поворотный узел 23 (см. Фиг. 9).

Электропровода всех солнечных панелей 10 соединены последовательно через вилочные разъемы 24 для солнечных панелей (см. Фиг. 9).

Схема соединения всех солнечных панелей показана на Фиг. 10 и является стандартной схемой подключения. Общие провода 16 подведены в контроллер 12.

В этот же контроллер 12 подключаются провода 14 от генератора энергии 13, который вращает вал 8.2 ротора.

В качестве контролера 12 может использоваться любой гибридный контроллер заряда ветряной солнечной батареи, например, гибридный контролер 12 в 24 В для 800 Вт 600 Вт 400 Вт, (см. https://verbaflowers.ru/rz140124669 или https://strelashop.ru/product/4000214924186).

От контроллера 12 питание на подзарядку подается на аккумулятор 11, к которому через провод 17 подключен вывод 18 раздаточного напряжения для потребителя. Это может быть розетка 220 V или же разъем USB.

Аккумулятор 11, генератор 13 и контроллер 12 могут размещаться в нижней части под элементом 4.2 каркаса в отдельном защитном кожухе 19 с целью защиты от влаги.

Солнечные панели 10.1, установленные в верхней части ротора над верхней кольцевой опорой 6.1 могут быть установлены под уклоном к ней, что позволяет их использовать в качестве дополнительных лопаток направляющего аппарата для лучшего отвода воздуха из верхней части ротора.

Сами солнечные панели 10.2 могут быть также расположены на самих основных лопаток направляющего аппарата 5, что позволяет получать больше энергии в контроллер 12. Еще больше энергии удается получать, если по крайней мере верхний кольцевой опорный элемент 6.1 и верхняя часть каркаса 4.1 будут выполнены прозрачными (см. Фиг. 12). В этом случае больше солнечного света будет проникать через них на солнечные панели 10.2.

Солнечные панели 10.2 могут крепиться к лопаткам направляющего аппарата 5 жестко (см. Фиг. 7, Фиг. 8), либо вся установка может быть разборной, что позволяет обеспечить портативность установки, ее возможность использования на бытовом уровне. Для разборности установки каждую солнечную панель 10.2 (они же выполняют роль лопаток направляющего аппарата 5) фиксируют по крайней мере одной присоской 22 внизу к нижней части 4.2 каркаса и одной присоске 22 к внутренней стороне верхней части 4.1 каркаса (см. Фиг. 11, Фиг. 12).

Возможно использование по две присоски с каждой стороны (пример опытного образца со снятым ветрогенератором показан на Фиг. 13).

Таким образом, размещение солнечных панелей 10 как на лопатках направляющего аппарата 5 позволяет существенно повысить мощность солнечной электрогенерации установки.

А организация с помощью направляющих 7.1, 7.2 спицевого аппарата ротора и лопаток направляющего аппарата 5 устойчивого ветрового потока позволяет задействовать не только ветровой поток по фронту установки, но и по бокам и сзади, что существенно (в 1,5-2 раза увеличивает мощность ветровой электрогенерации).

Теоретические обоснования

Идеальная формула мощности ВСЭУ (приведенная к 1 м²):

Fn=½ξρSV³,

ξ - коэффициент использования энергии ветра (принято для настоящего случая достигнутые 0,21 и перспективные 0,45)

ρ - плотность воздушного потока, равная 1,22 кг/м³,

S - площадь ометаемой проекции ВСЭУ, равная 1 м²,

V - скорость ветрового потока.

Поскольку ρ и S являются в нашем случае константами, то нам необходимо уточнить только зависимость Fn 0,21, Fn 0,45 и V:

V, (м/сек) 3 5 8 11 13 15 18 20 Fn 0,21, (Вт) 3,5 16,0 65,6 170,5 281,4 432,3 747,1 1024,8 Fn 0,45, (Вт) 7,4 34,3 140,63 365,5 603,3 926,7 1601,6 2196,9

Ввиду постоянного изменения условий обтекания лопастей ротора и изменения угла атаки крыла α от 90° до -90° для расчета применен секторальный принцип. Полный круг ротора разбит на пять секторов, в которых условия обтекания лопасти ротора примерно одинаковы, но существенно отличаются от условий в иных секторах.

Примерная разбивка на сектора (А, Б, В, Г, Д) обозначена на Фиг. 15.

