ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВКА

ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВКА


RU (11) 2087744 (13) C1

(51) 6 F03D3/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 05.12.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 95115157/06 
(22) Дата подачи заявки: 1995.08.25 
(45) Опубликовано: 1997.08.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Заявка Франции N 8019887, кл. F 03 D 3/00, 1980. 
(71) Заявитель(и): Степанов Лев Анатольевич 
(72) Автор(ы): Степанов Лев Анатольевич 
(73) Патентообладатель(и): Степанов Лев Анатольевич 

(54) ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВКА 

Использование: в ветроэнергоустановках преимущественно для кораблей, для преобразования энергии ветра во вращение гребного винта корабля. Сущность изобретения: ветроэнергоустановка содержит мачту (1) с парусами (2), трансмиссию (4) и движитель, или другой преобразователь энергии (5). Мачта (1) установлена с возможностью вращения на подшипниках (8) вокруг своей продольной оси симметрии и связана с движителем (5) через трансмиссию (4), а паруса (2) установлены симметрично вокруг мачты (1). Количество парусов - не менее 3. каждый парус (2) выполнен с возможностью поворота вокруг оси (3), направленной под углом, а к продольной оси симметрии мачты (1), и своими осями вращения (3) разделен на две неравные по площади части. Большая по площади часть каждого паруса расположена между осью вращения и продольной осью мачты. Угол поворота паруса (2) ограничен 180 градусами. Угол пересечения продольной оси мачты (1) с направлением осей вращения (3) парусов (2) выполнен между 5 и 30 градусами. Площадь меньшей части паруса составляет 10. ..30% от площади паруса. 2 з.п.ф-лы, 10 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к области ветроэнергоустановок для преобразования энергии ветра во вращение вала привода силовых машин и может быть использовано для приведения в действие гребного винта корабля, насоса, электрогенератора и т.п.

Известны ветроэнергоустановки, содержащие вертикальный вращающий вал или мачту, связанный трансмиссией с приводом силовой машины, и лопасти, крылья или паруса, взаимодействующие с ветром и обеспечивающие вращение ветроэнергоустановки.

К ним относятся установки по заявкам Голландии N 7901145, 1979 г, PCT N WO 81/03683, N WO 94/03725, EPB (EP) N 000850, 1980 г, N 89101444.1 от 27.01.89, патентам Швеции N 434975, 1974 г, Австрии N 382687, 1976 г, Германии N 3505480, 1986 г, США N 4435124, 1983 г, N 4668169, 1984 г, N 4679985, 1985 г, по НКИ 416-119 и т.п.

Известна также корабельная ветроэнергоустановка по заявке Франции N 8019387, кл. F 03 D 3/00, 1980 г (принята за прототип), содержащая мачту с парусами, трансмиссию и движитель, в которой мачта установлена с возможностью вращения вокруг продольной оси и связана с движителем через трансмиссию, а паруса установлены симметрично вокруг мачты.

К недостаткам аналогов и прототипа относятся сравнительно низкая удельная мощность, развиваемая ветроэнергоустановками подобного типа и наличие "мертвых" зон при нахождении плоскостей парусов в плоскости, образованной вектором скорости ветра и продольной осью симметрии мачты.

Целью изобретения является получение более высокой мощности, снимаемой с единицы площади паруса или массы конструкции и исключение "мертвых" зон при обдуве ветром.

Указанная цель достигается тем, в ветроэнергоустановке, преимущественно для кораблей, содержащей мачту с парусами, трансмиссию и движитель или другой преобразователь энергии, в которой мачта установлена с возможностью вращения вокруг продольной оси симметрии и связана с движителем через трансмиссию, а паруса установлены симметрично вокруг мачты, согласно изобретению каждый парус выполнен с возможностью поворота вокруг оси, направленной под углом к продольной оси симметрии мачты, и своей осью вращения разделен на две неравные по площади части, угол их поворота ограничен примерно 180o, причем большая по площади часть каждого паруса расположена между осью вращения и продольной осью симметрии мачты, а количество парусов не менее 3.

Оптимально, если в ветроэнергоустановке угол пересечения продольной оси мачты с направлением осей вращения парусов выполнен примерно между 5 и 30o.

