энергетическая установка по использованию ветровой и солнечной энергии

Формула изобретения

1. Энергетическая установка по использованию ветровой и солнечной энергии, содержащая расположенный на фундаменте вертикальный вал с электрогенератором, состоящим из статора и ротора, и коромыслами, на которых установлены лопасти, отличающаяся тем, что на фундаменте дополнительно установлена неподвижная ось, выполненная в виде цилиндрической трубы, вертикальный вал выполнен в виде цилиндрической трубы, охватывающей неподвижную ось, и расположенный соосно с ней, лопасти установлены неподвижно по отношению к коромыслам и имеют аэродинамический профиль, состоящий из выпуклой и плоской поверхности, выпуклая поверхность ориентирована в сторону вращения и выполнена в виде части цилиндра, представляющей собой область цилиндра, отсеченную от него плоскостью, проходящей параллельно его оси, ось цилиндра перпендикулярна оси вертикального вала, плоская поверхность параллельна плоскости, проходящей через ось симметрии неподвижной оси и центральную линию коромысла, и содержит пластины, плоскости которых параллельны основаниям частей цилиндров и перпендикулярны плоским поверхностям лопастей, крайние пластины выполнены гибкими и имеют изгиб в средней части пластин, направленный к центру плоской поверхности, причем лопасти состоят из нескольких параллельных ярусов, разделенных промежутками, верхняя часть неподвижной оси снабжена неподвижной плоской круглой площадкой, на которой установлена солнечная батарея.

2. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что один из ярусов соединен со статором, а другой с ротором, причем и статор и ротор выполнены подвижными.

3. Энергетическая установка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что длина пластин уменьшается по мере удаления их от центра плоской поверхности.

4. Энергетическая установка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что цилиндрическая часть лопастей выполнена пустотелой.

5. Энергетическая установка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что плоскость площадки с солнечными батареями наклонена в сторону солнцестояния.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам, использующим ветровую и солнечную энергию, и может быть использовано как автономная энерго-установка для удовлетворения собственных нужд в элекроэнергии отдельных потребителей, а также как дополнительный источник энергии в общей энергосистеме.

Известна энергетическая установка по использованию ветровой энергии (а.с. №1307081, опубл. 1987 г., Бюл. №16), содержащая вращающийся вертикальный вал с размещенными на нем по ярусам лопастями.

Недостаток известного устройства заключается в том, что для нормальной работы установки необходимо регулировать положение лопастей, ориентируясь на направление ветра.

Наиболее близкой и принятой за прототип является энергетическая установка по использованию ветровой энергии, описанная в патенте РФ №2030777, МПК F03D 3/02, 7/06 «Ветроэлектроустановка», опубл. 10.03.95, Бюл. №7.

Устройство содержит расположенный на фундаменте вертикальный вал с электрогенератором, состоящим из ротора и статора, и коромыслами, на которых установлены лопасти. При его работе необходимо следить за направлением ветра, а для выработки электроэнергии в установке применен механизм, поворачивающий лопасти в соответствии с их положением по отношению к ветру.

Известное устройство имеет относительно простую конструкцию в сравнении с аналогом и может использоваться для преобразования энергии дующего с разных направлений ветра в электроэнергию.

Недостатки известной энергетической установки по использованию ветровой энергии заключаются в том, что: а) при работе в ней необходимо отслеживать направление ветра; б) в механической системе имеются дополнительные связи, повышающие трение, что снижает ее КПД; в) система способна получать электроэнергию только при относительно высокой силе ветра; г) в установке не предусмотрена возможность использования солнечной энергии, что снижает ее общую мощность.

Целью данного изобретения является создание энергетической установки по комплексному использованию ветровой и солнечной энергии, работающей независимо от направления ветра, повышение ее КПД и ветровой чувствительности. Кроме того, дополнительной задачей, решаемой данным изобретением, является исключение лишних механических связей в конструкции и повышение ее надежности, а также расширение области применения.

Указанная цель достигается за счет того, что в известной энергетической установке по использованию ветровой энергии, содержащей расположенный на фундаменте вертикальный вал с электрогенератором, состоящим из статора и ротора, коромыслами, на которых установлены лопасти, согласно изобретению на фундаменте дополнительно установлена неподвижная ось, выполненная в виде цилиндрической трубы, вертикальный вал выполнен в виде цилиндрической трубы, охватывающей неподвижную ось, и расположен соосно с ней, лопасти установлены неподвижно по отношению к коромыслам и имеют аэродинамический профиль, состоящий из выпуклой и плоской поверхности, выпуклая поверхность ориентирована в сторону вращения и выполнена в виде части цилиндра, ось которого перпендикулярна оси вертикального вала, плоская поверхность параллельна плоскости, проходящей через ось симметрии неподвижной оси и центральную линию коромысла, и содержит пластины, плоскости которых параллельны основаниям частей цилиндров и перпендикулярны плоским поверхностям лопастей, крайние пластины выполнены гибкими и имеют изгиб в средней части пластин, направленный к центру плоской поверхности, причем лопасти состоят из нескольких параллельных ярусов, разделенных промежутками, верхняя часть неподвижной оси снабжена неподвижной плоской круглой площадкой, на которой установлена солнечная батарея.

