ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С ДИФФУЗОРОМ (ВАРИАНТЫ), СПОСОБ ПРЕДОХРАНЕНИЯ ЕГО ОТ РАЗРУШАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ И СПОСОБ РАЗВЕРТЫВАНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ СЖАТОГО ВОЗДУХА Российский патент 2001 года по МПК F03D1/04 

Ветроэнергетическое устройство с диффузором (варианты), способ предохранения его от разрушающего воздействия атмосферных явлений и способ развертывания с использованием энергии сжатого воздуха относятся к ветроэнергетическим двигателям большой мощности для использования энергии ветра и выработки электрической энергии.

Уровень техники
Известно ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности, содержащее ветроколесо, горизонтальную ось вращения, лопасти, имеющие внутренние полости и воздухозаборники (продольные щели), воздушную турбину и электрогенератор. При вращении ветроколеса в продольных каналах лопастей за счет центробежных сил создается разрежение (пониженное давление) обеспечивающее течение потока воздуха через турбину, вращающую электрогенератор, по полостям в лопастях от оси вращения к периферии с выходом в атмосферу [1, с. 53-54, рис. 43, 2с]. В таких конструкциях энергия потока воздуха, проходящего по продольным полостям, не используется для увеличения жесткости лопасти на скручивание вокруг ее продольной оси.

Известны ветродвигатели с диффузором и ветроколесом, в которых лопасти консольно закреплены в центральной втулке, расположенной на оси вращения вместе с подшипником, механизмом изменения угла установки лопастей, системой передачи вращающего момента, редуктором и генератором [2, с. 134]. Такая конструкция обуславливает большие изгибающие моменты в лопастях ветроколеса, особенно в месте их крепления к втулке, накладывает ограничение на диаметр ветроколеса, обуславливает высокую удельную стоимость лопастей ветроэнергетических устройств. Большая масса ветроколеса создает при вращении большие силы инерции, что затрудняет его быструю остановку без повреждений. В связи с большими габаритами и массой диффузора не обеспечивается полное укрытие ветроэнергетической установки от разрушающего воздействия атмосферных явлений (ураганного ветра, града) и обстрела и т.п. По тем же причинам возникает проблема сейсмостойкости ветроэнергетического устройства, размещенного на суше, трудно осуществить перемещение ветроэнергетического устройства на значительные расстояния.

Во всех прототипах конструкция ветроколеса не обеспечивает регулирование лопасти во всех ее угловых положениях. Т.е. невозможно компенсировать изменение условий работы лопасти при изменении ее положения в поле сил тяжести земли и в связи с неравномерностью распределения скоростей воздушного потока по высоте.

Также известны способ предохранения ветроэнергетического устройства и способ развертывания с использованием энергии сжатого воздуха, которые приводят к усилению защиты ветроэнергетического устройства [3].

Сущность изобретения
Целью изобретения является создание ветроэнергетического устройства большой единичной мощности с диффузорным усилителем большой длины, регулирование величины конусности диффузора, снижение стоимости диффузорного усилителя, защита ветроэнергетического устройства от разрушающего воздействия атмосферных явлений в виде ураганных ветров, молний, града и т.п., а также от сейсмических воздействий и повреждений при обстрелах. Целью данного изобретения ставится также обеспечение перемещения ветроэнергетического устройства большой мощности за счет энергии ветра. Снижение требований к жесткости лопастей.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг. 1 - общий вид (продольный разрез) ветроэнергетического устройства на виде сбоку.

Фиг. 2 - общий вид (продольный разрез) ветроэнергетического устройства на виде сверху.

Фиг. 3 - общий вид килевых устройств и лебедок ветроэнергетического устройства на виде сбоку.

Фиг. 4 - общий вид (поперечный разрез) ветроэнергетического устройства на виде со стороны ветрового потока.

Фиг. 5 - крепление ветроэнергетического устройства на свае, укрепленной в грунте.

Фиг. 6 - продольный разрез жесткого диффузора ветроэнергетического устройства на виде сбоку.

Фиг. 7 - схема размещения обода и периферийных генераторов в жестком диффузоре.

Фиг. 8 - лопасти ветроколеса в жестком диффузоре на виде со стороны ветрового потока.

Фиг. 9 - продольное сечение горизонтальной оси.

Фиг. 10 - развертка продольных винтовых каналов лопасти.

Фиг. 11 - воздушный распределитель в поперечном сечении горизонтальной оси.

Фиг. 12 - ветроэнергетическое устройство в подводном положении.

Фиг. 13 - ветроэнергетическое устройство в транспортном положении на виде сбоку.

Фиг. 14 - ветроэнергетическое устройство в транспортном положении на виде сверху.

Фиг. 15 - устройство при движении под углом к ветру.