Для аэродинамического расчета конструкции ВСЭУ (теоретического) мы воспользовались формулой Жуковского для тонкого крыла:

,

Где:

ρ - давление воздушного потока,

υ - скорость воздушного потока,

d - длина хорды крыла (расстояние по потоку от передней до задней кромки крыла),

α - угол атаки,

В секторе А (30°) Fn при α=1 равен

V, (м/сек) 3 5 8 11 13 15 18 20 Fn, (Ватт) 1,7 4,8 12,2 23,2 32,3 43 62 76,6

В секторе Б (90°) Fn при α=0,5 равен:

V, (м/сек) 3 5 8 11 13 15 18 20 Fn, (Ватт) 0,8 2.4 6,1 11,5 16,1 21 32 38

В секторе В (45°) Fn при α=0,5 равен:

V, (м/сек) 3 5 8 11 13 15 18 20 Fn, (Ватт) 0,8 2.4 6,1 11,5 16,1 21 32 38

Между секторами В и Г (140°) (зона торможения 3) подъемная сила не образуется.

В секторе Г (45°) в одиночном варианте подъемная сила практически не образуется. Но действует сила разности давлений, поскольку давление в четвертом секторе из-за обтекания ветровым потоком направляющего аппарата создается разрежение порядка 10% от ρ.

В силу этого на лопасти ротора действует сила, равная:

V, (м/сек) 3 5 8 11 13 15 18 20 Fn, (Ватт) 0,5 1,2 3,2 6,0 8,45 11,25 16,2 20

В комплексированном варианте в секторе Г на лопасти ротора действует сила, равная ½ силы ветрового потока в первом секторе:

V, (м/сек) 3 5 8 11 13 15 18 20 Fn, (Ватт) 0,8 2.4 6.1 11,5 16,1 21 31 38,2

В секторе Д (10°) на лопасти ротора действует сила, равная примерно половине величины силы в первом секторе:

V, (м/сек) 3 5 8 11 13 15 18 20 Fn, (Ватт) 0,8 2.4 6.1 11,5 16,1 21 31 38,2

Итоговая сила Fn, действующая на лопасти 1-лопаточного ротора по всей длине окружности радиуса ротора, равна:

V, (м/сек) 3 5 8 11 13 15 18 20 Fn, (Ватт) 4,6 (4.9) 13,2 (14,4) 33,7 (39,9) 63,7 (69,7) 89,05 (97,1) 117,2 (125,6) 173,2 (189,3) 210 (226,2)

Число лопастей устанавливается в зависимости от условий работы ВСЭУ (господствующие ветра, вероятность обледенения или покрытия снегом, пыле-каменная опасность и т.д.).

Для установки типа «Крым» установлено, что ротор ВСЭУ-0,1 будет иметь 6 лопастей размером 100×380, ВСЭУ-50 - 32 лопасти размером 1000×9800.

Кроме того, в каждом из секторов по-разному проявляется реактивная сила, образующаяся на лопатках ротора в зависимости от воздействия ветрового потока.

Расчет реактивной силы производится по формуле: Fr=kρSV³/2,

где: k - коэффициент использования энергии ветра. Для настоящего исследования он признан равным 0,1; ρ - коэффициент плотности ветрового потока, равный 1,22; S - площадь лопасти ротора, равная 0,1 м².

Скорость ветрового потока различается по секторам согласно поправочным коэффициентам, равным:

А сектор - поправочный 1, Б сектор - 1, В сектор - 0,5, Г сектор - 0,3, Д сектор - 0,3.

Суммирующая реактивная сила равна:

V, ветра 3 5 8 11 13 15 18 20 Fn, (Ватт) 3,4 16,8 65,8 171,7 281,0 431,2 745,0 980,0

Приведенная к реальной ВСЭУ-0,1 (6 лопастей) суммирующая мощность составляет:

V, ветра 3 5 8 11 13 15 18 20 F (Ватт) 3 24,8 98,7 257,55 421,5 646,8 1117,5 1470 ξ, к.и.э.в 0,2 0,32 0,31 0,31 0,31 0,31 0,31 0,30

Приведенная к реальной ВСЭУ-1 (12 лопастей площадью 0,2 м²) суммирующая мощность составляет:

