ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроагрегатах большой мощности, имеющих вертикальную ось вращения.

Известна гидроветровая энергетическая установка (1), содержащая заякоренный вертикальный цилиндрический понтон с охватывающим его двумя кольцевыми понтонами, которые способны вращаться в противоположные стороны посредством противоположно ориентированных вертикальных лопастей, ротор и статор электрогенератора установлены соответственно на внутреннем и наружном кольцевых понтонах.

Недостатками такой установки являются:
1. Трудность создания надежного узла соединения двух, вращающихся в разные стороны кольцевых понтонов, выполняющих роль статора и ротора электрогенератора, учитывая значительные скорости вращения понтонов при больших неравномерных горизонтальных нагрузках от высоких вертикальных лопастей, волновые и ледовые нагрузки.

2. Большие потери на трение понтонов о воду, учитывая, что сила сопротивления движению имеет квадратичную зависимость от скорости и прямую от площади и шероховатости поверхности, находящейся под водой.

3. Значительные потери тепла на обогрев понтонов в зимнее время года, учитывая большой объем окружающей воды.

4. Зависимость ширины лопастей от ширины понтонов, что требует создания высоких консольно нагруженных лопастей.

Известен ветродвигатель (2), содержащий вертикальную башенную опору, установленные на ней верхний и нижний подшипниковые узлы и ротор с лопастями, закрепленные на полом валу, охватывающем башенную опору и посаженном на подшипниковые узлы, верхний подшипниковый узел дополнительно снабжен подпятником, верхняя часть вала установлена консольно относительно башенной опоры и оперта на подпятник, причем подпятник расположен выше центра массы ротора.

Недостатками этого ветродвигателя, особенно при его большой мощности, являются:
1. Практически исключение из работы гибких тяг при действии центробежных, аэродинамических и тянущих сил ввиду горизонтальную размещения жестких траверс.

2. Большие горизонтальные нагрузки на верхний подшипниковый узел при работе от действия аэродинамических сил, которые не компенсируются моментом от действия сил тяжести ротора.

3. Сложность создания верхнего подшипникового узла с подпятником способного воспринимать большие пульсирующие вертикальные и горизонтальные нагрузки.

Известны ветроэнергетические установки (3) и (4), содержащие основание, расположенную на нем кольцевую трассу и установленные на последней тележке с лопастями аэродинамического профиля, присоединенные к ним траверсы с центральными опорным узлом, выполненным в виде радиального подшипника, ванты, электрические мотор-генераторы, которые имеют общий кольцевой статор, размещенный под трассой, а ротор каждого мотор-генератора расположен на каждой из опорных тележек.

Недостатками таких ветроэнергетических установок, особенно при их большой мощности, являются:
1. Значительный рост нагрузок от центробежных и аэродинамических сил при работе на опоры движения и, как следствие, увеличение потерь на трение.

2. Сложность создания таких опор-тележек с мотор-генераторами, которые бы были способны воспринимать большие, циклично меняющиеся нагрузки и не увеличивали бы потери на трение.

3. Возможность появления значительных тормозных усилий в ребордах колес опор-тележек от температурных и больших растягивающих усилий от центробежных и аэродинамических сил в траверсе.

4. Исключение траверс, соединяющих лопасти, из работы как рычага, ввиду размещения мотор-генераторов на тележках под лопастью.

5. Ограниченность применения по климатическим условиям (снег, гололед, вода от дождя) из-за размещения статора мотор-генераторов между рельсовыми путями тележек с роторами.

6. Отсутствие жестких траверс, поддерживающих лопасти от действия ветровых нагрузок и аэродинамических сил, направленных к оси вращения.

Целью изобретения является уменьшение потерь на трение от вертикальных нагрузок, создаваемых центробежными, аэродинамическими и тянущими силами, снижение металлоемкости, повышение коэффициента использования энергии ветра.