Оптимально, если площадь меньшей части паруса составляет 10.30% от площади паруса.

Технические решения, содержащие совокупность отличительных признаков предложенного решения, заявителю неизвестны, что является доказательством новизны предложения, а каждый из признаков отличительной части со всей очевидностью не следует из уровня техники, что является доказательством наличия изобретательского уровня в предложении.

На фиг. 1, 2 и 3 представлены проекции общего вида ветроэнергоустановки по трем осям координат, на фиг. 4 и 5 места крепления паруса, на фиг. 6, 7 и 8 изображения, поясняющие действие ветроэнергоустановки при движении корабля встречным к ветру курсом, на фиг. 9 зависимость вращательного момента, создаваемого ветродвигателем в различных фазах движения парусов вокруг мачты при обдуве ветром, на фиг. 10 зависимость развиваемой ветроэнергоустановкой удельной мощности от скорости ветра в сравнении с установкой пропеллерного типа.

Ветроэнергоустановка по фиг. 1, 2 и 3 смонтирована в корпусе корабля и содержит мачту 1, паруса 2, оси 3, трансмиссию 4, гребной винт 5, реи 6, ограничители 7, подшипник 8 и кронштейн 9.

Кронштейн 9 по фиг. 4 установлен на вершине мачты 1; в нем закреплены подшипники 10, в которые установлены оси 3. На концах осей 3 с помощью гаек 13 укреплены верхние растяжки 11, в которых закреплены паруса 2.

Реи 6 по фиг.5 укреплены в основании мачты 1, на концах рей 6 смонтированы подшипниковые узлы с подшипниками 10 и осями 3, аналогичные установленным на кронштейн 9. Нижняя растяжка 12, в которой закреплена нижняя часть паруса 2, установлена на оси 3 и закреплена гайкой 13 подобно верхней растяжке 11. Ограничители 7 установлены на реях 6 и выполнены из аммортизирующего материала.

Оси 3 верхней и нижней частей каждого из парусов 2 расположены на одной прямой, пересекающейся с продольной осью мачты 1 под углом а (см. фиг. 3). Величина этого угла в зависимости от конфигурации паруса может выполняться в пределах между 0 и 90o. Для прямоугольного паруса величина а может быть близкой к нулю, направление осей вращения парусов близко к параллели с продольной осью мачты. Для косого паруса, какой показан на фиг. 1 и др. величина угла а определяется геометрией паруса и размерами кронштейна 9, рей 6, верхней и нижней растяжек 11 и 12, оптимальным же является угол примерно между 5 и 30o.

Каждый парус 2 своими осями вращения разделен на две неравные по площади части, причем большая по площади часть каждого паруса расположена между осями вращения 3 и продольной осью симметрии мачты 1. Площадь меньшей части паруса составляет 10.30% от площади паруса, за счет чего центр давления паруса точка приложения результирующей аэродинамической силы, действующей на парус, располагается в зоне между осями вращения паруса и мачтой, обеспечивая этим условие "управляемости" паруса набегающим потоком.

Угол поворота парусов 2 на своих осях 3 ограничен примерно 180o за счет соответствующего расположения ограничителей 7 на реях 6.

Количество парусов ветроэнергоустановки не менее трех, выбрано из условия исключения "мертвых" зон при любом произвольном направлении ветра и при любом произвольном курсе корабля по отношению к направлению ветра.

Если бы конструкция содержала только два паруса, симметрично расположенных вокруг мачты, возникла бы вероятность такого случая, когда оба паруса окажутся в одной плоскости и эта плоскость совпадет с направлением ветра. Тогда вращательный момент, создаваемый устройством, стал бы равен нулю. Т.е. возникла бы "мертвая" зона, в которой устройство неработоспособно.

Действие описанного устройства поясняется фиг. 6, 7 и 8, где изображен частный случай движения корабля при встречном ветре, стрелкой со значком V показан вектор скорости ветра, значком B обозначен угол между вектором V и парусом, находящимся в рабочей зоне, угловая скорость мачты обозначена как Wм. При этом два остальных паруса развернуты плоскостями по ветру и находятся во флюгирующем положении.

