Ветроэнергетическая парусная установка (варианты)
Изобретение относится к ветроэнергетике и представляет собой установку, преобразующую энергию ветра в электрическую энергию. Установка содержит две бесконечно замкнутые гибкие передачи на шкивах или звездочках, образующие внешний тяговый контур, и две бесконечно замкнутые жесткие направляющие, снабженные, по меньшей мере, тремя каретками на каждой направляющей, образующие внутренний тяговый контур, и, по меньшей мере, три паруса, каждый из которых закреплен одной реей к противоположным гибким передачам внешнего контура, а другой реей закреплен к противоположным кареткам внутреннего контура, при этом звездочки или шкивы внешнего контура кинематически связаны с электрогенератором. В другом варианте установка содержит две бесконечно замкнутые жесткие направляющие, образующие внешний тягово-несущий контур, и две бесконечно замкнутые жесткие направляющие, образующие внутренний тягово-несущий контур, а также аналогично установленные паруса, каждый из которых закреплен к кареткам противоположных направляющих внешнего замкнутого контура и к кареткам противоположных жестких направляющих внутреннего замкнутого контура, при этом каретки внешнего контура снабжены зубьями, входящими в зацепление с бесконечно-замкнутой цепной передачей, которая кинематически связана с электрогенератором. В другом варианте установка содержит размещенную на самоориентирующейся платформе раму-опору с установленным на ней внешним и внутренним бесконечно замкнутыми тягово-несущими контурами и аналогично установленные паруса, закрепленные на тяговых элементах внешнего контура и размещенные с одинаковым шагом при помощи гибкого элемента, охватывающего направляющие шкивы, расположенные по траектории внешнего контура, шкивы или каретки внешнего контура кинематически связаны с электрогенератором, при этом установка снабжена кожухом или боковыми бортами-стенками, выполняющими функции флюгера, платформа закреплена на оси вращения и поставлена на колеса автомобильного типа или на катки, движущиеся по замкнутому в круг рельсу. Установка обеспечивает повышение мощности, снижение шума, упрощение в обслуживании, несложность комплектующих элементов, позволяет изготавливать разборные конструкции, используемые в экспедициях, в горах и на севере. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области использования возобновляющихся источников энергии, а именно ветровой энергии, и преобразования ее преимущественно в электрическую энергию. Известны ветроустановки типа карусельного колеса а.с. N 1017814 1982 г., состоящие из вертикальной оси и закрепленных на ней парусных элементов таким образом, что парусность их с одной стороны максимальная, а с противоположной - минимальная, что создает вращающий момент.
Известна ветроэнергетическая установка с использованием основного рабочего элемента в виде паруса, установленного на платформе, а платформы соединены, в свою очередь, в состав, начало и конец которого соединены вместе, то есть образуют кольцо. Состав устанавливается на соответствующий размерам платформ круговой путь. Парус имеет наибольший коэффициент использования ветровой энергии. Мощность, развиваемая установкой, отбирается от вала колес платформы. (См. патент РФ №2125182). Недостатки этой ВЭУ:
1. Парус работает на полную мощность только на 25% рельсового пути.
2. 50% рельсового пути платформы идут против ветра и отбирают энергию у ВЭУ.
3. Платформы имеют очень тяжелый вес, что также снижает КПД ВЭУ.
4. Замкнутый рельсовый путь с платформами занимает большую площадь.
5. ВЭУ требует постоянного контроля за техникой безопасности.
У современных лопастных турбинных ВЭУ (ветряки), которые используются в Германии и других западных странах, следующие недостатки:
1. Маленький коэффициент отбора энергии у ветра, так как лопасть забирает энергию ветра только на 30% от кругового пути, а 70% кругового пути остаются нерабочими.
2. Лопасть работает с очень узким потоком ветра, равным рабочей площади лопасти, значит, основной поток ветра проходит мимо, а вместе с ним - неусвоенная энергия.
3. Лопастные ВЭУ боятся шквальных ветров.