Предлагаемое ветроэнергетическое устройство с гибким диффузором размещено на базовом водоизмещающем судне 1 (фиг. 1), боковых поплавках 2 и задних поплавках 3 (фиг. 2). Боковые поплавки 2 и задние поплавки 3 выполнены в виде полых, герметичных камер с регулируемым балластным грузом 4, например водой и управляемыми поворотными килевыми устройствами 5 (фиг. 3). Поворотные килевые устройства 5 обеспечивают требуемую ориентацию поплавков 2 и 3 относительно базового судна 1 при течении воды и движении устройства в воде. Для преодоления лобового сопротивления воды и управления положением поплавков 2 и 3 относительно базового судна 1, а также для преобразования энергии движущейся воды в электрическую энергию на килевых устройствах 5 установлены электродвигатели 6 с гребными винтами 7. На верхней палубе 8 базового судна 1 имеется жесткий диффузор 9, который размещен на поворотной платформе 10 (фиг. 2). Поворотная платформа 10 служит для вращения относительно корпуса базового судна 1 и направления ветра. Поворот жесткого диффузора 9 в горизонтальной плоскости осуществляется приводом 11 поворотной платформы 10 по команде оператора или системы автоматического управления (на схеме не показана). В целях укрытия ветроколеса под водой, базовое судно 1 выполнено герметичным и оснащено балластными цистернами 12, позволяющими изменять осадку судна вплоть до полного погружения под воду на глубину, равную высоте базового судна 1 и жесткого диффузора 9.

К жесткому диффузору 9 по его периметру крепится гибкий диффузор 13, представляющий собой, например прозрачное гибкое полотнище. Для более эффективного использования солнечной энергии, гибкий диффузор 13 может быть выполнен из материалов, обеспечивающих одностороннюю проводимость тепловой и световой энергии солнечного излучения извне к воздуху, находящемуся под гибким диффузором 13. Прозрачность гибкого диффузора 13 и односторонняя проводимость тепловой и световой энергии обеспечивают прохождение солнечной энергии (излучения) под него и дополнительный подогрев воздуха, приводящий к увеличению давления воздуха под гибким диффузором. Боковые кромки 14 (фиг. 4) гибкого диффузора 13 присоединены к боковым поплавкам 2 таким образом, чтобы отсутствовал воздушный зазор между гибким диффузором 13 и боковыми поплавками 2. При нахождении боковых поплавков 2 в воде гибкий диффузор 13 и поверхность воды образуют расширяющуюся полость. Задняя кромка 15 гибкого диффузора 13 прикреплена к верхнему сектору 16 жесткого диффузора 9. Верхняя часть 17 гибкого диффузора 19, по одному из вариантов исполнения, выполнена из материалов, прозрачных для световой и тепловой энергии, поступающей извне. Верхняя часть 17 гибкого диффузора 13 удерживается в воздухе за счет повышенного давления во внутренней полости 18, создаваемого набегающим потоком воздуха. Для исключения (уменьшения) потерь (утечки) давления (воздуха) из внутренней полости 18 гибкого диффузора 13 между нижним сектором 19 жесткого диффузора 9 и задним поплавком 3 установлено дополнительное полотнище 20. Задние кромки 21 дополнительного полотнища 20 крепятся к нижнему сектору 19 жесткого диффузора 9, а его передние кромки 22 соединены с задним поплавком 3. Боковые кромки 23 дополнительного полотнища 20 соединены с гибким диффузором 13. В целях рационального использования тепла, поступающего в виде солнечного излучения через прозрачную верхнюю часть 17 гибкого диффузора 13, между задними 3 и боковыми поплавками 2 параллельно поверхности воды может быть закреплена нижняя оболочка 24. В качестве нижней оболочки 24 используется термоизоляционный материал с необходимыми теплопоглощающими и теплоотражающими свойствами.

Для удержания ветроэнергетического устройства под действием воздушного напора и течения воды, а также для регулирования высоты гибкого диффузора 13, его передняя кромка 25 соединена передними тросами 26 через свободные шкивы 27 на свае 28, закрепленной в подводном грунте 29 (фиг. 5), с лебедками 30 передних тросов 26, которые размещены на базовом судне 1. С той же целью боковые 2 и задние 3 поплавки соединяются нижними тросами 31 через свободные шкивы 27 с опорами, расположенными, например, на той же свае 28 с лебедками 32 нижних тросов 31 на базовом судне 1. Длина передних 26 и нижних тросов 31 изменяется намоткой на лебедки 30 передних тросов 26 и лебедки 32 нижних тросов 31, которые размещены на базовом судне 1.

Боковые поплавки 2 также соединены между собой с помощью поперечных тросов 33, длиной которых регулируется дистанция между боковыми поплавками 2 и соответственно величина конусности гибкого диффузора 13. Длина поперечных тросов 33 регулируется путем намотки на поперечные лебедки 34, которые размещены на боковых поплавках 2 (фиг. 4).

В жестком диффузоре 9 на радиальных неподвижных стойках 35 (фиг. 6) установлен осевой подшипник 36 с полой горизонтальной осью 37. Осевой подшипник 36 вместе с полой горизонтальной осью 37 может перемещаться вдоль общей горизонтальной оси относительно стоек 35 и фиксироваться в заданном положении. Горизонтальная ось 37 приводится во вращение вокруг своей оси электроприводом 38 (фиг. 9) по командам системы автоматического управления ветроколеса.