В общем случае при произвольном направлении ветра по отношению к курсу корабля и положению парусов ветер, встречаясь с поверхностями парусов, за счет скоростного напора поворачивает паруса 2 вокруг осей 3. При этом паруса, находящиеся справа от плоскости, образованной вектором скорости ветра и продольной осью мачты, прижимаются к ограничителям 7, а паруса, находящиеся слева, разворачиваясь на осях 3, выходят из касания с ограничителями 7 и занимают флюгирующее положение по направлению ветра.

Вследствие таких поворотов паруса 2, находящиеся слева от мачты 1, занимают по отношению к набегающему потоку положение, в котором их аэродинамическое сопротивление становится минимальным, а паруса 2, находящиеся справа от мачты 1, занимают положение, в котором их аэродинамическое сопротивление возрастает до максимума. В результате этого возникает вращательный момент, приложенный к мачте 1, и последняя приобретает угловую скорость Wм.

В тот момент, когда плоскость одного из парусов 2 вместе со своими осями 3 проходит плоскость, параллельную вектору скорости ветра V (точка А на фиг. 9, IV), ветер начинает воздействовать на этот парус с тыльной стороны и поворачивает его вокруг собственных осей 3 на примерно на 180o до упора передним коротким плечом растяжки 12 в ограничитель 7.

По мере дальнейшего продвижения по круговой траектории рассматриваемый парус отходит от ограничителя 7, встает по направлению ветра и начинает испытывать минимальное аэродинамическое сопротивление. Этот процесс периодически повторяется при прохождении каждого последующего паруса 2 через точку А. Таким образом обеспечивается постоянство направления вращения мачты 1. Смена направления ветра приводит лишь к соответствующему довороту парусов 2 вокруг своих осей 3, оставляя направление вращения мачты 1 неизменным.

Фиг. 6, 7 и 8 иллюстрируют сказанное, на них показаны проекции корабельной ветроэнергоустановки по трем осям координат по отношению к вектору скорости ветра V с парусами, соответствующим образом развернутыми по отношению к ветру.

Вращательный момент от мачты 1, установленной в подшипниках 8, через трансмиссию 4 передается на гребной винт 5, приводящий корабль в движение. При этом направление движения корабля не зависит от направления ветра по описанным выше причинам.

Механическая мощность на валу ветроэнергоустановки N может быть выражена как произведение вращательного момента Mвр, создаваемого парусами, на угловую скорость мачты Wм ветроэнергоустановки, т.е.

N MврWм.

Вращательный момент Mвр может быть выражен как произведение аэродинамической силы X на плечо r (расстояние от центра давления паруса до продольной оси симметрии мачты), т.е.

Mвр Xr,



Cx аэродинамический коэффициент;

V скорость ветра;

Vn окружная скорость центра давления паруса;

Sn площадь паруса;

p плотность воздуха.

Угловая скорость мачты Wм определяется как



Таким образом, выражение мощности, развиваемой ветродвигателем, можно представить в виде:

.

Определим окружную скорость паруса Vп, при которой ветроэнергоустановка развивает максимальную мощность Nmax, для этого раскроем выражение в скобках формулы (1):

;

Продифференцируем dN по dVn:

.

Для отыскания максимума приравниваем выражение в скобках к нулю и решаем квадратное уравнение

V2 4VVn + 3Vn2

Корни уравнения: Vп1 V; Vn2 V/3.

Корень Vn1 соответствует холостому ходу, Vn2 максимальной мощности ветроэнергоустановки.

Приведенным исследованием уравнения мощности, развиваемой вертоэнергоустановкой с вертикальной мачтой и парусами, самоустанавливающимися в потоке, показано, что максимальная мощность развивается при окружной скорости паруса, равной 1/3 скорости набегающего потока, т.е. результирующей сложения векторов скорости ветра и скорости корабля.

На парус ветроэнергоустановки, находящийся в рабочем положении, т.е. когда он опирается на ограничитель и создает вращательный момент на мачте, действует аэродинамическая сила R, являющаяся результатом сложения силы лобового сопротивления X и подъемной силы Y (при произвольном положении паруса по отношению к направлению ветра).