4. Сооружение лопастной ВЭУ требует значительного времени и капиталовложений, что увеличивает цену за киловатт энергии.
5. Опасна для птиц, производит много шума, угнетающе действует визуально.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание ВЭУ, использующую большую площадь ветрового потока и не имеющую вышеперечисленные недостатки.
Поставленная задача решается применением новой конструкции ВЭУ.
Установка состоит из рамы-опоры, на противоположных сторонах которой расположены две одинаковых вертикально-замкнутых цепных или ременных передачи, образующие вместе внешний контур, и две одинаковых бесконечно замкнутых жестких направляющих, расположенных так же на противоположных сторонах рамы-опоры, снабженных, по меньшей мере, тремя каретками (по числу парусов) на каждой направляющей, образующие внутренний контур, и по меньшей мере три паруса прямоугольной или трапециевидной формы, закрепленных с помощью рей, одной стороной - к гибким передачам внешнего контура, на расстоянии, равноудаленном друг от друга (расположенных с одинаковым шагом), а другой стороной, так же реей, - к противоположным кареткам, на бесконечно замкнутых жестких направляющих внутреннего контура, где расстояние между каретками, а значит, и между реями парусов внутреннего контура при работе установки будет меняться, так как на поворотах реи внутреннего контура будут приостанавливаться. Гибким элементом гибких передач внешнего контура являются цепь или канат, или ремень, а каждая из передач внешнего контура может содержать несколько гибких элементов. Установка снабжена концентратором ветрового потока. Внутренний тяговый контур в горизонтальном измерении примерно на 10% меньше внешнего контура, а в вертикальном измерении - на 70%-90% меньше внешнего контура.
Вращательное движение от установки на вал электрогенератора передается через муфту свободного хода и маховик.
Внешний и внутренний тяговые контуры могут быть расположены вертикально или горизонтально относительно поверхности земли. Жесткие направляющие являются металлическими рельсами или профилями.
Расстояние между внешним и внутренним контурами рабочей части установки равно высоте развернутого паруса, расстояние между внешним и внутренним контурами нерабочей части выполнено с обеспечением прохождения паруса в собранном состоянии, а парус выполнен прямоугольной или трапециевидной формы.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид ветроэнергетической установки с цепными или ременными передачами внешнего контура.
Установка состоит: рама-опора (на чертеже не показана), две бесконечно замкнутых ременных или цепных передачи внешнего контура 1, замкнутые жесткие направляющие внутреннего контура 2, звездочки или шкивы 3 для цепной или ременной передачи внешнего контура 1, паруса 4, крепления 5 для рей внешнего контура 1, каретки 6 для жестких направляющих внутреннего контура 2, реи 7 парусов, закрепленные к внешнему контуру, реи 8 парусов, закрепленные к кареткам внутреннего контура. Поз.10 обозначено направление ветрового потока.
Установка работает следующим образом.
Ветер двигает парус 4, который тянет за собой посредством рей 7 гибкие передачи внешнего контура 1 (цепь или ремень), которые в свою очередь вращают звездочки или шкивы 3, вращение которых передается на электрогенератор. Ремни или цепи контура 1 вместе с прикрепленными к ним реями 7 при движении обегают шкивы или звездочки, при этом как минимум один парус всегда является раскрытым и ведущим, а два других являются закрытыми и ведомыми и вступают в роль ведущих и раскрытых поочередно.
Реи 8 парусов 4, прикрепленные к кареткам 6, движущимся по замкнутым жестким направляющим внутреннего контура 2, меняют расстояние между собой, так как на повороте движение кареток приостанавливается.
Передача вращательного движения на электрогенератор идет со шкивов или звездочек внешнего контура. Для равномерного вращения электрогенератора при порывах ветра вращательное движение сначала передается на обгонную муфту, затем на маховик и затем на вал электрогенератора.
Предложенные установки лучше всего пригодны для небольших потребителей энергии (коттеджи, геологические и прочие экспедиции), так как установки можно выпускать в разборном виде и легко собирать при необходимости. А ветер в горах, в Арктике и Антарктиде есть всегда.