Ветроколесо содержит обод 39 с горизонтальной осью вращения, вращающийся на ведомых колесах 40 и свободных роликах 41, равномерно расположенных по внутреннему периметру жесткого диффузора 9. (фиг. 7). С целью уменьшения лобового сопротивления воздушному потоку, ведомые колеса 40 и свободные ролики 41 размещены во внутренней полости 42 жесткого диффузора 9. Для устойчивого положения обода 39 под действием ветровой нагрузки, ведомые колеса 40 и свободные ролики 41 расположены с противоположных сторон по периметру поперечного сечения обода 39. Ведомые колеса 40, контактирующие с ободом 39, расположены на периферийных валах 43. Периферийные валы 43 соединяют ведомые колеса 40 с периферийными синхронными генераторами 44, которые преобразуют механическую энергию ветроколеса в электрическую энергию. Периферийные синхронные генераторы 44 системой управления могут отключаться и подключаться к нагрузке как параллельно, так и последовательно. Равномерное распределение синхронных генераторов 44 по всему периметру обода 39 обеспечивает его равномерную нагрузку моментами сопротивления вращению со стороны синхронных генераторов 44, что в свою очередь уменьшает требования к жесткости обода 39, позволяет уменьшить его массу.

Для торможения ветроколеса в целях управления его скоростью и в экстренных ситуациях служат тормозные прокладки 45, которые обеспечивают торможение обода 39 при контакте с боковыми поверхностями внутреннего ребра жесткости 46 обода 39. (фиг. 7)
Лопасти 47 ветроколеса выполнены из жестких, полужестких или гибких воздухонепроницаемых материалов, например листовой стали, и содержат продольные каналы 48 для прохождения воздушных потоков. Продольные каналы 48 (фиг. 8) выполнены в виде изолированных друг от друга каналов винтовой формы. Направление продольных каналов 48 (по часовой стрелке или против часовой стрелки) противоположно направлению скручивания лопасти 47 от реакции ветрового потока таким образом, чтобы под воздействием воздушного напора в продольных каналах 48 возникали деформации скручивания вокруг продольной оси данной лопасти 47. Для регулирования давления и скорости воздушного напора внутренние полости продольных каналов 48 содержат регулируемые дроссели 49 (фиг. 10), управляемые системой автоматического управления. Наличие нескольких дросселей 49 вдоль каждого продольного канала 48 позволяет осуществлять регулирование давления и скорости воздуха по длине продольных каналов 48.

На свободных концах лопастей 47 размещены воздухозаборники 50, обращенные входным отверстием в сторону вращения лопасти 47 (фиг. 5). Внутри воздухозаборников 50 находятся управляемые воздушные клапаны 51, через которые продольные каналы 48 лопастей 47 соединяются с атмосферой. Воздушные клапаны 51, управляемые системой автоматического управления, могут закрывать или открывать доступ воздуха из атмосферы в изолированные друг от друга продольные каналы 48 лопастей 47. Лопасти 47 ветроколеса (на виде со стороны ветрового потока) имеют дугообразную форму с прогибом в направлении, противоположном направлению вращения, обеспечивающую, при вращении ветроколеса, перемещение нагнетаемого воздуха вдоль продольных каналов 48 в лопастях 47 от периферии к горизонтальной оси (турбине). Воздушная турбина 52 размещена во внутренней полости 53 горизонтальной оси 37 и соединена центральным валом 54 с центральным электрогенератором 55.

Центральный электрогенератор 55 (фиг. 9) так же как и периферийные синхронные генераторы 44 может работать как в режиме электрогенератора, так и в режиме электродвигателя. Центральный электрогенератор 55 размещен в той части полой горизонтальной оси 37, которая расположена в осевом подшипнике 36. На горизонтальной оси 37, соосно с воздушной турбиной 52, для регулирования воздушного потока подводимого из лопастей 47 к воздушной турбине 52, размещен воздушный распределитель 56 (фиг. 11), содержащий входные патрубки 57 и створки 58. Входные патрубки 57 соединяют продольные каналы 48 лопастей 47 с воздушным распределителем 56. Створки 58 воздушного распределителя 56 выполнены в виде поворотной пластины. Количество и форма створок 58 соответствует количеству и форме отверстий 59, соединяющих продольные каналы 48 лопастей 47 с полостью воздушного распределителя 56. Створки 58 воздушного распределителя 56 могут поворачиваться, независимо друг от друга, вокруг своей оси 60 индивидуальным приводом (на схеме не показан), срабатывающим по командам системы автоматического управления. Поворотом створок 58 воздушного распределителя 56 вокруг оси 60 обеспечивается увеличение или уменьшение входного сечения воздушного распределителя 56 и регулирование количества воздуха, поступающего к лопаткам воздушной турбины 52 из соответствующего продольного канала 48 лопасти 47. (фиг. 8). По периметру выходного сопла 61 (фиг. 2) воздушной турбины 52 размещены поворачивающиеся регулирующие заслонки 62, которые позволяют изменять площадь сечения выходного сопла 61 и регулировать количество воздуха, проходящего через воздушную турбину 52. Управление регулирующими заслонками 62 осуществляется системой автоматического управления (на схеме не показана) в зависимости от требуемой скорости вращения центрального электрогенератора 55 при данной скорости воздушного потока.