Эта цель достигается тем, что нижний подшипниковый узел дополнительно снабжен подпятником в виде понтона кольцевой конструкции, лопасти аэродинамического профиля выполнены в виде жестко соединенных с наклонной фермой двух консолей, лопасти установлены на значительном расстоянии от поверхности земли с помощью наклонных ферм, изготовленных из элементов аэродинамического профиля, и гибких тяг с обтекателями, угол наклона ферм выбираются исходя из оптимального распределения усилий между фермой, гибкой тягой с обтекателем, растяжкой и лопастью, вращающий момент от тянущих сил, действующий на лопасти, передается на понтон кольцевой конструкции с помощью растяжек и наклонных ферм, установка снабжена инерционным аккумулятором в виде плавучей опоры с жидкой средой, имеющей низкую температуру замерзания, которая, вовлекаясь во вращательное движение при работе установки, уменьшает потери на трение и затраты тепла на подогрев ее при очень низких температурах воздуха, выработка электроэнергии производится через узел снятия полезной нагрузки на нескольких стандартных генераторах различной мощности по безредукторной схеме, мощность и количество генераторов определяется исходя из укрупненных ступеней изменения скорости ветра, запуск установки в работу осуществляется одним двигателем или мотор-генератором с мощностью специально определенной для целей запуска, узел снятия полезной нагрузки выполнен в виде обода-рычага, жестко связанного с понтоном и контактирующего наружной стороной с катками генераторов.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом (2) и другими техническими решениями, известными в данной области техники (2.5 и др.), показало его соответствие критериям изобретения.

Изобретение поясняется графическим материалом. На фиг.1 изображен план предлагаемой ветроэнергетической установки (без гибких тяг); на фиг.2 разрез по А-А.

Ветроэнергетическая установка содержит расположенную в круглом бассейне 1 плавучую опору 2, установленное на ней ветроколесо с вертикальной осью вращения с лопастями аэродинамического профиля 3, вращающуюся вокруг железобетонной башенной опоры 4, опираясь на верхний 5 и нижний 6 подшипниковые узлы. Нижний подшипниковый узел 6 дополнительно снабжен подпятником в виде понтона кольцевой конструкции 7. Лопасти аэродинамического профиля 3 выполнены в виде жестко соединенных с наклонной фермой 8 двух консолей, лопасти 3 установлены на значительном расстоянии от поверхности земли с помощью наклонных ферм 8, изготовленных из элементов аэродинамического профиля, и гибких тяг с обтекателями 9. Угол наклона ферм 8 выбирается исходя из оптимального распределения усилий между фермой 8, гибкой тягой с обтекателем 9, растяжкой 15 и лопастью 3, вращающий момент от тянущих сил, действующий на лопасти 3, передается на понтон кольцевой конструкции 7 с помощью растяжек 15 и наклонных ферм 8. Установка снабжена инерционным аккумулятором в виде плавучей опоры 2 с жидкой средой 10, имеющей низкую температуру замерзания, которая вовлекаясь во вращательное движение при работе установки, уменьшает потери на трение и затраты тепла на подогрев при очень низких температурах воздуха. Выработка электроэнергии производится через узел снятия полезной нагрузки на нескольких стандартных генераторах 11 различной мощности по безредукторной схеме, мощность и количество генераторов 11 определяется исходя из укрупненных ступеней изменения скорости ветра, запуск установки в работу осуществляется одним двигателем или мотор-генератором 12 с мощностью, специально определенной для целей запуска, узел снятия полезной нагрузки выполнен в виде обода-рычага 13, жестко связанного с понтоном 7 и контактирующего наружной стороной с катками генераторов 14.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом:
При запуске установки в работу двигатель или мотор-генератор 12, работая в двигательном режиме, через обод-рычаг 13 и каток 14 плавно разгоняет ветроколесо с лопастями аэродинамического профиля 3 до устойчиво постоянной скорости вращения. После чего включают в работу генераторы 11, число и мощность которых определяется скоростью ветра.

Такое выполнение ветроэнергетической установки позволяет:
уменьшить потери на трение в подпятнике и лобовое давление воздушного потока на ветроколесо;
снизить металлоемкость;
применить стандартные генераторы по безредукторной схеме.

