Вітроенергетична установка

Реферат: UA 121546 U UA 121546 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до нетрадиційної енергетики, а саме до виробництва пристроїв, що виробляють електроенергію, і може бути використана при виготовленні вітроенергетичних установок, легших за повітря. Відома система літальних апаратів легше за повітря, яка призначена для вироблення електроенергії за рахунок використання енергії вітру. Система містить два аеростати з вітрилами, що ширяють в небі на безпечній відстані один від одного. Аеростати сполучені між собою міцним канатом довжиною в десятки, сотні метрів. Канат перекинутий через блок, що встановлений на осі електрогенератора, а електрогенератор встановлений на вершині горба або на даху будинку. Аеростати літають, але на одному з них розкрите вітрило, а на іншому складене. Вітер надуває розкрите вітрило, несе аеростат, той тягне канат за собою, і канат обертає шків на осі електрогенератора, одночасно підтягуючи до нього другий аеростат, зі складеним вітрилом. Коли перший аеростат вибере всю довжину каната, його вітрило складається, а на другому, що виявився поблизу електрогенератора, - розкривається. Тепер під дією вітру від блоку віддаляється другий аеростат, а канат підтягує до електрогенератора перший аеростат. Таким чином, забезпечується безперервне обертання ротора генератора і вироблення електроенергії. Якщо вітер змінить напрям, вся система повернеться по вітру, як флюгер. Якщо трапиться повне безвітря, то аеростати просто будуть ширяти в повітрі нерухомо. Звичайно, змінюватися може і сила вітру, а отже, і частота обертання ротора електрогенератора, але компенсувати ці збурення справа лише техніки [див. статтю: Гольберг Б. Електростанція на повітряних зміях // Винахідник і раціоналізатор. - 1992. - № 9-10. - C. 14]. Основним суттєвим недоліком відомої системи енергозабезпечення є складність приводу обертання ротора одного електрогенератора через використання для цього аж двох аеростатів, що, наочно, не рентабельно. Така система має дуже високу вартість, що неминуче відіб'ється в гірший бік і на собівартості електроенергії, що виробляється нею. Відома також вітроенергетична установка, яка виконана у вигляді дирижабля з суцільним циліндричним корпусом, що звужується на кінцях, і оснащеним рулями управління польотом, а також двома вітродвигунами, встановленим на пілонах на зовнішніх бічних поверхнях дирижабля симетрично відносно його подовжньої осі. Коли дирижабль знаходиться у небі, вітровий потік, що набігає, обертає повітряні гвинти вітроенергетичних установок (вітродвигунів), електрогенератори яких виробляють електричний струм, який по дротах передається на землю споживачам [див. авторське свідоцтво СРСР № 1413371 з класу F24F 5/00 яке опубліковане 30.07.1988 року у Бюл. № 28]. Основним суттєвим недоліком відомої вітроенергетичної установки є недосконалість конструкції її корпусу, а саме - виконання його суцільним. У результаті цього вітродвигуни примусово розміщують на пілонах по обидві сторони від корпусу дирижабля, який створює "повітряну тінь", тобто порушує стабільність і напрям (прямолінійність) повітряного потоку, що набігає, а отже, знижує ефективність роботи вітродвигунів, оскільки на лопаті їх гвинтів надходить турбулентний вітровий потік, який, як відомо, не може утворювати високий тиск, тобто ефективно розкручувати повітряні гвинти вітродвигунів. З цієї ж причини - суцільність конструкції корпусу дирижабля - необхідно використати не менш двох вітродвигунів, розміщуючи їх симетрично відносно подовжньої осі дирижабля, щоб виключити зміщення його центра ваги у будь-якому напрямі. Найбільш близькою за своєю суттю та результатом, що досягається, і яка приймається як найближчий аналог, є вітроенергетична установка, яка виконана у вигляді дирижабля з циліндричним газонаповненим корпусом, звуженим на кінцях і оснащеним рулями управління польотом, причому корпус дирижабля виконаний у вигляді тороїда з утворенням у центральній частині поздовжньої крізної аеродинамічної труби, в порожнині якої розміщена вітроенергетична установка крильчастого типу, причому передня частина каркаса корпусу дирижабля, що звужується, виконана з шарнірно зчленованих стрижнів, що забезпечують зміну діаметра вхідного отвору аеродинамічної труби і, крім того, рулі управління польотом розташовані співвісно вихідному отвору аеродинамічної труби корпусу дирижабля [див. патент України № 58329 з класів В64В 1/06,1/24, F03D 9/02 який опублікований 15.07.2003 року у Бюл. № 7]. Основним конструктивним недоліком відомої вітроенергетичної установки є складність носової частини дирижабля, яка складається з шарнірно зчленованих