Лопасти 47 закреплены одним концом на внутреннем ребре жесткости 46 обода 39, а другим концом на горизонтальной оси 37 с возможностью перемещения вдоль оси вращения. Плоскость вращения центральных точек 63 подвеса лопастей 47 смещена относительно плоскости вращения периферийных точек 64 подвеса в направлении, противоположном ветровому потоку так, чтобы при ветровой нагрузке линии прогиба лопасти 47 в данных точках располагались в направлении, обеспечивающем предпочтительную нагрузку обода 39, например, по касательной к плоскости его вращения. Такое расположение точек подвеса лопасти 47 обеспечивает уменьшение нагрузки от лобового сопротивления лопастей 47, передаваемой на обод 39, ведомые колеса 40 и свободные ролики 41. Перемещением горизонтальной оси 37 вдоль оси вращения ветроколеса обеспечивается регулировка натяжения всех лопастей 47 и распределения лобового сопротивления между осевым подшипником 36 и ободом 39.

Для осуществления независимого перемещения корневой части каждой лопасти 47 закреплена на горизонтальной оси с возможностью перемещения вдоль оси вращения. Это обеспечивается, например тем, что центральные точки 63 подвеса лопасти 47 закреплены в подвижной подвеске 65. Перемещение корневой части лопасти 47 вдоль оси вращения осуществляется для каждой лопасти 47 электроприводом подвески 67 по командам системы автоматического управления в зависимости от углового положения лопасти 47, скорости ветра, скорости ветроколеса и т. п. Для передачи воздушного потока из лопасти 47 к воздушной турбине 52 каждый продольный канал 48 лопасти 47 соединен с входными патрубками 57 воздушного распределителя 56 гибким рукавом 66 (фиг. 9).

Для регулирования угла атаки лопасти 47 ее периферийная часть крепится к ободу 39 в подшипнике 68 (фиг. 7) и снабжена приводом поворота 69 лопасти 47. Размещение привода поворота 69 лопасти 47 на периферии уменьшает требования к жесткости лопасти 47 и мощности самого привода 69. Привод 69 поворота лопасти 47 по командам системы автоматического управления поворачивает лопасть 47 вокруг продольной оси. При этом изменяется угол наклона лопасти 47, шаг ветроколеса, крутящий момент и лобовое сопротивление ветрового потока. Внутренняя часть лопасти 47 крепится к полой горизонтальной оси 37 при этом каждый продольный канал 48 лопасти 47 соединен с соответствующим входным патрубком 57 воздушного распределителя 56.

Для перемещения ветроэнергетического устройства в режиме выработки электроэнергии из ветра свободные шкивы 27 вместо сваи 28 могут быть закреплены на дополнительном судне 70 соответствующего водоизмещения (фиг. 12).

В транспортном положении гибкий диффузор 13, тросы 26 и 31, поплавки 2 и 3 свернуты и размещены на базовом судне 1 (фиг. 13). В транспортном положении базовое судно 1 обеспечивает перемещение ветроэнергетической установки в место размещения потребителей электроэнергии (районы с нарушенным электроснабжением или временным дефицитом электроэнергии).

В исходном (нерабочем, ремонтном, аварийном) положении гибкий диффузор 13 находится в воде и удерживается на плаву за счет подъемной силы поплавков 2 и 3 прикрепленных тросами 26 и 31 к свае 28. В исходном положении ветер не оказывает сильного воздействия на элементы конструкции (лопасти, диффузор и т. п. ), т. е. ветроэнергетическое устройство частично защищено от разрушительных воздействий порывистого и ураганного ветра.

Для приведения ветроэнергетического устройства в рабочее положение жесткий диффузор 9 поворачивается в горизонтальной плоскости, так чтобы ось его вращения установилась в горизонтальное положение, а входное отверстие жесткого диффузора 9 было направлено противоположно ветровому потоку. Боковые 2 и задние 3 поплавки размещаются с наветренной стороны базового судна 1 и соединяются нижними тросами 31 со свободными шкивами 27 на укрепленной в грунте 29 свае 28. Боковые кромки 14 гибкого диффузора 13 прикрепляются к боковым поплавкам 2, а задняя кромка 15 - к верхнему сектору 16 жесткого диффузора 9. Причем для уменьшения объемных потерь воздуха из внутренней полости гибкого диффузора 13 боковые кромки 14 могут быть погружены в воду, например посредством погружения поплавков 2 и 3 в воду. Дополнительное полотнище 20 соединяется с задними поплавками 3 и нижним сектором 19 жесткого диффузора 9. Затем, включением периферийных синхронных генераторов 44 к внешнему источнику электрической энергии (на схеме не показано), обод 39 и лопасти 47 приводятся во вращение. Направление вращения ветроколеса выбирается противоположно направлению его вращения при работе в режиме генератора так, чтобы воздух принудительно подавался во внутреннюю полость 18 гибкого диффузора 13. Так как утечки воздуха из-под гибкого диффузора 13 незначительны, то давление воздуха под ним будет выше атмосферного, вследствие этого возникает подъемная сила, и верхняя часть гибкого диффузора 13 начнет подниматься. При определенном давлении передняя кромка 25 гибкого диффузора 13 оторвется от поверхности воды и откроет вход для набегающего ветрового потока. После того как ветровой поток получит доступ во внутреннюю полость 18 гибкого диффузора 13 давление под ним будет также превышать атмосферное, так как ветроколесо вращается в направлении, при котором воздух нагнетается под гибкий диффузор 13, и он продолжит подъем до тех пор пока подъемная сила не уравновесится массой гибкого диффузора 13, боковых поплавков 2 и балластных грузов 4 (фиг. 12).