Для промышленного производства электроэнергии предложенная выше установка является маломощной и требовательной к уходу.
Установка для промышленного производства электроэнергии состоит из рамы-опоры, на противоположных сторонах которой установлены две одинаковые бесконечно замкнутые жесткие направляющие, снабженные, по меньшей мере, тремя каретками на каждой направляющей, образующие внешний контур. И две одинаковые бесконечно замкнутые жесткие направляющие, расположенные так же на противоположных сторонах, снабженные, по меньшей мере, тремя каретками на каждой направляющей, образующие внутренний контур, и, по меньшей мере, три паруса прямоугольной или трапециевидной формы, закрепленные с помощью рей, одной стороной - к кареткам внешнего контура, на расстоянии, равноудаленном друг от друга, а другой стороной - к кареткам на направляющих внутреннего контура. Расстояние между реями внутреннего контура при работе установки будет меняться, так как на поворотах каретки внутреннего контура будут приостанавливаться. А каретки, с прикрепленными реями парусов внешнего контура, всегда будут равноудалены, благодаря гибкой связи (ремень, цепь, канат), связывающей каретки внешнего контура.
Гибкий элемент, отвечающий за равноудаленность парусов по внешнему контуру, прикреплен к каждой каретке или к краю реи и при этом охватывает направляющие шкивы или звездочки и натяжные элементы, расположенные по траектории внешнего контура.
Расстояние между направляющими внешнего и внутреннего контура, где паруса являются рабочими и раскрытыми равно высоте развернутого паруса, а расстояние между направляющими контуров, где паруса являются ведомыми и нерабочими, является минимальным, то есть достаточным для прохождения паруса в собранном виде.
Ветроэнергетическая парусная установка снабжена концентратором ветрового потока, а функцию рамы-опоры может выполнять кожух.
Внутренний контур в горизонтальном измерении равен или примерно на 10% меньше внешнего контура, а в вертикальном измерении - на 70%-90% меньше внешнего контура.
Вращательное движение от установки на вал генератора передается через муфту свободного хода и маховик.
Внешний и внутренний тяговые контуры могут быть расположены вертикально или горизонтально относительно поверхности земли.
Замкнутые жесткие направляющие являются металлическими рельсами или профилями.
Зубья на каретках внешнего контура имеют шаг, равный шагу звеньев цепи.
Устройство поясняется чертежом. На фиг.2 показан общий вид парусной ветроэнергетической установки для промышленного производства электроэнергии. Рама-опора является стандартной и на чертеже не показана. Установка включает внешний контур 1, выполненный из двух вертикально замкнутых жестких направляющих, внутренний контур 2, также выполненный из двух вертикально замкнутых направляющих, замкнутую цепную передачу 3, через которую передается вращательное движение на электрогенератор (не изображен), паруса 4, крепления (каретки) 5 на направляющих внешнего контура 1, замкнутую гибкую передачу, отвечающую за равноудаленность рей парусов по внешнему контуру (на чертеже не показана), каретки 6 внутреннего контура, реи 7 парусов, закрепленные к внешнему контуру, реи 8, закрепленные к внутреннему контуру, звездочки 9 замкнутой цепной передачи 3, от которой передается вращательное движение на электрогенератор. Направление ветра отмечено поз.10.
Установка работает следующим образом.
Ветер двигает паруса 4. Если на установке три паруса, то 20% времени два паруса будут раскрыты и являться рабочими, а 80% времени один парус раскрыт, а два являются нерабочими. Для более полного использования ветровой энергии используется пять и более парусов. Каретки 5 внешнего контура 1, каждая пара в свой рабочий отрезок пути (когда парус, который держит пара кареток, раскрыт), являются ведущими и тянут за собой посредством гибкой тяги другие пары кареток, являющиеся в данный отрезок пути и времени ведомыми. Затем ведущим становится следующий парус, а тот, который был ведущим, становится ведомым, складывается и идет по узкому проходу между направляющими внутреннего и внешнего контуров, при этом увлекая за собой рею паруса, прикрепленного к кареткам внутреннего контура. При подходе реи 7 к точке внешнего контура, с которой начинается рабочий отрезок пути паруса 4, рея 8, прикрепленная к кареткам 6 внутреннего контура 2, становится вертикально напротив реи 7 внешнего контура, и парус становится полностью развернутым и начинает проходить свой рабочий отрезок пути. И так по эстафете бесконечно.