В варианте технического решения длина пластин уменьшается по мере удаления их от центра плоской поверхности.

В варианте технического решения ориентация лопастей соседних ярусов разнонаправлена, один из ярусов соединен со статором генератора, а другой с ротором, причем и статор и ротор выполнены подвижными.

В варианте технического решения плоскость площадки с солнечными батареями наклонена в сторону солнцестояния.

В варианте технического решения часть цилиндров лопастей выполнена пустотелой.

Наличие в известной энергетической установке по использованию ветровой энергии лопастей с аэродинамическим профилем, установленных неподвижно по отношению к коромыслам и состоящих из выпуклых в виде частей цилиндров и плоских поверхностей, оси которых перпендикулярны оси вертикального вала, позволяет обеспечить вращение подвижного вала в определенную сторону независимо от направления ветра.

Плоские поверхности, содержащие пластины, плоскости которых параллельны основаниям частей цилиндров и перпендикулярны плоской поверхности, при условии, что крайние пластины выполнены гибкими и имеют изгиб в середине пластин, направленный к центру плоской поверхности, необходимы с одной стороны для снижения сопротивления движению в случае, когда лопасть движется навстречу ветру, и повышения парусности в случае, когда плоскости с пластинами движутся по ветру.

Наличие неподвижной плоской круглой площадки с солнечной батареей, установленной на неподвижной оси, позволяет использовать солнечную энергию в дополнение к ветровой.

Применение пластин, длина которых уменьшается по мере удаления их от центра плоской поверхности, обеспечивает лучшие аэродинамические свойства лопасти при движении ее против ветра.

Разнонаправленное вращение соседних ярусов снижает асимметрию нагрузки на вал и неподвижную ось и позволяет повысить чувствительность системы по отношению к силе ветра, поскольку движение ротора генератора относительно статора будет в два раза выше, чем при неподвижном статоре.

Наклон площадки с солнечными батареями в сторону солнцестояния повышает их энергоемкость.

Выполнение цилиндрической части лопастей пустотелыми снижает материалоемкость изделия и уменьшает его вес и нагрузку на вал и подшипники.

Изобретение иллюстрируется 7 фигурами.

На фиг.1 изображена конструкция устройства (вид сверху).

На фиг.2 представлена установка при виде сбоку.

На фиг.3 имеется вид лопасти при виде сбоку.

Фиг.4 показывает положение лопастей и пластин при различных направлениях ветра.

На фиг.5 дается изометрическая проекция лопасти с пластинами разной длины.

На фиг.6 нарисована конструкция осевой части установки с генератором двойного вращения.

На фиг.7 начерчена принципиальная электрическая схема установки.

Энергетическая установка по использованию ветровой энергии и солнечной энергии выполнена следующим образом.

На фундаменте 1 (фиг.1, 2) расположена неподвижная ось 1, выполненная в виде цилиндрической трубы. Вертикальный вал 3 выполнен в виде цилиндрической трубы, охватывающей неподвижную ось 2. Вал 3 расположен соосно с неподвижной осью 2. К валу 3 жестко прикреплены попарно и параллельно друг другу коромысла 4. К концам каждой пары коромысел жестко прикреплены лопасти 5. Лопасти имеют аэродинамический профиль, состоящий из выпуклой 6 и плоской поверхности 7. Выпуклая поверхность 6 ориентирована в сторону вращения и выполнена в виде части цилиндра. Часть цилиндра представляет собой область цилиндра, отсеченная от него плоскостью, проходящей параллельно его оси. Оси образованных таким образом частей цилиндров параллельны оси вертикального вала 3. Основания частей цилиндров перпендикулярны центральной оси полуцилиндров. Основания полуцилиндров имеют вид сегментов окружностей. Основания полуцилиндров могут иметь также вид эллипса, разделенного по большой оси или гиперболы, срезанной по линии, проходящей параллельно мнимой оси. Плоская поверхность 7 лопасти 5 параллельна плоскости, проходящей через ось симметрии неподвижной оси 2 и центральную линию коромысла 4. К плоской поверхности 7 жестко прикреплены пластины 8, плоскости которых параллельны основаниям частей цилиндров 6 и перпендикулярны плоским поверхностям 7 лопастей 5. Крайние пластины 9 лопастей 5 выполнены гибкими и имеют изгиб 10 (фиг.3, 4) в середине пластин. Изгиб 10 направлен к центру плоских поверхностей, т.е. в сторону соседних пластин. Кроме того, крайние пластины обладают пружинящими свойствами. В свою очередь лопасти 5 состоят из нескольких параллельных ярусов, разделенных промежутками 11. Вертикальный вал 3 сочленен с ротором 12 генератора. Последний расположен соосно с жестко закрепленным статором 13. Вал 3 сочленен с неподвижной осью 2 с помощью подшипников 14 (фиг.2). Верхняя часть неподвижной оси 2 снабжена неподвижной плоской круглой площадкой 15, на которой установлена солнечная батарея (не показана).