После подъема гибкого диффузора 13 периферийные синхронные генераторы 44 отключаются от внешнего источника электроэнергии и включаются в генераторный режим. Ветровой поток, набегающий на гибкий диффузор 13, создаст под ним повышенное давление воздуха. Ускоренный поток воздуха, вытекающий под давлением из гибкого диффузора 13, набегает на лопасти 47, установленные под соответствующим углом. В результате на лопасти 47 начинают действовать силы, передающиеся через них на обод 39 и горизонтальную ось 37. Часть сил, действующих на обод 39, создает крутящий момент, а другая образует силу лобового сопротивления лопастей 47 потоку воздуха (фиг. 3). Лобовое сопротивление лопастей 47 ветровому потоку воспринимается ободом 39 и осевым подшипником 36. При необходимости уменьшить усилие лобового сопротивления, передаваемое от лопастей 47 на обод 39, система автоматического управления осуществляет перемещение горизонтальной оси 37 в осевом подшипнике 36 в направлении, противоположном ветровому потоку. При этом составляющая лобового сопротивления, передаваемая лопастью 47 на обод 39 уменьшится, а составляющая лобового сопротивления, передаваемая лопастью 47 на осевой подшипник 36 увеличится. Под действием крутящего момента обод 39 с лопастями 47 приводится во вращение против часовой стрелки, если смотреть со стороны набегающего потока. От обода 39 крутящий момент передается на ведомые колеса 40, а от них через периферийные валы 43 периферийным синхронным генераторам 44. Вращение периферийных синхронных генераторов 44 приводит к созданию в цепи электродвижущей силы (ЭДС). Воздушный поток, взаимодействующий с внешней стороны лопасти 47, создает также крутящий момент вокруг продольной оси лопасти 47 в направлении против часовой стрелки (если смотреть вдоль лопасти 47 от ее внешней части в сторону корневой части).

Во избежание изгибающих нагрузок при передаче крутящего момента от вращающихся лопастей 47 к горизонтальной оси 37, система автоматического управления включает принудительное вращение горизонтальной оси 37 в том же направлении (против часовой стрелки) с угловой скоростью, равной угловой скорости лопастей 47. Этим обеспечивается снижение требований к жесткости лопастей 47.

При вращении лопастей 47 от воздухозаборников 50 через открытые воздушные клапаны 51 в продольные винтовые каналы 48 под напором поступает наружный воздух. Статическое давление и скоростной напор воздушного потока в продольных винтовых каналах 48 воздействует на их стенки, создавая крутящий момент вокруг продольной оси лопасти 47. Так как продольные винтовые каналы 48 выполнены с правым направлением (если смотреть вдоль лопасти 47 от ее внешней части в сторону корневой части), то крутящий момент, действующий на продольные винтовые каналы 48 со стороны воздушного потока, направлен вокруг продольной оси лопасти 47 по часовой стрелке. Таким образом крутящий момент вокруг продольной оси от внутреннего воздушного потока противоположен крутящему моменту от воздушного потока, взаимодействующего с внешними поверхностями лопасти 47.

В связи с неравномерным распределением внешних сил, действующих на лопасть 47, регулируемые дроссели 49 по командам системы автоматического управления обеспечивают различные величины давлений и скорости воздушного потока на различных участках лопасти 47 путем увеличения или уменьшения проходного сечения в каждом продольном винтовом канале 48 при открытии или закрытии дросселей 49.

Затем воздух под давлением поступает через воздушный распределитель 56 к воздушной турбине 52. Вращение воздушной турбины 52 через центральный вал 54 передается к центральному электрогенератору 55, преобразующему механическую энергию воздушной турбины 52 в электрическую энергию, передаваемую потребителям.

При прохождении воздуха вдоль внутренней полости 18 гибкого диффузора 13 происходит его нагревание за счет солнечной энергии, поступающей через прозрачную верхнюю часть 17 гибкого диффузора 13. Благодаря односторонней проводимости гибкого диффузора 13, тепловая и световая энергия, поступившие к воздуху под гибким диффузором 13, более полно используются для нагревания воздуха. Это способствует увеличению давления и энергии воздушного потока, проходящего через жесткий диффузор 9.

Наличие нижней оболочки 24 с отражающими свойствами обеспечивает более эффективное использование солнечной энергии во внутренней полости 18 гибкого диффузора 13 и увеличивает степень нагрева воздуха.

При вращении лопасти 47 вокруг оси вращения меняется ее положение относительно поля сил тяжести. Поэтому при движении лопасти 47 (вверх) в секторе от 0 до 180 градусов, поле сил тяжести (уменьшает крутящий момент на лопасти) замедляет вращение лопасти 47. А при движении лопасти 47 (вверх) в секторе от 180 до 360 градусов, поле сил тяжести (увеличивает крутящий момент на лопасти 47) ускоряет вращение лопасти 47. В результате меняется и вертикальная составляющая реакции лопасти 47 на обод 39.