Вращательное движение на электрогенератор передается следующим образом. Каретки 5 внешнего контура 1 снабжены штырьками-зубьями (на чертеже не показаны), которые при движении кареток 5 на рабочем отрезке пути методом зацепления приводят в движение бесконечно замкнутую цепь на звездочках 9, протяженность горизонтального пути которой немного больше горизонтального отрезка пути каретки или не меньше.
Цепь приводит в движение звездочки 9 на валах (на чертеже не показаны), от которых через обгонную муфту механическая энергия передается на маховик и далее приводится в движение вал электрогенератора.
Маховик необходим для равномерного вращательного движения вала электрогенератора при порывах ветра.
Направление ветра время от времени будет меняться, поэтому предлагается ВЭУ на самоориентирующейся платформе.
Ветроэнергетическая парусная установка, содержащая размещенную на самоориентирующейся платформе раму-опору, с установленным на ней внешним бесконечно замкнутым тягово-несущим контуром и внутренним бесконечно замкнутым тягово-несущим контуром, и, по меньшей мере, тремя прямоугольными или трапециевидными парусами, каждый из которых закреплен одной реей к двум тяговым элементам противоположных направляющих внешнего контура, а второй реей к двум тяговым элементам противоположных направляющих внутреннего контура, при этом реи, закрепленные на тяговых элементах внешнего контура, размещены с одинаковым шагом, при помощи гибкого элемента, охватывающего направляющие шкивы, расположенные по траектории внешнего контура, а шкивы или каретки внешнего контура кинематически связаны с электрогенератором, при этом установка снабжена кожухом или боковыми бортами-стенками, выполняющими функции флюгера, платформа закреплена на оси вращения и поставлена на колеса автомобильного типа или на катки, движущиеся по замкнутому в круг рельсу.
Основание платформы, в месте входа ветрового потока, жестко закреплено на оси, с возможностью поворота всей ВЭУ вокруг этой оси в горизонтальной плоскости, а противоположная сторона рамы-опоры, в месте выхода ветрового потока, поставлена на колеса автомобильного типа или на катки, движущиеся по замкнутому в круг рельсу.
Ветроэнергетическая парусная установка может быть закреплена на оси по центру, а колеса или катки установлены со стороны входа и выхода ветрового потока.
Электрогенератор в ветроэнергетической парусной установке закреплен на раме-опоре, а тоководы от него выведены через полость вала оси вращения самоориентирующейся платформы.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.3 изображена самоориентирующаяся платформа установки, вид сверху. Чертеж дан без сохранения масштаба.
Установка состоит из любой вышеописанной парусной ветроэнергетической установки, заключенной в кожух 11, вертикальные стенки 12 которого выполняют функцию флюгерных элементов, в месте входа ветрового потока установка закреплена на оси 13, а в месте выхода ветрового потока установка поставлена на колеса автомобильного типа, или катки 14, движущиеся при изменении направления ветра по замкнутому в круг рельсу 15.
Ветроэнергетическая парусная установка на самоориентирующейся платформе работает следующим образом.
Ветер будет стремиться устанавливать стенки 12 кожуха 11, выполняющие функции флюгерных элементов, всегда вдоль ветрового потока 10, а закрепленное на оси 13 основание рамы-опоры (место входа ветрового потока) и поставленная на колеса 14 противоположная сторона рамы-опоры (место выхода ветрового потока) будут позволять ветру всегда держать самоориентирующуюся платформу вдоль своего направления. Паруса всегда будут поперек ветрового потока.