В варианте технического решения плоскость площадки 15 наклонена в сторону солнцестояния (не показано).

В варианте технического решения цилиндрическая часть лопастей имеет пустоты 16, заполненные воздухом (фиг.3).

В зависимости от направления ветра, дующего в направлении к плоской поверхности лопастей, крайние пластины 9 по напором ветра сгибаются либо в сторону соседних пластин 8 (фиг.4, а) (ветер дует навстречу выпуклой поверхности), либо расходятся в стороны (фиг.4, б) (ветер дует в сторону плоской поверхности 7 лопастей).

В варианте технического решения длина пластин 8 уменьшена по мере удаления их от центра плоской поверхности 7 (фиг.5).

В варианте технического решения ориентация лопастей соседних ярусов разнонаправлена. Статор 13 и ротор 12 выполнены подвижными. Один из ярусов соединен со статором генератора 13, а другой, соседний ярус, соединен с ротором 12 (фиг.6). Статор жестко сочленен с вертикальным валом 3 одного яруса и имеет дополнительный подшипник 17, расположенный между неподвижной осью 2 и статором. Между ротором 12 и осью 2 также имеется дополнительные подшипники 17'. Статор снабжен также кольцевым трехфазным или однофазным токосъемником 18 и контактными щетками 19, жестко закрепленными на оси 2. Выводные концы (не обозначены) щеток проходят внутри оси 2. Ротор 12 жестко сочленен с валом второго соседнего яруса.

В синхронной электрической машине может быть использован ротор с постоянными магнитами или ротор с самовозбуждением (фиг.7).

Электрически генератор 13 содержит выпрямитель 20. Солнечная батарея 21, выпрямитель 13, аккумулятор 22 и преобразователь напряжения 23 соединены параллельно. При этом в анодной цепи, соединяющей солнечную батарею с остальной частью схемы, установлен диод 24, не допускающий прохождение тока от сети к солнечной батарее. Преобразователь 23 соединен с общей энергосистемой.

Энергетическая установка по использованию ветровой энергии и солнечной энергии действует следующим образом.

Под влиянием ветровой нагрузки лопасти 5 (фиг.1, 2, 3, 6) заставят вал 3 вращаться в направлении выпуклых поверхностей 6. Это определяется аэродинамическим эффектом, связанным с тем, что относительная скорость воздушных струй будет выше в области выпуклостей 6 и меньшей в области плоских поверхностей 7. Этот эффект максимально проявляется при боковом, по отношению к лопастям, движении ветра. При движении лопасти выпуклой стороной 6 навстречу ветру крайние гибкие пластины 9 будут изгибаться под его напором в сторону соседних пластин 8. При этом задняя кромка лопасти будет сужена (фиг.4, а), что приведет к снижению результирующего лобового сопротивления движению. Это эффект проявится в большей степени, если длина пластин будет увеличиваться по мере их расположения ближе к центру плоской поверхности 7 (фиг.6). При движении лопасти по ветру она будет ориентирована по отношению к нему задней кромкой, т.е. ветер будет дуть в сторону плоской поверхности 7. В этом случае гибкие пластины 9 под напором ветра разойдутся в стороны (фиг.4, б), увеличивая, парусность лопасти. Таким образом, в результате, за счет аэродинамического эффекта будет иметь место постоянная составляющая силы, направленная в сторону ориентации выпуклых частей пластин. При движении лопасти навстречу ветру сопротивление движению будет снижено, а при движении лопастей по ветру двигающая сила будет увеличена. Это приведет к тому, что независимо от направления ветра весь ярус будет совершать однонаправленное вращение. Разделение установки на ярусы оправдано эффектом изменения профиля лопасти при движении против ветра или навстречу ветру.

Разнонаправленное движение ярусов, при котором один из ярусов соединен со статором 13 генератора, а второй соседний ярус с его ротором 12 (фиг.6) приведет к двойному увеличению скорости вращения ротора по отношению к статору. При этом при той же силе ветра напряжение генератора будет вдвое больше, чем в случае, когда одна из частей генератора неподвижна. Так повышается чувствительность системы по отношению к силе ветра.

Выполнение цилиндрической части лопастей пустотелыми (фиг.3) снижает материалоемкость установки и уменьшает его вес и нагрузку на вал и подшипники.

Наличие площадки 15 (фиг.2) с солнечными батареями повышает энергетическую мощность системы в целом. Если выполнить наклон этой площадки в сторону солнцестояния, то обеспечивается двойной эффект. С одной стороны увеличивается энергетическая мощность солнечной батареи, с другой стороны наклон площадки повысит ветровой напор, действующий на лопатки ветрогенератора. Это связано с тем, что обычно максимальный вектор розы ветров направлен со стороны полюсов земного шара.

Общим достоинством системы является простота конструкции, отсутствие дополнительных механических связей и относительно небольшой вес. Все это, в конечном итоге приведет к повышению КПД и эффективности предложенной установки.