V, ветра 3 5 8 11 13 15 18 20 F (Ватт) 9,2 49,6 197,4 515,1 843 1293,6 2235,0 2940,0 ξ, к.и.э.в 0,28 0,32 0,31 0,28 0,31 0,32 0,31 0,30

Приведенная к реальной ВСЭУ-5 (24 лопасти площадью 0,9 м² каждая) суммирующая мощность составляет:

V, ветра 3 5 8 11 13 15 18 20 F (Ватт) 27,8 148,8 592,2 1545,5 2529,0 3880,0 6705 8820 ξ, к.и.э.в 0,28 0,39 0,37 0,39 0,37 0,38 0,37 0,36

Приведенная к реальной ВСЭУ-50 (32 лопасти площадью 3 м² каждая) суммирующая мощность составляет:

V, ветра 3 5 8 11 13 15 18 20 F (Ватт) 347,5 1860 7402,5 19318,75 31612,5 48500 83812,5 110250 ξ, к.и.э.в 0,32 0,38 0,37 0,37 0,37 0,37 0,37 0,35

Расчеты по возможной генерации электроэнергии в Крыму (по месяцам) (киэвс - коэффициент использования энергии ветра и Солнца).

Средняя по Крыму генерация электроэнергии с помощью ВСЭУ типа "Крым" показана в таблице 1.

Таблица 1 Ветер (получаемое на установке с киэвс 0,4) Солнце (получаемое на ФЭП с КПД 0,1) Общее (для эталонных 1 кв. м) ВСЭУ-0,1 (средняя реальная мощность, кВт) ВСЭУ-50 (средняя реальная мощность, кВт) Январь 0,5 0,01 0,51 0,12 51 Февраль 0,45 0,02 0,47 0,1 47 Март 0,4 0,03 0,43 0,1 43 Апрель 0,3 0,05 0,35 0,08 35 Май 0,2 0,06 0,26 0,07 26 Июнь 0,1 0,08 0,18 0,06 18 Июль 0,1 0,08 0,18 0,06 18 Август 0,1 0,08 0,18 0,06 18 Сентябрь 0,2 0,04 0,24 0,07 24 Октябрь 0,3 0,03 0,33 0,08 33 Ноябрь 0,4 0,02 0,42 0,09 42 Декабрь 0,5 0,01 0,51 0,12 51

График генерации электроэнергии в среднем по Крыму в течение года (по месяцам) показан на Фиг. 16.

Генерация электроэнергии с помощью установки типа "Крым" в районе Ай-Петри показана в таблице 2.

Таблица 2 Ветер (получаемое на установке с киэвс 0,4) Солнце (получаемое на ФЭП с КПД 0,1) Общее (для эталонных 1 кв. м) ВСЭУ-0,1 (средняя реальная мощность, кВт) ВСЭУ-50 (средняя реальная мощность, кВт) Январь 1,5 0,03 6,03 3 61 Февраль 1,35 0,03 5,53 2 55 Март 1,35 0,04 5,54 2 55 Апрель 1,3 0,05 5,05 2 50 Май 1,3 0,06 5,06 2 50 Июнь 1,2 0,08 3,08 1,5 30 Июль 1,2 0,08 3,08 1,5 30 Август 1,2 0,08 3,08 1,5 30 Сентябрь 1,35 0,06 5,06 2 50 Октябрь 1,35 0,05 5,05 2 50 Ноябрь 1,35 0,04 5,54 2,5 55 Декабрь 1,5 0,03 6,03 3 60

График генерации электроэнергии в самом ветренном месте Крыма в течение года (по месяцам) показан на Фиг. 17.

Генерация электроэнергии с помощью установки типа "Крым" в районе Керчь-Феодосия показана в таблице 3.

Таблица 3 Ветер (получаемое на установке с киэвс 0,4) Солнце (получаемое на ФЭП с КПД 0,1) Общее (для эталонных 1 кв. м) ВСЭУ-0,1 (средняя реальная мощность, кВт) ВСЭУ-50 (средняя реальная мощность, кВт) Январь 0,8 0,03 0,83 0,15 53 Февраль 0,8 0,03 0,83 0,15 53 Март 0,7 0,04 0,74 0,14 44 Апрель 0,65 0,05 0,7 0,13 40 Май 0,6 0,06 0,66 0,12 36 Июнь 0,55 0,08 0,63 0,12 33 Июль 0,55 0,08 0,63 0,12 33 Август 0,6 0,08 0,68 0,12 38 Сентябрь 0,7 0,06 0,76 0,14 44 Октябрь 0,8 0,05 0,85 0,15 53 Ноябрь 0,8 0,04 0,84 0,15 53 Декабрь 0,8 0,03 0,83 0,15 53

График генерации электроэнергии в том месте Крыма, где она больше всего необходима показан на Фиг. 18.