Для представленной схемы действия можно записать:



Cx(B), Cy(B) коэффициенты аэродинамического сопротивления паруса в функции угла атаки B;

Sn площадь паруса.

Как указывалось выше, максимальную мощность ветроэнергоустановка развивает при скорости паруса Vn1/3V, поэтому выражение для сил X и Y можно переписать в виде:

X=2/9Cx(B)pV2Sп; Y=2/9Cy(B)pV2Sп

После соответствующих преобразований выражение R примет вид:



а выражение вращательного момента на мачте ветроэнергоустановки

Mвр R(B)ri(B),

где

R(B), ri(B) текущие значения результирующей аэродинамической силы и расстояния от точки ее приложения до оси вращения в функции угла атаки паруса B.

На фиг. 9 представлена зависимость вращательного момента M, создаваемого парусами при их вращении вокруг продольной оси мачты под разными углами B по отношению к направлению ветра.

При угле B между плоскостью паруса и вектором скорости ветра V равном 90o, на этот парус действует только аэродинамическая сила лобового сопротивления X, пропорциональная боковой площади паруса, а на остальные два паруса пропорциональная площади передней кромки паруса.

При угле B более 90o на парус (фиг. 9-II), прижатый к ограничителю, одновременно действует и аэродинамическая подъемная сила Y, которая приводит к возрастанию результирующей аэродинамической силы R и момента M, который достигает максимума при углах примерно 150o (фиг. 9-III). Величина аэродинамической силы, действующей на остальные два паруса, пока те находятся во флюгирующем положении, остается примерно постоянной и минимальной.

При угле B 180o (фиг.9-IV), как это отмечалось выше, плоскость паруса 2 и его осей 3 проходит точку А, ветер начинает действовать на парус с тыльной стороны и разворачивает его на 180o, переводя этот парус во флюгирующее положение, в то же время смежный с ним парус, вошедший в рабочую зону, за счет подъемной силы Y продолжает создавать вращательный момент, действующий на мачту.

Оценка технического эффекта, создаваемого предлагаемой ветроэнергоустановкой, показывает, что удельная мощность, снимаемая с единицы площади паруса, составляет 0,3.4,0 кВт/кв.м в диапазоне скоростей ветра примерно от 5 до 25 м/с, что в несколько раз превышает этот показатель для ветроэнергоустановок пропеллерного типа. На фиг. 10 показана расчетная зависимость удельной мощности предлагаемой ветроэнергоустановки (кривая 1) в сравнении с типичной зависимостью для ветроэнергоустановки пропеллерного типа (кривая 11).

Применительно к кораблям такая ветроэнергоустановка создает возможность плавания любым курсом независимо от направления ветра, а также позволяет увеличить примерно на 30% площадь парусного вооружения по сравнению с таким же кораблем, несущим паруса, закрепленные обычным способом на неподвижной мачте, т. к. ветровые нагрузки, как это следует из приведенных исследований мощности, для вращающейся мачты пропорциональны скоростному напору, составляющему 2/3 от полного.

Таким образом, предлагаемая ветроэнергоустановка обеспечивает получение более высокой удельной мощности, снимаемой с единицы площади паруса или единицы массы конструкции, и исключает возможность появления "мертвых" зон при обдуве ветром с любых произвольных направлений. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Ветроэнергоустановка преимущественно для кораблей, содержащая мачту с парусами, трансмиссию и движитель, или другой преобразователь энергии, в которой мачта установлена с возможностью вращения вокруг продольной оси симметрии и связана с движителем через трансмиссию, а паруса установлены симметрично вокруг мачты, отличающаяся тем, что каждый парус выполнен с возможностью поворота вокруг оси, направленной под углом к продольной оси симметрии мачты, и своей осью вращения разделен на две неравные по площади части, угол поворота паруса ограничен 180o, причем большая по площади часть каждого паруса расположена между осью вращения и продольной осью мачты, а количество парусов не менее 3.

2. Ветроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что угол пересечения продольной оси мачты с направлением осей вращения парусов выполнен между 5 и 30o.

3. Ветроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что площадь меньшей части паруса составляет 10-30% площади паруса.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru