ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2000 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к ветроэнергетическим установкам, предназначенным для обеспечения электроэнергией различных потребителей при использовании энергии ветра.

Известна ветроэнергетическая установка, включающая установленный на опорной вышке совмещенный ротор в виде установленного на центральном валу ветроколеса типа "Савониус" и, по крайней мере, двух лопастей с аэродинамическим профилем, установленных шарнирно на верхних и нижних траверсах, соединенных с центральным валом, жесткие соединения нижних траверс с центральным валом, ограничитель частоты вращения совмещенного ротора, установленный на центральном валу генераторный блок с генератором, кинематически последовательно соединенным с мультипликатором, обгонно-центробежной муфтой и центральным валом, на котором установлен тормозной элемент (см. патент РФ N 2000469, кл. F 03 D 3/06, опубл. 1993 г.).

Недостатком известной установки является низкая надежность работы из-за наличия высокого вертикального вала, утяжеляющего конструкцию и возбуждающего нежелательные аэродинамические возмущения, а также из-за жесткого соединения верхних траверс с центральным валом, в которых создаются повышенные напряжения, могущие привести к поломке траверс и лопастей. Кроме того, надежность работы установки снижается из-за резких толчковых передач ветровых крутящих моментов от обгонно-центробежной муфты на мультипликатор и, соответственно, на генератор, а также ненадежной работы ограничителя частоты вращения совмещенного ротора и отсутствия ограничения снимаемой мощности с генератора.

Задачей патентуемого изобретения является повышение надежности работы установки.

Техническим результатом является снижение аэродинамических напряжений, возникающих в совмещенном роторе, обеспечение более плавной передачи крутящих моментов в кинематической цепи генераторного блока и ограничения снимаемой мощности с генератора.

Указанная задача и технический результат достигаются тем, что в ветроэнергетической установке, включающей установленный на опорной вышке совмещенный ротор в виде установленного на центральном валу ветроколеса типа "Савониус" и, по крайней мере, двух лопастей с аэродинамическим профилем, установленных шарнирно на верхних и нижних траверсах, соединенных с центральным валом, жесткие соединения нижних траверс с центральным валом жесткое, ограничитель частоты вращения совмещенного ротора, установленный на центральном валу генераторный блок с генератором, кинематически последовательно соединенным с мультипликатором, обгонно-центробежной муфтой и центральным валом, на котором установлен тормозной элемент, в отличие от прототипа, верхний конец центрального вала расположен на уровне верхнего торца ветроколеса, соединения верхних траверс с центральным валом выполнены шарнирными, а траверсы установлены под острыми углами к плоскости, перпендикулярной к центральному валу, и с увеличением расстояния между ними по направлению к лопастям, причем ограничитель частоты вращения совмещенного ротора выполнен в виде, по крайней мере, одного щитка с центробежным регулятором, выполненного одинакового с лопастями аэродинамического профиля и установленного на валу, жестко закрепленном в нижней части лопасти.

А также тем, что лопасти установлены под острым углом к центральному валу.

А также тем, что щиток подпружинен пружиной кручения относительно вала, на котором он установлен.

А также тем, что она снабжена механизмом плавного включения, установленным в кинематической цепи генераторного блока и выполненным в виде стакана, жестко связанного с входящим валом мультипликатора и связанного спиральной пластической пружиной с выходящим валом обгонно-центробежной муфты.

А также тем, что она снабжена системой ограничения снимаемой мощности с генератора, работающей по зависимости снимаемого с генератора тока от частоты вращения ротора.

На фиг. 1 изображена ветроэнергетическая установка (вид сбоку);
на фиг. 2 - вид А фиг. 1;
на фиг. 3 - поперечный разрез ветроколеса типа "Савониус";
на фиг. 4 - узел I фиг. 1;
на фиг. 5 - разрез по линии Б-Б фиг. 4;
на фиг. 6 - кинематическая схема генераторного блока;
на фиг. 7 - разрез по линии В-В фиг. 6;
на фиг. 8 - система ограничения снимаемой мощности с генератора;
на фиг. 9 - зависимость снимаемого с генератора тока от частоты его вращения.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) состоит из опорной вышки 1 и установленного на ней совмещенного ротора 2. Совмещенный ротор 2 состоит из установленного на центральном валу 3 ветроколеса 4 типа "Савониус" и, по "крайней мере, двух лопастей 5 с аэродинамическим профилем. Лопасти 5 установлены с помощью шарниров 6 на верхних 7 и нижних 8 траверсах. Верхний конец 9 центрального вала 3 расположен на уровне верхнего торца 10 ветроколеса 4. Верхние траверсы 7 с помощью шарниров 11 соединены с верхним концом 9 центрального вала, а нижние траверсы 8 жестко соединены с центральным валом 3 через горизонтальную балку 12, т.е. имеют жесткие соединения с центральным валом 3. Верхние 7 и нижние 8 траверсы установлены под острыми углами α и β к плоскости, перпендикулярной к центральному валу 3, причем расстояние между траверсами 7 и 8 увеличивается по направлению к лопастям 5. Ветроэнергетическая установка содержит ограничитель частоты вращения совмещенного ротора 2. Ограничитель частоты вращения совмещенного ротора 2 выполнен в виде, по крайней мере, одного щитка 13 с центробежным регулятором с грузиком 14. Щиток 13 выполнен одинакового с лопастями 5 аэродинамического профиля и установлен на валу 15, жестко закрепленном в нижней части 16 лопасти 5. Щиток 13 подпружинен пружиной кручения 17 относительно вала 15, на котором он установлен. Лопасти 5 могут быть установлены вертикально или под острым углом θ к центральному валу 3. На центральном валу 3 под ветроколесом 4 установлен генераторный блок 18. Генераторный блок 18 содержит генератор 19, который кинематически последовательно соединен с мультипликатором 20, обгонно-центробежной муфтой 21 и центральным валом 3. На центральном валу 3 установлен тормозной элемент 22 в виде тормозного барабана, взаимодействующего с тормозными колодками 23. Генераторный блок 18 подержит механизм плавного включения 24, который установлен в кинематической цепи и выполнен в виде стакана 25, жестко связанного с входящим валом 26 мультипликатора 20 и связанного спиральной пластинчатой пружиной 27 с выходящим валом 28 обгонно-центробежной муфты 21. Ветроэнергетическая установка содержит также систему ограничения снимаемой мощности с генератора (см. фиг. 8).

Система ограничения снимаемой мощности с генератора 19 включает регулятор напряжения 29, два входа которого связаны с выходными клеммами "+" и "-" генератора, а два других входа через устройство ограничения 30 с датчиком частоты вращения 31, при этом два выхода связаны с обмоткой 32 возбуждения генератора 19. Устройство ограничения 30 содержит блок памяти 33, связанный с узлом "больше-меньше" 34, и блок 35 соотношения частоты и тока (f/i), связанный с узлом 34. Входы блока 35 связаны с датчиком 31 частоты вращения генератора 19 и с датчиком тока 36, установленным в обмотке генератора 19. Генератор 19 соединен с аккумуляторной батареей 37 и с нагрузкой потребителя 38.

Патентуемая ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

При малых скоростях ветра раскручивание совмещенного ротора 2 осуществляется ветроколесом 4 типа "Савониус", а при достижении ветром большей скорости в работу по раскручиванию ротора 2 вступают лопасти 5 с аэродинамическим профилем. Крутящий момент от лопастей 5 через траверсы 7 и 8 передается на центральный вал 3. По достижении частоты вращения, соответствующей устойчивой работе генератора 19, включается обгонно-центробежная муфта 21 и крутящий момент от нее передается через механизм плавного включения 24 на мультипликатор 20 и далее на генератор 19.

При достижении центробежной перегрузки (ускорения) начала регулирования грузик 14, установленный на некотором удалении от оси вращения (вал 15) щитка 13, преодолевает усилие предварительной затяжки пружины 17 и поворачивает щиток 13. Увеличение аэродинамического сопротивления ротора 2 от повернутого щитка 13 уменьшает частоту вращения ротора 2 и, соответственно, центробежную перегрузку, вследствие чего уменьшается угол поворота щитка ϕ (см. фиг. 5). В итоге, в диапазоне регулирования (на больших частотах вращения) устанавливается "равновесие", соответствующее текущей частоте вращения ротора. В диапазоне частот вращения ротора ниже порога регулирования, поворотный щиток 13 является "продолжением" лопасти (установлен с ϕ = 0) и тем самым увеличивает сметаемую площадь ротора, повышая эффективность использования ветрового потенциала при малых скоростях ветра.

Шарнирное соединение траверс 7 и 8 с лопастями 5 и верхним концом 9 центрального вала 3, а также установка траверс 7 и 8 и лопастей 5 под определенными углами α, β и θ c учетом заданной длины лопастей и их массы, среднего радиуса 7 и 8, позволяют исключить изгибающий момент, возникающий при вращении ротора 2 (центробежной перегрузки) в месте соединения нижних траверс 8 с горизонтальной балкой 12, жестко связанной с центральным валом 3. Это предотвращает поломку совмещенного ротора 2 и тем самым повышает надежность работы установки.

Расположение верхнего конца 9 центрального вала 3 на уровне верхнего торцевого ветроколеса 4 уменьшает консольность вала 3 и тем самым исключает возникновение нежелательных аэродинамических возмущений, при этом длина лопастей 5 остается прежней, не уменьшая ометаемую площадь ротора. Наличие шарнирных соединений лопастей 5 с траверсами 7 и 8, а также траверс 7 с центральным валом 3 позволяет лопастям 5 прогибаться при большой частоте вращения ротора 2, и тем самым происходит уменьшение напряжений в роторе 2 и повышение надежности его работы.

Наличие в кинематической цепи генераторного блока 18 между обгонно-центробежной муфтой 21 и мультипликатором 20 механизма плавного включения 24 в виде стакана 25 с пластинчатой пружиной 27 позволяет компенсировать ударное включение обгонно-центробежной муфты 21 и тем самым предотвратить поломку зубьев шестерен мультипликатора 20, поскольку все ударные нагрузки компенсируются пластинчатой пружиной 27.

Ветроэнергетическая установка содержит систему ограничения снимаемой мощности с генератора 19 в случае, когда ветровой потенциал не может обеспечить номинальную (максимальную) выработку электроэнергии (при малых скоростях ветра) (см. фиг. 8).

Принцип ограничения заключается в сопоставлении потребляемой "мощности (по току) к текущей частоте вращения ротора. Для достижения этой цели генератор 19 снабжен регулятором напряжения 29, поддерживающим необходимое значение напряжения в соответствии с частотой вращения ротора генератора и допустимой мощностью, снимаемой с генератора при текущих скоростях ветра. Регулировка выходного тока генератора производится за счет относительно небольшого изменения напряжения на выходе генератора, за счет перераспределения тока нагрузки между генератором 19 и аккумуляторной батареей 37. Принцип ограничения тока заключается в сравнении вырабатываемой генератором мощности (по сигналу датчика тока) с максимально возможной мощностью, соответствующей частоте вращения ротора ВЭУ, обеспечиваемой текущим значением ветрового потенциала. В устройстве ограничения 30 имеется внутренняя память 33, которая позволяет по частоте вращения ротора f (частоте переменного напряжения) выбирать максимальный уровень выходного тока генератора i (в соответствии с графиком, показанным на фиг. 9). Генератор имеет дополнительную цепь, по которой на устройство ограничения 30 подается сигнальное переменное напряжение непосредственно с обмотки статора, где происходит сравнение частоты вращения ротора со значением тока, снимаемого с 19. В случае превышения последним max значения (см. фиг. 9), соответствующего графику, в устройстве вырабатывается сигнал рассогласования, уменьшающий ток возбуждения генератора. При больших скоростях ветра устройство ограничения предотвращает перегрузку генератора по выходному току, исключая перегрев (выход из строя) обмоток статора. Другими словами, текущей частоте вращения ротора ставится в соответствие максимально снимаемая мощность с генератора 19. Эта зависимость определяется теоретически и корректируется в процессе испытаний.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к ветроэнергетическим установкам, предназначенным для обеспечения электроэнергией различных потребителей при использовании энергии ветра. Технический результат, заключающийся в повышении надежности работы установки, достигается за счет того, что в ветроэнергетической установке, включающей установленный на опорной вышке совмещенный ротор в виде установленного на центральном валу ветроколеса типа "Савониус", и, по крайней мере, две лопасти с аэродинамическим профилем, установленные шарнирно на верхних и нижних траверсах, соединенных с центральным валом, жесткие соединения нижних траверс с центральным валом, ограничитель частоты вращения совмещенного ротора, установленный на центральном валу генераторный блок с генератором, кинематически последовательно соединенным с мультипликатором, обгонно-центробежной муфтой и центральным валом, на котором установлен тормозной элемент, согласно изобретению, верхний конец центрального вала расположен на уровне верхнего торца ветроколеса, соединения верхних траверс с центральным валом выполнены шарнирными, а траверсы установлены под острыми углами к плоскости, перпендикулярной к центральному валу, и с увеличением расстояния между ними по направлению к лопастям, причем ограничитель частоты вращения совмещенного ротора выполнен в виде, по крайней мере, одного щитка с центробежным регулятором, выполненного одинакового с лопастями аэродинамического профиля и установленного на валу, жестко закрепленном в нижней части лопасти. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, включающая установленный на опорной вышке совмещенный ротор в виде установленного на центральном валу ветроколеса типа "Савониус" и, по крайней мере, двух лопастей с аэродинамическим профилем, установленных шарнирно на верхних и нижних траверсах, соединенных с центральным валом, жесткие соединения нижних траверс с центральным валом, ограничитель частоты вращения совмещенного ротора, установленный на центральном валу генераторный блок с генератором, кинематически последовательно соединенным с мультипликатором, обгонно-центробежной муфтой и центральным валом, на котором установлен тормозной элемент, отличающаяся тем, что верхний конец центрального вала расположен на уровне верхнего торца ветроколеса, соединения верхних траверс с центральным валом выполнены шарнирными, и траверсы установлены под острыми углами к плоскости, перпендикулярной к центральному валу, и с увеличением расстояния между ними по направлению к лопастям, причем ограничитель частоты вращения совмещенного ротора выполнен в виде, по крайней мере, одного щитка с центробежным регулятором, выполненного одинакового с лопастями аэродинамического профиля и установленного на валу, жестко закрепленном в нижней части лопасти. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти установлены под острым углом к центральному валу. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что щиток подпружинен предварительно затянутой пружиной кручения относительно вала, на котором он установлен. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена механизмом плавного включения, установленным в кинематической цепи генераторного блока и выполненным в виде стакана, жестко связанного с входящим валом мультипликатора и связанного спиральной пластической пружиной с выходящим валом обгонно-центробежной муфты. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена системой ограничения снимаемой мощности с генератора, работающей по зависимости снимаемого с генератора тока от частоты вращения ротора.