При вращении лопасти 47, в связи с неравномерным распределением скорости воздушного потока по высоте ветроэнергетического устройства, меняется скорость ветрового потока, действующего на лопасть 47. Поэтому при движении лопасти 47 (вверх) в секторе от 0 до 180 градусов, скорость обдува лопасти 47 возрастает (увеличивается крутящий момент на лопасти 47 и лобовое сопротивление). А при движении лопасти 47 (вниз) в секторе от 180 до 360 градусов, скорость обдува лопасти 47 уменьшается (уменьшаются крутящий момент на лопасти 47 и лобовое сопротивление). В результате меняется и горизонтальная составляющая реакции лопасти 47 на обод 39.

Для уменьшения вредного влияния сил тяжести земли и неравномерности распределения скоростей воздушного потока на лопасти 47 и обод 39 электропривод 67 подвижной подвески 65 по командам системы автоматического управления перемещает корневую часть каждой лопасти 47 параллельно оси вращения. Наличие гибких рукавов 66 обеспечивает передачу воздушного потока из продольных каналов 48 при перемещении корневой части лопасти 47 к неподвижным входным патрубкам 57 воздушного распределителя 56.

Если в данном угловом положении реакция лопасти 47 на обод 39 превышает заданное (оптимальное) значение, то электропривод 67 подвижной подвески 65 перемещает корневую часть лопасти 47 навстречу ветровому потоку. Перемещение корневой части лопасти 47 в направлении от плоскости вращения периферийных точек 64 подвеса приведет к уменьшению реакции, передаваемой на обод 39 периферийными точками 64 подвеса лопасти 47, а величина реакции лопасти 47, передаваемой на осевой подшипник 36, увеличится.

Если в данном угловом положении реакция лопасти 47 на обод 39 меньше заданного (оптимального) значения, то электропривод 67 подвижной подвески 65 перемещает корневую часть лопасти 47 по ходу ветрового потока. Перемещение корневой части лопасти 47 в направлении к плоскости вращения периферийных точек 64 подвеса приведет к увеличению реакции, передаваемой на обод 39 периферийными точками 64 подвеса лопасти 47, а величина реакции лопасти 47, передаваемой на осевой подшипник 36, уменьшится.

Указанные выше перемещения корневой части лопасти 47 позволяют уменьшить циклическую неравномерность нагрузок на ободе 39 и вибрации, понизить требования к жесткости обода 39 и уменьшить массу подвижных частей ветроколеса.

Частота вращения ветроколеса при изменении скорости ветрового потока регулируется системой автоматического управления изменением следующих параметров ветроэнергетического устройства:
угол раскрытия гибкого диффузора 13;
угол атаки (установки) лопасти 47;
количество воздушного потока проходящего через воздушную турбину 52;
количество и схема подключения к нагрузке периферийных генераторов 44.

При увеличении скорости ветрового потока и соответственно угловой скорости ветроколеса система автоматического управления (на схеме не показана) посредством намотки на поперечные лебедки 34 укорачивает длину поперечных тросов 33. При этом уменьшается угол раскрытия гибкого диффузора 13, скорость и количество воздушного потока, проходящего через ветроколесо, и соответственно сохраняется заданная угловая скорость. При уменьшении скорости ветрового потока и соответственно угловой скорости ветроколеса система автоматического управления посредством отмотки с поперечных лебедок 34 увеличивает длину поперечных тросов 33. При этом под действием ветра увеличивается угол раскрытия гибкого диффузора 13, скорость и количество воздушного потока, проходящего через ветроколесо, и соответственно сохраняется заданная угловая скорость при меньшей скорости ветра.

При увеличении скорости ветрового потока и соответственно угловой скорости ветроколеса система автоматического управления (на схеме не показана) посредством привода 69 поворота лопастей 47 уменьшает угол наклона лопастей 47, что приводит к уменьшению крутящего момента, создаваемого ветровым потоком, и соответственно сохранению заданной угловой скорости. А при уменьшении скорости ветрового потока и соответственно угловой скорости ветроколеса система автоматического управления (на схеме не показана) посредством привода 69 поворота лопастей 47 увеличивает угол наклона лопастей 47, что приводит к увеличению крутящего момента, создаваемого ветровым потоком, и соответственно сохранению заданной угловой скорости.

При увеличении скорости ветрового потока происходит увеличение скорости и количества воздуха, прокачиваемого через воздушную турбину 52, и соответственно увеличение частоты вращения воздушной турбины 52 и центрального электрогенератора 55, что может повлиять на качество вырабатываемой электроэнергии. Поэтому для поддержания частоты вращения турбины 52 в заданном диапазоне система автоматического управления закрывает заслонки 62, уменьшая площадь сечения выходного сопла 61 и уменьшая количество воздуха, проходящего через воздушную турбину 52, и соответственно уменьшается частота вращения воздушной турбины 52 и центрального электрогенератора 55. При уменьшении скорости ветра регулирующие заслонки 62 раскрываются, увеличивая площадь сечения выходного сопла 61, количество воздуха, проходящего через воздушную турбину 52, и соответственно увеличивается частота вращения воздушной турбины 52 и центрального электрогенератора 55.

При работе с минимальной нагрузкой (скоростью ветрового потока) все периферийные генераторы 44 подключены к электрической нагрузке последовательно. При низкой угловой скорости ветроколеса, каждый из периферийных синхронных электрогенераторов 44 создает небольшую по величине ЭДС переменного тока постоянной частоты, но суммарная ЭДС последовательно подключенных синхронных электрогенераторов 44, достаточна для подачи электроэнергии в сеть. Общая мощность вырабатываемой электроэнергии также минимальна.