Все расчеты были подтверждены в ходе продувок в аэродинамической трубе, а также в ходе ресурсных испытаний.

В основу аэродинамического расчета конструкции лег секторальный принцип, при котором характер действующих аэродинамических сил исследуется в зависимости от расположения аэродинамических лопастей по ветровому потоку и по отношению к лопаткам направляющего аппарата.

В секторе А лопатка ротора работает за счет подъемной силы.

Коэффициент использования энергии ветра ξ в этом секторе максимально велик и равен для существующих профилей 0,3-0,4. В настоящее время в ЦАГИ успешно разрабатывается профиль с киэв 0,5.

Для условий работы настоящей ВСЭУ подъемная сила Y составит, при:

C_y=0,3

ρ=1,1 кг/м³

V=9 м/с

S=1 м²

Y=1,5 кW при обеспечении постоянного присутствия лопастей ротора в данном секторе.

В секторе Б лопатка ротора работает за счет страгивающей (парусной) силы ветра. Коэффициент использования энергии ветра ξ в этом секторе не превышает 0,2.

Максимальная мощность, создаваемая в этом секторе, 0,5 кW.

В секторе В у лопасти ротора происходит смена носка и законцовки. Законцовка начинает играть роль носка лопасти. Данный фактор требует пересмотра привычной компоновки лопасти. С учетом этого фактора наилучшим профилем становится симметричный (квазисимметричный). ξ не превышает 0,1, но это лучше, чем тормозящее усилие лопастей традиционного профиля.

Максимальная развиваемая мощность в данном секторе не превышает 0,2 kW.

В секторе Г лопатка работает за счет эффекта «подсоса» ветрового потока, при этом лопатки направляющего аппарата закрывают роторные лопасти от встречного ветрового потока.

Максимальная развиваемая мощность в данном секторе не превышает 0,1 kW

В пятом секторе Д лопасти ротора работают в измененном направляющими по вектору потоке ветра.

Максимальная развиваемая мощность в данном секторе не превышает 0,1 kW.

Итоговая мощность унитарной ВСЭУ при скорости ветра 9 м/с и ометаемой площади 1 м² может составить до 0,6 кВт-0,7 кВт. При горизонтальном комплексировании ВСЭУ мощность может быть увеличена еще на 10%-15%.

Как показывают расчеты и продувки, при учете всех выше изложенных факторов, при использовании специально созданного для данного ВСЭУ профиля роторных лопастей, можно достичь коэффициента использования энергии ветра до ξ=0,4-0,45. Данный профиль описан в патенте-прототипе RU 148242.

Число лопастей ротора ВСЭУ определяется по совокупности природных и экономических факторов: мощности ВСЭУ, используемых материалов, природной зоны (для обеспечения устойчивой работы ВСЭУ в зоне обильных снегопадов необходимо обеспечить минимально возможное число лопастей для соблюдения максимально возможной ветропродуваемости ВСЭУ. Это необходимо для избежания налипания снега и льда на лопасти и иные узлы и агрегаты ВСЭУ), средних значений скоростей ветра и стабильность ветрового потока в данной местности.

Профиль лопастей на первом этапе исследований определялся по методике Н.Е. Жуковского

В результате этого этапа исследований было установлено, что наилучшим образом обеспечивают максимально высокий коэффициент использования энергии ветра ξ по ветровому фронту комбинация подъемных и реактивных сил.

Однако, при испытаниях на натурном образце теоретически выведенные показатели достичь не удалось, поскольку на таких профилях во всех секторах, кроме 1, было обнаружена существенная тормозящая сила, вызванная сильным отклонением законцовки профиля, работающей в данных условиях как антикрыло. В ходе проведенных экспериментов, было установлено, что наилучшим профилем для всех секторов ротора ВСЭУ является квазисимметричный с хордой не менее 25% с симметричным носком (законцовкой), описанным в патенте RU 148242 U. Некоторое снижение максимально возможных значений ξ в секторе 1 компенсируется отсутствием тормозящих сил во всех остальных секторах ротора.