Предлагаемую ветроэнергетическую установку возможно и целесообразно использовать при проектировании и строительстве энергетических установок большой мощности, работающих как автономно, так и в энергокомплексе ВЭС+ГАЭС, а также в общую сеть с крупными тепловыми стандартами и гидроэлектростанциями.

Использование: Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроагрегатах большой мощности, имеющих вертикальную ось вращения. Сущность изобретения: Ветроэнергетическая установка содержит расположенную в круглом бассейне плавучую опору, установленное на ней ветроколесо с вертикальной осью вращения с лопастями аэродинамического профиля, вращающуюся вокруг железобетонной башенной опоры, опираясь на верхний и нижний подшипниковые узлы. Нижний подшипниковый узел дополнительно снабжен подпятником в виде понтона кольцевой конструкции. Лопасти аэродинамического профиля выполнены в виде жестко соединенных с наклонной фермой двух консолей, лопасти установлены на значительном расстоянии от поверхности земли с помощью наклонных ферм, изготовленных из элементов аэродинамического профиля, и гибких тяг с обтекателями. Угол наклона ферм выбирается исходя из оптимального распределения усилий между фермой, гибкой тягой с обтекателем, растяжкой и лопастью, вращающий момент от тянущих сил, действующий на лопасти, передается на понтон кольцевой конструкции с помощью растяжек и наклонных ферм. Установка снабжена инерционным аккумулятором в виде плавающей опоры с жидкой средой, имеющей низкую температуру замерзания, которая, вовлекаясь во вращательное движение при работе установки, уменьшает потери на трение и затраты тепла на подогрев при очень низких температурах воздуха. Выработка электроэнергии производится через узел снятия полезной нагрузки на нескольких стандартных генераторах различной мощности по безредукторной схеме, мощность и количество генераторов определяется исходя из укрупненных ступеней изменения скорости ветра, запуск установки в работу осуществляется одним двигателем или мотор-генератором с мощностью специально определенной для целей запуска, узел снятия полезной нагрузки выполнен в виде обода-рычага, жестко соединенного с понтоном, и контактирующего наружной стороной с катками генераторов. 4 з.п., ф-лы, 2 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая расположенную в круглом бассейне плавучую опору, установленное на ней ветроколесо с вертикальной осью вращения с лопастями аэродинамического профиля, вращающуюся вокруг железобетонной башенной опоры, опираясь на верхний и нижний подшипниковые узлы, отличающаяся тем, что нижний подшипниковый узел дополнительно снабжен подпятником в виде понтона кольцевой конструкции. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что лопасти аэродинамического профиля выполнены в виде жестко соединенных с наклонной фермой двух консолей, лопасти установлены на значительном расстоянии от поверхности земли с помощью наклонных ферм, изготовленных из элементов аэродинамического профиля, и гибких тяг с обтекателями. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что угол наклона ферм выбирают исходя из оптимального распределения усилий между фермой, гибкой тягой с обтекателем, растяжкой и лопастью, вращающий момент от тянущих сил, действующий на лопасти, передается на понтон кольцевой конструкции с помощью растяжек и наклонных ферм. 4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что установка снабжена инерционным аккумулятором в виде плавающей опоры с жидкой средой, имеющую низкую температуру замерзания, которая, вовлекаясь во вращательное движение при работе установки, уменьшает потери на трение и затраты тепла на подогрев при очень низких температурах воздуха. 5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что выработка электроэнергии производится через узел снятия полезной нагрузки на нескольких стандартных генераторах различной мощности по безредукторной схеме, мощность и количество генераторов определяется исходя из укрупненных ступеней изменения скорости ветра, запуск установки в работу осуществляется одним двигателем или мотор-генератором с мощностью, специально определенной для целей запуска, узел снятия полезной нагрузки выполнен в виде обода-рычага, жестко связанного с понтоном и контактирующего наружной стороной с катками генераторов.