ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК F03D1/00 

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам малой мощности с горизонтальной осью вращения ветроколеса.

Изобретение может быть использовано при проектировании и изготовлении ветроэнергетических установок.

В ветроэнергетике широко используют ветроэнергетические установки с горизонтальной ось вращения. Такие установки состоят из ветроколеса (ВК) с несколькими лопастями насаженного, как правило, на ось электрического генератора (Г), закрепленную в подшипниках. На оси генератора собран ротор, состоящий, как правило, из закрепленных на нем постоянных магнитов или магнитопровода. Ротор вращается внутри статора, состоящего из пакета с пазами и уложенной в них обмотке однофазной или трехфазной. С генератором соединено флюгерное устройство (ФУ), при помощи которого производится поворот всего узла ветроколесо - генератор - флюгерное устройство (ВК-Г-ФУ) так, чтобы плоскость вращения ветроколеса была перпендикулярна вектору скорости ветра. Ветроколесо, генератор и флюгерное устройство устанавливаются на мачту, причем, чтобы обеспечить установку ветроколеса "по ветру", этот узел должен поворачиваться относительно мачты на любой угол, в том числе несколько оборотов, для чего устанавливаются подшипники.

Поворот узла ВК-Г-ФУ относительно мачты зависит от последовательности изменений направления вектора скорости ветра, которые, как правило, происходят случайным образом.

Так как электродвижущая сила и ток вырабатываются в генераторе, то необходимо обеспечить передачу тока от генератора на неподвижные конструкции мачты. Эта передача в существующих установках осуществляется двумя способами:
1 способ: между подвижной и неподвижной частями ставятся контактные кольца и съемные щетки (две или три пары).

2 способ: передача тока производится кабелем, который допускает закрутку на некоторое ограниченное количество оборотов.

И 1-ый, и 2-ой способ имеют существенные недостатки, снижающие надежность ветроэнергетической установки.

Недостатки 1-го способа.

Наличие контактных колец, по которым скользят щетки в условиях работы ветроэнергетической установки при любой погоде, в любое время года не могут обеспечить надежный контакт, отсутствие истирания, замыканий от влаги, искрение, требуют периодического обслуживания (промывки, очистки), что крайне затруднено, т.к. этот узел находится на верхнем конце мачты. Сам по себе узел контактных колец трудоемок в изготовлении, требует применения, как правило, дорогостоящих материалов, не подвергающихся коррозии.

Недостатки 2-го способа.

Передача электрической энергии по кабелю достаточно надежна и дешева, однако учитывая, что верхняя часть кабеля, связанная с узлом ВК-Г-ФУ, а нижняя связана с мачтой, они могут быть повернуты друг относительно друга практически на несколько оборотов, и при сильной закрутке кабель может порваться или может нарушиться изоляция его жил. Чтобы избежать обрыва и повреждений кабеля, необходимо постоянное наблюдение за степенью его закрутки и периодическое "откручивание" его до нормального состояния, что трудно в условиях обслуживания и невозможно при необслуживаемой автономной эксплуатации. Устройство передачи электроэнергии по 2-му способу принимается за прототип.

Для решения задачи надежной передачи тока от вращающегося узла ВК-Г-Ф на мачту - в данном изобретении предлагается аналогично 2-му способу осуществить передачу тока кабелем, проходящим внутри мачты, однако установить в ветроэнергическую установку устройство, ограничивающее закрутку кабеля и обеспечивающего его автоматическую "открутку".

Сущность этого устройства заключается в следующем.

Узел ВК-Г-ФУ крепится на вертикальной оси (фиг. 1), ось 1 установлена в подшипниках 3, 4 в трубе 2, которая соединяется с мачтой. Вращение оси 1 относительно трубы 2 (т.е. поворот узла ВК-Г-ФУ относительно мачты) ограничено пружиной 5.

Ось 1 пустотелая, и электрический кабель от генератора проходит внутри нее и далее внутри мачтовой трубы, имея возможность за счет упругих свойств скручиваться на ограниченное число оборотов без угрозы повредить изоляцию или оборваться.