Увеличение скорости ветрового потока, при постоянном угле наклона лопастей 47, приведет к увеличению скорости вращения ветроколеса, силы тока, ЭДС на каждом генераторе 44 и суммарной мощности, создаваемой всеми последовательно подключенными периферийными генераторами 44. Автоматическая система управления при этом поочередно отключает периферийные синхронные генераторы 44 так, чтобы величина суммарной ЭДС находилась в заданном диапазоне, а увеличение крутящего момента, действующего со стороны ветра, уравновесилось суммарным моментом сопротивления вращению со стороны последовательно подключенных к нагрузке генераторов 44. Когда скорость вращения ветроколеса под влиянием ветрового потока увеличится до скорости, при которой система управления оставит в цепи только один периферийный генератор 44, то она же начнет поочередно подключать периферийные генераторы 44 к сети, но не последовательно друг другу, а параллельно. При этом каждый периферийный генератор 44 вырабатывает ЭДС с номинальным для данных генераторов 44 и сети напряжением. Общая мощность электроэнергии, вырабатываемой периферийными синхронными генераторами 44, продолжает увеличиваться.

За счет большого количества установленных периферийных синхронных генераторов 44 поочередное их отключение или отключение позволяет многоступенчато регулировать момент сопротивления вращению ветроколеса и обеспечивать этим регулирование угловой скорости вращения ветроколеса. Для остановки ветроколеса в экстренных ситуациях тормозные прокладки 45 прижимаются системой управления к боковой поверхности внутреннего ребра жесткости 46 обода 39, создавая момент сил трения, направленный противоположно вращению ветроколеса. Размещение тормозных прокладок 45 (фиг. 7) на периферии ветроколеса позволяет увеличить эффективность торможения и уменьшить возможность поломки лопастей 47.

Во избежание передачи крутящего момента от лопастей 47 на горизонтальную ось 37 система автоматического управления осуществляет принудительное вращение оси 37 в том же направлении (против часовой стрелки) с угловой скоростью, равной средней угловой скорости лопастей 47. Закрытое положение створок 58 воздушного распределителя 56 при открытом положении воздушных клапанов 51 на воздухозаборниках лопастей 47 обеспечивает увеличение давления и уменьшение скорости воздуха в продольных каналах 48 лопастей 47.

Для обеспечения правильного взаимного расположения лопастей 47 и их балансировки система автоматического управления осуществляет регулирование положения створок воздушных клапанов 51 и створок 58 воздушного распределителя 56. Например, закрытие воздушного клапана 51 на любой из лопастей 47, при прочих равных условиях, приведет к уменьшению момента сопротивления вращению и соответственно увеличению угловой скорости данной лопасти 47 относительно других лопастей ветроколеса. При изменении направления ветра, вследствие флюгерного эффекта и низкого сопротивления воды, ветроэнергетическое устройство поворачивается в горизонтальной плоскости по ветру вокруг неподвижной сваи 28.

При увеличении скорости ветра до значений, превышающих допустимые для данной ветроэнергетической установки, система автоматического управления одновременно выполняет следующие действия:
передняя кромка гибкого диффузора 19 опускается до уровня воды наматыванием передних тросов 26 на соответствующие им лебедки 30;
боковые 2 и задние поплавки 3 заглубляются под воду уменьшением длины нижних тросов 31 и увеличением балластного груза 4;
в балластные цистерны 12 базового судна 1 набирается забортная вода в количестве, при котором судно 1 уменьшает положительную плавучесть и опускается под воду на глубину не меньше, чем высота судна 1 с жестким диффузором 9.

В результате этих действий ветроэнергетическое устройство вместе с гибким диффузором 13, поплавками 2 и 3, базовым судном 1 погружается под воду (фиг. 11) и не испытывает разрушающих воздействий воздушной среды. Для подъема ветроэнергетического устройства в рабочее положение те же действия выполняются в обратном порядке.

Для перемещения ветроэнергетического устройства с использованием энергии ветра изменяют положение точек опоры, с которыми связаны поплавки 2 и 3, например свободные шкивы 27 вместе с передними 26 и нижними 31 тросами снимаются со сваи 28 и крепятся на дополнительном судне 70 (фиг. 13). При этом гибкий диффузор 13, лопасти 47, боковые 2 и задние 3 поплавки остаются в рабочем положении, следовательно, выработка электроэнергии из энергии ветрового потока продолжается. Часть электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетическим устройством, подается к силовым установкам дополнительного судна 70 и электродвигателям 6 килевых устройств 5 на поплавках 2 и 3 для движения в заданном направлении (фиг. 14). В целях уменьшения лобового сопротивления воды боковых 2 и задних 3 поплавков масса балластных грузов 4 в них уменьшаются до величины, при которой поплавки 2 и 3 поднимут из воды боковые кромки 14 за счет подъемной силы гибкого диффузора 13. Подъемная сила гибкого диффузора 13 создается за счет разницы между атмосферным давлением и давлением воздуха во внутренней полости 18 гибкого диффузора 13. Подъем поплавков 2 и 3 осуществляется на высоту, при которой килевые устройства 5 с гребными винтами 7 остаются погруженными в воду, а поплавки 2 и 3 касаются поверхности воды, не позволяя утечек воздуха из внутренней полости 18 гибкого диффузора 13. Регулирование высоты подъема боковых 2 и задних 3 поплавков осуществляется системой автоматического управления изменением следующих параметров:
массы балластных грузов 4 в задних 3 и боковых 2 поплавках;
давления воздуха под гибким диффузором 13 путем изменения угла его конусности;
длины передних 26 и нижних 31 тросов.