стрижнів для зміни вхідного отвору у аеродинамічну трубу. По-перше, для синхронної зміни просторової орієнтації стрижнів потрібна досить складна кінематична схема. По-друге, зміну діаметра вхідного отвору у польоті здійснити досить складно й небезпечно, для цього потрібно, щонайменше, відстежувати зміну повітря та відповідно змінювати діаметр вхідного отвору у дирижабль. Потретє, у випадку згинання хоча б одного з стрижнів, уся система виявиться непридатною для 1 UA 121546 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зміни діаметра вхідного отвору. Тобто наявність змінного вхідного отвору ніяким чином не обґрунтована, а лише ускладнює конструкцію дирижабля. Другим аеродинамічним недоліком відомої вітроенергетичної установки є низька продуктивність роботи вітроколеса крильчастого апарату, оскільки він розташований майже у центрі аеродинамічної труби. Оскільки передня частина аеродинамічної труби виконана у вигляді зрізаного конусу (дифузор), а далі йде прямолінійна циліндрична ділянка, вітровий топік, зіштовхуючись з похилими поверхнями дифузора, змінює напрям руху та стає повністю турбулентним, а отже не може ефективно впливати на лопаті вітроколеса вітроенергетичної установки, через що продуктивність такої енергетичної системи знижується. Третім суттєвим недоліком відомої вітроенергетичної установки є невелика її потужність через обмеженість діаметра вітроколеса. Аеродинамічна труба не може бути великою, оскільки при збільшенні її діаметра, автоматично, але непропорційно зростають розміри дирижабля. А дирижабль великих розмірів складно утримувати, оскільки він чинить значний опір вітровому потоку. Отже, у даному випадку, треба застосовувати додаткові засоби для його утримання на одному місці, що загалом збільшує собівартість електроенергії, оскільки зростає вартість самої вітроенергетичної установки, змонтованої на великому дирижаблі. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення потужності вітроенергетичної установки за рахунок зниження її ваги та ваги літального апарату, який її утримує, шляхом зміни конструкції корпусу дирижабля та вітроколеса, а також через незалежність розмірів вітроколеса від розмірів корпусу дирижабля за рахунок зміни місця його розташування. Поставлена задача вирішується тим, що у вітроенергетичній установці, яка виконана у вигляді дирижабля з циліндричним газонаповненим корпусом, до носу якого приєднаний електрокабель, який одночасно є тросом для утримування дирижабля на одному місці, а також вітроколесо крильчастого типу, вісь якого зв'язана з електрогенератором, згідно з корисною моделлю, вітроколесо встановлено зовні дирижабля у носовій його частині, при чому діаметр вітроколеса значно перевищує діаметр дирижабля, а у хвостовій частині дирижабля встановлено друге вітроколесо, лопаті якого розгорнуті у протилежний бік, ніж лопаті першого вітроколеса, а також вісь обертання одного вітроколеса зв'язана з ротором електрогенератора, а вісь обертання другого вітроколеса зв'язана зі статором того ж самого електрогенератора, крім того дирижабль та обидва вітроколеса виконані надувними. Завдяки тому, що лопаті кожного вітроколеса розгорнуті у різні боки, вони мають змогу обертатися у протилежних напрямах, а оскільки осі обертання вітроколіс зв'язані зі ротором та статором електрогенератора, ці його вузли також обертаються у різні боки, а отже відносна швидкість обертання рухомих вузлів обертання зростає у два рази, що автоматично призводить до підвищення вироблення електроенергії генератором без збільшення його розмірів. Крім цього наявність другого обертового вітроколеса дозволяє дирижаблю залишатися нерухомим (не обертатися), оскільки крутний момент другого вітроколеса спрямований у протилежний бік. Завдяки тому, що корпус та вітроколеса виконані надувними, сама вітроенергетична установка у "здутому" стані дуже компактна та може без проблем перевозитися транспортними засобами у будь-яке місце. Після наповнення корпусу дирижабля та лопатей вітроколіс газом, система стає легшою за повітря та самостійно піднімається у небо. При цьому кермо такому дирижаблю не потрібне, оскільки він автоматично розгортається "за вітром" відносно тросу, який його утримує. Завдяки тому, що вітроколеса винесені за межі корпусу дирижабля, їхній діаметр не залежить від його розмірів, а отже, може бути збільшений на будь-яку потрібну величину, та саме так "підібрати" необхідну потужність вітроенергетичної установки. При цьому, при збільшенні діаметра вітроколеса, його вага практично не збільшується, оскільки воно виконано надувним. До того ж надувне вітроколесо має власну підіймальну силу, що дозволяє зменшити розміри корпусу