Кроме того, в ходе экспериментов по агрегатированию единичных ВСЭУ в блоки, состоящих из трех и более устройств, был обнаружен «туннельный» эффект, заключающийся в перетоке ветрового потока из сектора Б, где его давление выше среднего по окружающей среде на 10%-15%, в сектор Г стоящего слева агрегата, где давление ниже на 10%-15% окружающей среды в связи с тем, что данный сектор прикрыт лопастью направляющего аппарата. В связи с этим, лопатка ротора начинает работать на подъемную силу не только в секторе А, но и в секторах этого устройства Б и Г.

Данный эффект позволяет рассчитывать на существенное (до 30%) повышение суммарной мощности агрегатированных устройств.

Лопатки направляющего аппарата и верхняя крыша ВСЭУ образуют плоские поверхности, на которые крепятся солнечные панели. Тем самым, прибавка мощности ВСЭУ происходит без увеличения ометаемой площади, в отличие от ныне существующих ВСЭУ.

Таким образом, удельная электрическая мощность ВСЭУ заявленной конструкции по расчетам и натурным испытаниям достигала 0,6-0,65 кВт/м² ометаемой площади при использовании существующих узлов и агрегатов, с возможностью повышения этого показателя до 0,79-0,81 кВт/м² при разработке оптимизированных узлов и агрегатов.

Расчеты показали, что развиваемая на лопастях ротора центробежная сила при скорости ветра порядка 9-12 м/сек и быстроходности 1-1,5 достаточна для сбрасывания с этих лопастей снега и льда при небольшом нагреве лопастей и/или покрытии их гидрофобным лаком, а также за счет небольшого изменения геометрии лопасти (изгиба в ее центральной части).

Неожиданным позитивным преимуществом конструкции стал проявившийся в первых же экспериментах эффект маховика. Масса конструкции ротора и роторных лопастей является достаточной, чтобы согласно расчетам:

Энергия, запасенная маховиком, определяется по формуле:

W=E/3600, Вт/ч

Где Е определяется по формуле:

E=J/2(w₁²-w₂²), Дж

где w₁² - максимальная угловая скорость вращения маховика, рад/с; w₂² - минимальная угловая скорость вращения маховика, рад/с; J - момент инерции, кг^хм²;

Момент инерции определяется по формуле:

J=M/2(R²+r²), кгм²;

где М - масса, определяется по формуле:

M=(p(R²-r²)hg)/2, кг

где R - внешний радиус маховика, м; r - внутренний радиус маховика, м; h - толщина, м; g - плотность материала, из которого изготовлен маховик, кг/м³.

Отсюда энергию, запасенную маховиком, можно определить по формуле:

W=(p(R⁴-r⁴)hg(w₁²-w₂²))/(83600), кВт/ч [Гулиа Н.В. Инерция, М., 1982].

То есть, при устоявшемся ветровом потоке в течение часа не менее 10 м/сек, при ометаемой поверхности ВСЭУ порядка 1 м² и быстроходности ротора z порядка 9, при собственной массе ротора порядка 200 кг, возможна нормальная отдача энергии 1 кВт/час при полном отсутствии ветра в течение 1 часа.

Данный фактор делает возможным изготовление бытовых упрощенных электромеханических инверторов-контроллеров, поскольку делает ВСЭУ нечувствительным к наиболее вредным минутным и десятиминутным колебаниям скорости ветра (доходящих до 100% по мощности ветрового потока).

Кроме того, существенно снижается требование к емкости агрегатированной АКБ. Для обеспечения суточной потребности ВСЭУ мощностью 100 кВт достаточно АКБ порядка 10 кАмпер/час.

В конечном итоге, мы можем констатировать, что удалось создать вполне работоспособную компактную ветросолнечную энергоустановку, способную эффективно работать практически во всех климатических зонах России и в большинстве стран мира на бытовом уровне.

Опытно-экспериментальные образцы различных мощностей прошли успешное испытание.