Пружина допускает поворот узла на несколько оборотов под действием ветра в любую сторону, а при стихании ветра, в промежутках между порывами под действием пружины узел ВК-Г-ФУ возвращается в незакрученное состояние.

Таким образом, узел ВК-Г-ФУ периодически подвергается закрутке и раскрутке.

Чтобы выполнить поставленную задачу предлагается спиральное пружинное устройство следующей конструкции.

Пружина 5 состоит из двух плеч, разъединенных перемычкой. Перемычка входит в паз шайбы 6, соединенной винтами 9 с трубой 2. Два других конца пружины загнуты по радиусу полуокружности в сторону пружины и соединяются с узлом ВК-Г-ФУ цилиндрическими штырями 7, 8 с головками, которые либо скользят между витками при относительном повороте оси 1 и трубы 2, либо входят в закругление на конце и закручивают одну из половин пружины. При повороте, например, против часовой стрелки один из штырей 7, прикрепленных перпендикулярно к оси мачты по обе стороны перемычки, зайдя в закругление, закручивает пружину, другой штырь 8 скользит между витками пружины (этот момент изображен на фиг. 2). Наоборот, при повороте по часовой стрелке штырь 8 после нескольких оборотов, двигаясь между витками пружины, доходит до закругления и начинает закручивать пружину в другую сторону, в это время штырь 7 скользит между витками. Юстировкой можно сделать так, что при нескольких оборотах около нулевого положения поворот узла ВК - Г - ФУ будет происходить без упругого противодействия пружины и относительный момент будет вызван только незначительным трением штыря, скользящего между витков в пружине.

Такая конструкция пружинного устройства обеспечивает:
- практически свободный поворот узла ВК - Г - ФУ на несколько оборотов (разных числу целых витков пружины, на которые штырь удален от конца пружины). Учитывая, что пружина навита с зазором между витками, в которых скользит штырь, и смазана, дополнительное трение при относительном повороте узла ВК - Г - ФУ незначительно;
- упругий поворот узла ВК - Г - ФУ также на несколько оборотов;
- возврат в исходное положение (пружина не заведена, штыри не входят в закрепления на концах пружины и свободно располагаются между ее витками) в промежуток времени между порывами ветра;
- благодаря разделению пружины на два плеча ее работа производится с соблюдением одного из основных правил нормальной работы;
- во всех случаях пружина работает только на скручивание.

Применение предлагаемого устройства в ветроэнергической установке производится с целью обеспечения надежной передачи электрической энергии от электрического генератора, находящегося на подвижной части установки, на неподвижную (мачту, блок управления), причем генератор соединен с блоком управления при помощи кабеля.

Использование: относится к области ветроэнергетических установок. Сущность изобретения: ветроэлектрическая установка, в которой узел -ветроколесо - генератор - флюгерное устройство соединен с мачтой посредством спиральной пружины с перемычкой посередине и с закрученными краями, что обеспечивает свободный поворот под действием ветра и возврат узла после закрутки в исходное положение с целью исключения сильной закрутки кабеля и его разрыва. 2 ил.

Ветроэнергетическая установка, состоящая из ветроколеса с горизонтальной осью вращения, электрического генератора, флюгерного устройства, объединенных в единый узел, вращающийся в подшипниках относительно вертикальной оси, мачты, блока управления, электрического кабеля, проходящего внутри мачты и соединяющего генератор с блоком управления, отличающаяся тем, что узел ветроколесо - генератор - флюгерное устройство соединяется с мачтой посредством спиральной пружины, ось которой совпадает с осью мачты и выполненной в виде двух плеч с перемычкой посередине, причем концы пружины загнуты в сторону пружины, образуя полуокружности, а перемычка входит в прорезь шайбы, скрепленной с мачтой, в узле ветроколесо - генератор - флюгерное устройство крепятся перпендикулярно оси мачты по обе стороны перемычки пружины на расстоянии нескольких витков от ее обоих концов два цилиндрических штыря с головками, цилиндрическая часть которых проходит между витками пружины.