дирижабля, та саме так зменшити "вітрову тінь", яку створює корпус. Таким чином, сукупність суттєвих ознак, отриманих завдяки внесенню принципових змін у конструкцію вітроенергетичної установки, зокрема зміні місцезнаходження вітроколіс, які обертаються у різні боки, виконання конструкції надувною та "не прив'язаність" діаметра вітроколіс до розмірів корпусу дирижабля, дозволило підвищити потужність вітроенергетичної установки та спростити її конструкцію, тобто досягти певного технічного результату, сформульованого у постановці задачі. Подальша суть корисної моделі пояснюється кресленням, на якому зображена запропонована вітроенергетична установка, вигляд в плані. Запропонована вітроенергетична установка містить дирижабль з циліндричним корпусом 1, на торцях якого розташовані вітроколеса 2. Зовні центральна частина кожного вітроколеса 2 закрита обтічником 3. В цьому плані, вітроенергетична установка має абсолютно симетричну 2 UA 121546 U 5 10 15 20 25 30 35 конструкцію. До одного обтічника 3 приєднаний електрокабель 4, який одночасно слугує тросом, який з'єднує вітроенергетичну установку з землею та утримує її у небі. Обидва вітроколеса 2 мають однакову конструкцію та розмір, але протилежний напрям встановлення лопатей, що забезпечує обертання вітроколіс 2 у протилежних напрямах. Осі 5, 5' обертання вітроколіс 2, кінематично зв'язані в ротором 6 та статором 7 електрогенератора, який розташований у центрі корпуса 1 дирижабля. Діаметри вітроколіс 2 перевищують діаметр корпуса 1 дирижабля. Корпус 1 дирижабля та вітроколеса 2 виконані надувними. Подальша суть корисної моделі пояснюється спільно з принципом роботи пропонованої вітроенергетичної установки. Вітроенергетичну установку у згорнутому вигляді привозять, наприклад, вантажівкою, до місця експлуатації, підготовлюють до експлуатації, зокрема, закріплюють кінець електрокабеля 4 на землі (опорі), вітроколеса 2 (лопаті) та корпус 1 дирижабля заповнюють газом, що дозволяє перевести вітроенергетичну установку у робочий стан. Після цього вітроенергетичну установку відпускають і вона підіймається у небо до рівня, який їй дозволяє довжина електрокабелю 4. У небі вітроенергетична установка парить у повітряному потоці і природно налаштовується (розгортається) "на вітер" відносно електрокабеля 4 (тросу). Вітер обертає перше (по ходу) вітроколесо 2, вісь 5 обертання якого примусово обертає ротор 7 електрогенератора. Друге вітроколесо 2 обертається у протилежному напрямі. Його вісь 5' обертає статор 7 електрогенератора. Обертання ротора 6 і статора 7 у протилежних напрямах забезпечує вироблення електрогенератором електричного струму, який по електрокабелю 4 передається на землю і, далі, споживачам. Суттєва відмінність заявленого об'єкта від раніше відомих полягає в тому, що вітроколеса та корпус дирижабля виконані надувними, вітроколеса обертаються у різні боки, а їхні діаметри перевищують діаметр корпусу дирижабля. Вказані відмінності у сукупності дозволяють підвищити потужність вітроенергетичної установки, спростити конструкції та зменшити її вартість, а отже не залучати додаткових засобів для утримування установки у повітрі. До технічних переваг корисної моделі, у порівнянні з найближчим аналогом, можна віднести наступне: - підвищення потужності вітроенергетичної установки за рахунок збільшення діаметра вітроколіс; - відсутність повітряного опору з боку корпусу дирижабля за рахунок граничного зменшення його діаметра; - максимальне збільшення обертання ротора електрогенератора відносно статора за рахунок їх обертання у різні боки; - максимальне зменшення ваги за рахунок виконання вітроколіс та корпусу дирижабля надувними; - висока транспортабельність та зручність зберігання з цієї ж причини. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 Вітроенергетична установка, яка виконана у вигляді дирижабля з циліндричним газонаповненим корпусом, до носу якого приєднаний електрокабель, який одночасно є тросом для утримування дирижаблю на одному місці, а також вітроколесо крильчастого типу, вісь якого зв'язана з електрогенератором, яка відрізняється тим, що вітроколесо встановлено зовні дирижабля у носовій його частині, причому діаметр вітроколеса значно перевищує діаметр дирижабля, а у хвостовій частині дирижабля встановлено друге вітроколесо, лопаті якого розгорнуті у протилежний бік, ніж лопаті першого вітроколеса, а також вісь обертання одного вітроколеса зв'язана з ротором електрогенератора, а вісь обертання другого вітроколеса зв'язана зі статором того ж самого електрогенератора, крім того дирижабль та обидва вітроколеса виконані надувними. 3 UA 121546 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4