При определенной силе ветра ветроэнергетическое устройство начнет перемещаться под углом к направлению ветра за счет работы гребных винтов на базовом судне 1, дополнительном судне 70 и на килевых устройствах 5. При изменении курса или направления ветра ориентация оси жесткого диффузора 9 относительно направления ветра осуществляется поворотной платформой 10 от привода 11 (фиг. 15).

Для сохранения интервала между базовым 1 и дополнительным 70 судами, поддержания требуемой силы натяжения передних 26 и нижних 31 тросов, их курсы расходятся под некоторым углом.

Для сохранения дистанции между боковыми поплавками 2, поддержания требуемого угла раскрытия гибкого диффузора 13 двигатели 6 переднего по ходу бокового поплавка 2 работают с тяговым усилием, обеспечивающим наличие заданной величины натяжения поперечных тросов 33. При этом длина поперечных тросов 33 будет определять угол раскрытия гибкого диффузора 13. При необходимости регулирования угла раскрытия гибкого диффузора 13 осуществляется намотка или размотка поперечных тросов 33 в поперечных лебедках 34.

Для управления курсом ветроэнергетического устройства система автоматического управления осуществляет поворот базового судна 1, дополнительного судна 70 и килевых устройств 5 на боковых 2 и задних 3 поплавках относительно направления ветра с сохранением общего направления горизонтальной оси параллельно направлению ветра.

Список литературы
1. Шефтер Я. И. и Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. - М.: изд-во Министерства сельского хозяйства СССР, 1957.

2. Ветроэнергетика /Под ред. Д. де Рензо: Пер. с англ., под ред. Я.И. Шефтера. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 272 с., ил.

3. Патент FR, 2541384 А, 24.08.1984, кл. F 03 D 9/00, 1/00, 4 с., фиг. 1.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим двигателям большой мощности. Технический результат, заключающийся в усилении защиты ветроэнергетического устройства от разрушающего воздействия атмосферных явлений, упрощении конструкции, повышении мощности устройства, достигается за счет того, что в ветроэнергетическом устройстве с диффузором, содержащем установленное на горизонтальной оси вращения ветроколесо с лопастями, имеющими внутренние полости, и воздухозаборники, управляемые электрогенератором, и воздушную турбину, согласно изобретению диффузор выполнен гибким, а внутренние полости лопастей выполнены в виде каналов винтовой (спиральной) формы, диффузор расположен на поплавках, связанных с опорами, а в способе предохранения устройства от разрушающего воздействия атмосферных явлений путем уменьшения площади взаимодействия ветроэнергетического устройства с ветровым потоком ветроэнергетическое устройство погружается в жидкую среду, а в способе развертывания ветроэнергетического устройства с использованием энергии сжатого воздуха согласно изобретению имеется гибкий диффузор, в который воздух подается под давлением выше атмосферного принудительным вращением ветроколеса в направлении, обратном рабочему. 4 с. и 4 з.п.ф-лы, 15 ил.

1. Ветроэнергетическое устройство с диффузором, содержащее установленное на горизонтальной оси вращения ветроколесо с лопастями, имеющими внутренние полости, и воздухозаборники, управляемые электрогенератором, и воздушную турбину, отличающееся тем, что диффузор выполнен гибким, а внутренние полости лопастей выполнены в виде каналов винтовой (спиральной) формы. 2. Ветроэнергетическое устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренние полости содержат регулируемые дроссели. 3. Ветроэнергетическое устройство по п.1, отличающееся тем, что корневая часть лопасти закреплена на горизонтальной оси с возможностью перемещения. 4. Ветроэнергетическое устройство с диффузором, содержащее установленное на горизонтальной оси вращения ветроколесо с лопастями, имеющими внутренние полости, воздухозаборники, управляемые электрогенератором, и воздушную турбину, отличающееся тем, что диффузор выполнен гибким и расположен на поплавках, связанных с опорами. 5. Ветроэнергетическое устройство по п.3, отличающееся тем, что боковые кромки диффузора погружены в жидкую среду. 6. Ветроэнергетическое устройство по п.3, отличающееся тем, что одна часть диффузора, обращенная к солнцу, выполнена из прозрачного материала, а противоположная часть обладает отражающими и теплоизолирующими свойствами. 7. Способ предохранения ветроэнергетического устройства от разрушающего воздействия атмосферных явлений (ураган, гроза, град и т.п.) путем уменьшения площади взаимодействия ветроэнергетического устройства с ветровым потоком, отличающийся тем, что ветроэнергетическое устройство погружается в жидкую среду. 8. Способ развертывания ветроэнергетического устройства с использованием энергии сжатого воздуха, отличающийся тем, что в указанном устройстве имеется гибкий диффузор, в который воздух подается под давлением выше атмосферного принудительным вращением ветроколеса в направлении, обратном рабочему.