ВЕТРОЭЛЕКТРОУСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК F03D3/02 F03D7/06 

Изобретение относится к ветроэлектроэнергетике и касается установок с ветродвигателями, имеющими вертикальную ось вращения.

Известна ветроэлектроустановка (а.с. N 1307081, 1987, Бюл. N 16), содержащая вертикальный вращающийся вал с размещенными на нем по ярусам лопастями, имеющими для повышения КПД возможность разнесения по радиусу от вала и разворота вокруг собственной оси в зависимости от силы и направления ветра на различных высотах по ярусам.

Недостатками такой установки являются сложность определения потоков ветра в общем вихре при вращении лопастей и регулирования последних, а также увеличение трения в опорных подшипниках, особенно в основании вращающегося вала за счет его прогиба при усилении силы ветра.

Известна ветроэлектроустановка (пат. Великобритании N 1486 338, 1977), включающая вращающийся вал с размещенными на нем траверсами с лопастями и втулкой с рулевой лопастью. При этом каждая из звездочек лопасти сообщена со своей звездочкой на втулке и положением рулевой лопасти корректируется положение лопастей ветроэлектроустановки. Соотношение зубьев звездочек 1:2 использовано из ранее известного изобретения.

Недостатками являются ненадежная корректировка положения лопастей рулевой лопастью из-за наличия аэродинамического следа из турбулентных вихрей позади мачты в ветровом потоке (ж. ИР 87/9, с. 8, абз.7), снижение КПД из-за большого числа цепных передач и перекоса подшипника в основании прогнутого по ветру вращающегося вала.

Наиболее близким по совокупности признаков (прототипом) является техническое решение, включающее вращающийся вертикальный вал с лопастями, звездочки которых в соотношении 1:2 сообщены со звездочками, расположенными соосно на валу. Причем звездочки вала не вращаются вместе с валом, а посредством шестерен, втулок и муфт сообщены с центробежным регулятором, который, регулируя положение лопастей в зависимости от изменения скорости ветра или нагрузки на электрогенераторе, стабилизирует скорость вращения лопастей вокруг вала.

Недостатками устройства являются большое количество цепных передач, снижающих КПД установки и сложные и громоздкие металлоконструкции, удерживаю- щие вал от перегиба при ветровой нагрузке, и в то же время резко снижающие полезную площадь лопастей в занятом под ветроустановку пространстве.

Сущностью изобретения является то, что в ветроэлектроустановке, содержащей расположенный на фундаменте вертикальный вал с траверсами с установленными на них лопастями со звездочками, связанными в соотношении 1:2 цепной передачей с блоком звездочек, соосно размещенном на валу, и электрогенератор, вертикальный вал с жестко и соосно закрепленными на нем статором электрогенератора и двумя звездочками установлен с возможностью поворота, а траверсы с лопастями и ротором электрогенератора установлены с возможностью вращения на верхнем конце вала, при этом каждая из звездочек вала связана цепью с одной из половин звездочек лопастей.

На фиг. 1 изображена предлагаемая ветроэлектроустановка, общий вид; на фиг.2 - схема положения лопастей, цепей.

Ветроэлектроустановка (фиг. 1) состоит из вала 1 с закрепленным на нем статором 2, который установлен также внутри ротора 3 электрогенератора. На валу 1 закреплены звездочки 4 и 5 одинакового диаметра и колесо 6е, выполненное совместно с червяком 7, например, в виде червячной пары. Червяк 7 сообщен со штурвалом 8, закрепленным на опорной стойке 9, внутри которой установлен вал 1 с опорой на подшипник 10. Опорная стойка 9 закреплена на фундаменте 11. На верхний торец вала 1 через подшипник 12 и 13 навешена траверса 14, состоящая из верхнего 15 и нижнего 16 коромысла, связанных между собой для жесткости связями 17. На периферии коромысел 15 и 16 в узлах подшипников 18 установлены лопасти 19, на осях вращения лопастей установлены звездочки 20 и 21 удвоенного по отношению к звездочкам 4 и 5 диаметра, которые охвачены планетарно цепью 22 и 23 со звездочками 4 и 5 соответственно. Нижнее коромысло 16 жестко связано с ротором 3 электрогенератора, который для защиты от атмосферных осадков и защиты от тока закрыт кожухом 24. Если на траверсе 14 закреплено несколько пар лопастей, то цепь 25 (см. фиг.2) охватывает планетарно одну из звездочек 4 (или 5) и все звездочки 21 удвоенного диаметра одной половины лопастей 19, другая цепь 26 огибает также планетарно другую звездочку 5 (или 4) и звездочки 21 удвоенного диаметра второй половины лопастей 19. Деление звездочек лопастей пополам произвольное.