Парусная ветроэнергетическая установка с гибкими передачами имеет легкий вес, поэтому ее можно делать разборной, легко транспортировать и устанавливать. Но установка с гибкими передачами требует ухода, смазки цепей и шкивов, контроля за состоянием и натяжением гибких передач.
Этих недостатков нет у парусных установок с жесткими направляющими. Ресурс пробега кареток по жестким направляющим в сотни раз больше, чем у гибких элементов. При качественных комплектующих парусные ветроэнергетические установки с жесткими направляющими и на самоориентирующейся платформе будут работать долго, с минимальным контролем операторов и высоким КПД.
Наземная парусная ВЭУ значительно дешевле, безопаснее, эстетичнее и экологичнее башенных ветряков, используемых в Германии и Голландии.
Максимальная скорость движения паруса, при порывах ветра 30 метров в секунду, будет равняться 5-6 метров в секунду, значит, не будут вырабатываться радиопомехи, в отличие от лопастных ВЭУ.
Прогнозируемый КПД будет 40%-60% от энергии принимаемого ветрового потока, в зависимости от числа парусов.
В отличие от башенных ветряков наземная парусная ВЭУ не боится шквальных ветров, 30-40 метров в секунду, но при этом нужна соответствующая мощность электрогенератора.
Для безопасности птиц место входа ветрового потока ограждается сеткой, которая не позволит птицам попасть внутрь установки и при этом не будет препятствовать самому ветровому потоку.
1. Ветроэнергетическая парусная установка, содержащая две бесконечно замкнутые гибкие передачи на шкивах или звездочках, образующие внешний тяговый контур, и две бесконечно замкнутые жесткие направляющие, снабженные, по меньшей мере, тремя каретками на каждой направляющей, образующие внутренний тяговый контур, и, по меньшей мере, три паруса, каждый из которых закреплен одной реей к противоположным гибким передачам внешнего контура, а другой реей закреплен к противоположным кареткам внутреннего контура, при этом звездочки или шкивы внешнего контура кинематически связаны с электрогенератором.
2. Ветроэнергетическая парусная установка по п.1, отличающаяся тем, что реи, закрепленные к гибким передачам внешнего контура, размещены с одинаковым шагом, то есть равноудалены.
3. Ветроэнергетическая парусная установка по п.1, отличающаяся тем, что гибким элементом передачи внешнего контура является цепь, или канат, или ремень, а каждая из передач внешнего контура содержит несколько гибких элементов.
4. Ветроэнергетическая парусная установка по п.1, отличающаяся тем, что снабжена концентратором ветрового потока.
5. Ветроэнергетическая парусная установка по п.1, отличающаяся тем, что внутренний тяговый контур в горизонтальном измерении примерно на 10% меньше внешнего контура, а в вертикальном измерении на 70-90% меньше внешнего контура.
6. Ветроэнергетическая парусная установка по п.1, отличающаяся тем, что вращательное движение от установки на вал электрогенератора передается через муфту свободного хода и маховик.
7. Ветроэнергетическая парусная установка по п.1, отличающаяся тем, что внешний и внутренний тяговые контуры могут быть расположены вертикально или горизонтально относительно поверхности земли.
8. Ветроэнергетическая парусная установка по п.1, отличающаяся тем, что замкнутые жесткие направляющие являются металлическими рельсами или профилями.
9. Ветроэнергетическая парусная установка по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между внешним и внутренним контурами рабочей части установки равно высоте развернутого паруса, расстояние между внешним и внутренним контурами нерабочей части выполнено с обеспечением прохождения паруса в собранном состоянии, а парус выполнен прямоугольной или трапециевидной формы.
10. Ветроэнергетическая парусная установка, содержащая две бесконечно замкнутые жесткие направляющие, снабженные, по меньшей мере, тремя каретками на каждой направляющей, образующие внешний тягово-несущий контур, и две бесконечно замкнутые жесткие направляющие, снабженные, по меньшей мере, тремя каретками на каждой направляющей, образующие внутренний тягово-несущий контур, и, по меньшей мере, три паруса, каждый из которых закреплен одной реей к двум кареткам противоположных направляющих внешнего замкнутого контура, а второй реей к двум кареткам противоположных жестких направляющих внутреннего замкнутого контура, при этом каретки внешнего контура снабжены зубьями, входящими в зацепление с бесконечно замкнутой цепной передачей, которая кинематически связана с электрогенератором.
11. Ветроэнергетическая парусная установка по п.10, отличающаяся тем, что снабжена концентратором ветрового потока.
12. Ветроэнергетическая парусная установка по п.10, отличающаяся тем, что внутренний контур в горизонтальном измерении примерно на 10% меньше внешнего контура, а в вертикальном измерении на 70-90% меньше внешнего контура.
13. Ветроэнергетическая парусная установка по п.10, отличающаяся тем, что вращательное движение от установки на вал электрогенератора передается через муфту свободного хода и маховик.
14. Ветроэнергетическая парусная установка по п.10, отличающаяся тем, что внешний и внутренний тяговые контуры могут быть расположены вертикально или горизонтально относительно поверхности земли.
15. Ветроэнергетическая парусная установка по п.10, отличающаяся тем, что замкнутые жесткие направляющие являются металлическими рельсами или профилями.
16. Ветроэнергетическая парусная установка по п.10, отличающаяся тем, что расстояние между направляющими внешнего и внутреннего контура рабочей части установки равно высоте развернутого паруса, расстояние между направляющими внешнего и внутреннего контура нерабочей части лишь достаточное для прохождения паруса в собранном виде, а парус выполнен прямоугольной или трапециевидной формы.
17. Ветроэнергетическая парусная установка по п.10, отличающаяся тем, что функцию рамы-опоры выполняет кожух.
18. Ветроэнергетическая парусная установка по п.10, отличающаяся тем, что зубья на каретках внешнего контура имеют шаг, равный шагу звеньев цепи.
19. Ветроэнергетическая парусная установка по п.10, отличающаяся тем, что реи, закрепленные на каретках внешнего контура, размещены по траектории внешнего контура с одинаковым шагом, то есть равноудалены, при помощи прикрепленного к кареткам или реям гибкого элемента, охватывающего направляющие шкивы, установленные по траектории внешнего контура.
20. Ветроэнергетическая парусная установка, содержащая размещенную на самоориентирующейся платформе раму-опору с установленным на ней внешним бесконечно замкнутым тягово-несущим контуром и внутренним бесконечно замкнутым тягово-несущим контуром и, по меньшей мере, тремя прямоугольными или трапециевидными парусами, каждый из которых закреплен одной реей к двум тяговым элементам противоположных направляющих внешнего контура, а второй реей - к двум тяговым элементам противоположных направляющих внутреннего контура, при этом реи, закрепленные на тяговых элементах внешнего контура, размещены с одинаковым шагом при помощи гибкого элемента, охватывающего направляющие шкивы, расположенные по траектории внешнего контура, а шкивы или каретки внешнего контура кинематически связаны с электрогенератором, при этом установка снабжена кожухом или боковыми бортами-стенками, выполняющими функции флюгера, платформа закреплена на оси вращения и поставлена на колеса автомобильного типа или на катки, движущиеся по замкнутому в круг рельсу.
21. Ветроэнергетическая парусная установка по п.20, отличающаяся тем, что платформа закреплена на оси в месте входа ветрового потока, а колеса или катки установлены в месте выхода ветрового потока.
22. Ветроэнергетическая парусная установка по п.20, отличающаяся тем, что платформа закреплена на оси по центру, а колеса или катки установлены со стороны входа и выхода ветрового потока.
23. Ветроэнергетическая парусная установка по п.20, отличающаяся тем, что электрогенератор закреплен на раме-опоре, а тоководы от электрогенератора выведены через полость вала оси вращения самоориентирующейся платформы.