В частности, в ходе испытаний двух установок: без разгонных лопастей Дарье - см. Фиг. 19 и с разгонными лопастями Дарье - см. Фиг. 20, удалось выяснить, что разгонные лопасти Дарье существенно уменьшают минимальную силу ветра, при которой лопасти 9 ротора начинают вращение. Для установки на Фиг. 19 минимальная сила ветра для старта составляла 1,9 м/с, тогда как для установки на Фиг. 20 - 1 м/с.

Испытывались установки и с продольными лопастями от верхней кольцевой опоры до нижней (см. пример такой установки на Фиг. 21). Испытания проводили под действием воздушной турбины направленного потока. Когда ротор раскручивали на скоростях более 5-6 м/с, муфта свободного хода выводила лопасти Дарье из зацепления, они успешно зависали, не мешая вращению основного ротора ветрогенератора.

Отдельно испытывали эффективность размещения солнечных панелей на верхней части каркаса под углом (см. фотографии опытного образца установки на Фиг. 22 - вид одной и той же установки с разных ракурсов).

Тестировали мощность четырех солнечных панелей общей площадью равной площади верхнего квадрата каркаса.

В опытном образце Фиг. 22 их размещали под углом к плоскости верхней каркасной панели. В контрольном образце (как в прототипе) солнечные панели лежали плоскостью по всей поверхности каркаса.

Сравнительные испытания показали, что мощность энергоотдачи в прототипе была на 30% ниже при том же освещении, в сравнении с опытным образцом на Фиг. 22.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению. Ветросолнечная энергетическая установка содержит каркас, на котором установлен вертикально-осевой ротор с лопастями, направляющие поток ветра жесткие солнечные панели, где ротор соединен с генератором. Вокруг лопастей ротора установлены лопатки направляющего аппарата вдоль квадратных элементов верхней и нижней опор, образующие вместе каркас. Лопасти ротора закреплены сверху и снизу на кольцевых опорах, каждая из которых соединена с осью вращения ротора горизонтально расположенными лопастями, где в нижней кольцевой опоре лопасти ориентированы направлением воздушного потока вниз, а в верхней кольцевой опоре лопасти ориентированы направлением воздушного потока вверх. Между верхней и нижней кольцевыми опорами на оси закреплены по меньшей мере две вертикально расположенные лопасти, закрепленные вверху и внизу с опорными пластинами. Каждая опорная пластина в центре соединена с осью вращения ротора. Лопатки направляющего аппарата также установлены в верхней части ротора над верхней кольцевой опорной пластиной и ориентированы под уклоном к ней. Технический результат заключается в повышении мощности установки. 6 з.п. ф-лы, 22 ил., 3 табл.

1. Ветросолнечная энергетическая установка, содержащая каркас, на котором установлен вертикально-осевой ротор с лопастями, направляющие поток ветра жесткие солнечные панели, где ротор соединен с генератором, отличающаяся тем, что вокруг лопастей ротора установлены лопатки направляющего аппарата вдоль квадратных элементов верхней и нижней опор, образующие вместе каркас, при этом лопасти ротора закреплены сверху и снизу на кольцевых опорах, каждая из которых соединена с осью вращения ротора горизонтально расположенными лопастями, где в нижней кольцевой опоре лопасти ориентированы направлением воздушного потока вниз, а в верхней кольцевой опоре лопасти ориентированы направлением воздушного потока вверх, между верхней и нижней кольцевыми опорами на оси закреплены по меньшей мере две вертикально расположенные лопасти, закрепленные вверху и внизу с опорными пластинами, а каждая опорная пластина в центре соединена с осью вращения ротора, кроме того, лопатки направляющего аппарата также установлены в верхней части ротора над верхней кольцевой опорной пластиной и ориентированы под уклоном к ней.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что нижняя опорная пластина в центре соединена с осью вращения ротора через муфту свободного хода.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что под верхней и над нижней кольцевой опорами закреплены по меньшей мере две вертикально ориентированные лопасти, закрепленные к горизонтально расположенным лопастям, соединенным с осью вращения ротора.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что лопатки направляющего аппарата также установлены в верхней части ротора над верхней кольцевой опорой и ориентированы под уклоном к ней.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что солнечные панели расположены на лопатках направляющего аппарата.

6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что все кольцевые опорные элементы выполнены прозрачными.

7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что лопатки направляющего аппарата на краях содержат присоски, которыми закреплены к верхней и нижней опорам.