При монтаже одну лопасть устанавливают вдоль диаметра круга, а на другом конце диаметра перпендикулярно к нему. В этом положении лопастей звездочки 20 и 21 охватывают цепью, соответственно, со звездочками 4 и 5. Если на ветроэлектроустановке несколько пар лопастей, то каждую последующую лопасть устанавливают с поворотом на угол α относительно предыдущей лопасти. Угол α конкретной лопасти находят по формуле
α_i= (n_i-1) где n - число лопастей,
n_i - конкретные лопасти - 1, 2, 3 и т.д.

180^о - угол поворота лопасти за один оборот траверсы.

После установки лопастей звездочки фиксируют цепями.

Ветроустановка работает следующим образом. Имея одинаковое соотношение передачи 1:2 между звездочками вала и лопастей, лопасти занимают требуемое положение при переходе от одной позиции к другой всего с двумя цепями при любом количестве лопастей.

Минимальное количество цепей при любом количестве лопастей уменьшает трение и повышает КПД установки.

Перенос подшипника 12 на верхний конец вала и поддерживающего подшипника 13 в основание нижней траверсы существенно влияет на характер вращения ветроэлектроустановки. Сам вал может прогибаться и даже наклонять траверсы с лопастями, но это мало влияет на трение в подшипнике на верхнем конце вала. Сам вал не вращается и поэтому снижается общая масса вращающихся частей. На вращение не влияет увеличение трения в подшипника в основании вала от прогиба последнего при ветре. Эти преимущества позволяют работать установке при более слабом ветре и повысить КПД.

Регулирование скорости вращения лопастей осуществляют поворотом вала. От прогиба вала подшипник в основании может быть и перекошен, но он не влияет на вращение электрогенератора. Звездочки 4 и 5 закреплены на валу, поэтому положение лопастей не меняется относительно вала, но меняется относительно ветра. Поворотом штурвала 8 уменьшают площадь восприятия ветра правой стороной и увеличивают левую, либо наоборот, что приведет к уменьшению или увеличению разности воспринимаемых от ветра давлений на стороны траверсы и, соответственно, скорости вращения. При этом штурвал может приводиться в движение автоматически известными способами, а направление ветра определяют датчиками, установленными на расстоянии от ветроустановки, исключающими влияние собственных вихрей.

При большом количестве использования ветроэлектроустановок в семейных, фермерских, арендных и хозяйствах других форм собственности может произойти резкое снижение расхода энергии из государственных электросетей, что может являться альтернативной атомной энергетике, приведет к улучшению экологической обстановки в регионах.

Использование: ветроэнергетика. Сущность изобретения: ветроэлектроустановка содержит расположенный на фундаменте вертикальный вал 1 с траверсами 14 с установленными на них лопастями 19 со звездочками 20, 21, которые связаны в соотношении 1 : 2 цепной передачей с блоком звездочек 4, 5, соосно размещенном на валу, и электрогенератор. Вертикальный вал с жестко и соосно закрепленными на нем статором 3 электрогенератора и двумя звездочками 4, 5 установлен с возможностью поворота, а траверсы с лопастями и ротором 2 электрогенератора установлены с возможностью вращения на верхнем конце вала, при этом каждая из звездочек вала связана цепью 25 с одной из половин звездочек лопастей. 2 ил.

ВЕТРОЭЛЕКТРОУСТАНОВКА, содержащая расположенный на фундаменте вертикальный вал с траверсами с установленными на них лопастями со звездочками, связанными в соотношении 1 : 2 цепной передачей с блоком звездочек, соосно размещенным на валу, и электрогенератор, отличающаяся тем, что вертикальный вал с жестко и соосно закрепленными на нем статором электрогенератора и двумя звездочками установлен с возможностью поворота, а траверсы с лопастями и ротором электрогенератора установлены с возможностью вращения на верхнем конце вала, при этом каждая из звездочек вала связана цепью с одной из половин звездочек лопастей.