ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2003 года по МПК F03D1/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках, преобразующих энергию ветра в электроэнергию для автономного потребителя или локальной электросети.

Известны различные типы конструкций ветроэнергетических установок, содержащих ветроколесо с горизонтальной осью вращения, вал которого связан с ротором электрогенератора и расположен на поворотной головке, установленной с возможностью вращения относительно вертикальной оси опоры установки, и регулятор частоты вращения ветроколеса (Ветроэнергетика/Под ред. В. В. Зубарева. -Энергоатомиздат, 1982 г.; а.с. СССР 1760151, МПК F 03 D 1/00, публ. 1992 г.; патент РФ 2075641, МПК F 03 D 7/04, публ. 1997 г.).

К недостаткам известных устройств относится их недостаточно высокая надежность, что снижает ресурс работы.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветроколесо с горизонтальной осью вращения, вал которого кинематически связан с ротором электрогенератора и расположен на поворотной головке, установленной с возможностью вращения относительно вертикальной оси опорной мачты, привод включения и выключения ветроколеса, которое выполнено в виде ступицы с радиально установленными поворотными лопастями, кинематически связанными с центробежно-пружинным регулятором частоты вращения ветроколеса (патент РФ 2078990, МПК F 03 D 1/00, публ. 1997 г.).

Недостатком известного устройства является неустойчивая работа установки при пусковых режимах, что снижает надежность и ресурс работы.

Задачей настоящего изобретения является расширение арсенала технических средств, используемых при создании ветроэнергетических установок, а также повышение точности регулирования и улучшение пусковых характеристик ветроколеса установки, повышение надежности и безопасности ее работы, упрощение конструкции и обслуживания установки.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

В ветроэнергетической установке, включающей в себя ветроколесо с горизонтальной осью вращения, вал которого кинематически связан с ротором электрогенератора и расположен на поворотной головке, установленной с возможностью вращения относительно вертикальной оси опорной мачты, привод включения и выключения ветроколеса, которое выполнено в виде ступицы с радиально установленными поворотными лопастями, кинематически связанными с центробежно-пружинным регулятором частоты вращения ветроколеса, поворотная головка содержит раму с закрепленными на ней электрогенератором, корпусами подшипников вала ветроколеса и приводом включения и выключения ветроколеса, ступица ветроколеса закреплена на фланце одного из концов вала ветроколеса и выполнена в виде сварной трехгранной усеченной пирамиды, на гранях которой установлены оси поворотных лопастей ветроколеса с жестко закрепленными на них грузами, а в центральном сквозном отверстии ступицы размещена пружина центробежно-пружинного регулятора частоты вращения ветроколеса, которая одним концом упирается во фланец ступицы, а с другой стороны поджата муфтой поворота лопастей вокруг их осей, соединенной посредством кривошипов и тяг регулируемой длины с осями лопастей и закрепленной на одном конце тяги привода включения и выключения, расположенной в центральном отверстии полого вала ветроколеса, при этом вал ветроколеса и ротор электрогенератора соединены посредством промежуточного вала с дисковым тормозом, содержащим закрепленный на раме корпус с установленным внутри него на промежуточном валу диском, взаимодействующим в процессе торможения с тормозными колодками, соединенными с приводом включения и выключения, содержащим установленную на раме с возможностью осевого перемещения вдоль оси вала ветроколеса муфту включения и выключения ветроколеса, соединенную со вторым концом тяги привода включения и отключения.

Установка снабжена системой демпфирования скорости поворота головки ветроэнергетической установки посредством гидравлических телескопических амортизаторов, установленных в нижней части рамы, при этом верхние концы амортизаторов закреплены на размещенной внутри рамы обойме, установленной относительно оси мачты с эксцентриситетом, а нижние концы амортизаторов закреплены на подвижном наружном корпусе механизма поворота головки и расположены относительно оси мачты концентрично.

Лопасти ветроколеса выполнены из древопластика.

Тросовый привод включения и выключения содержит рычаг для управления ветроколесом, расположенный внутри опорной мачты и присоединенный к тросу лебедки, установленной в нижней части мачты.

На чертеже представлен общий вид ветроэнергетической установки.

Ветроэнергетическая установка содержит установленную на вертикальной мачте 1 поворотную головку 2, содержащую раму 3, жестко закрепленную на подвижном наружном корпусе 4 механизма поворота головки, имеющей возможность поворачиваться на подшипниках качения 5 вокруг оси неподвижной мачты 1.

На раме 3 установлены корпуса подшипников качения 6, 7 вала 8 ветроколеса 9, электрогенератор 10 и тормоз 11 промежуточного вала 12.

Поворотная головка 2 снабжена системой гидравлического демпфирования скорости ее поворота вокруг оси мачты, содержащей гидравлические амортизаторы 13, установленные в нижней части рамы 3. Верхние концы амортизаторов 13 закреплены на обойме 14, установленной относительно оси мачты с эксцентриситетом, а нижние концы амортизаторов закреплены на подвижном наружном корпусе 4 механизма поворота головки 2 и расположены относительно оси мачты концентрично.

На одном конце вала 8, имеющем фланец 15, закреплена ступица 16 ветроколеса 9. Ступица 16 имеет вид сварной трехгранной усеченной пирамиды, на гранях которой установлены три лопасти 17 ветроколеса.

Форма выполнения ступицы позволяет значительно уменьшить нагрузку на лопасти от ветрового потока.

Лопасти ветроколеса выполнены из древопластика.

Вал 8 выполнен полым и в центральном его отверстии размещена тяга 18 привода включения и отключения ветроколеса 9. Тяга 18 одним концом соединена с муфтой 19, установленной на раме 3 с возможностью перемещения вдоль оси вала 8, а другим концом соединена с муфтой 20 поворота лопастей 17, к которой тремя тягами 21 присоединены кривошипы 22, закрепленные на осях 23 лопастей ветроколеса. На осях лопастей также жестко закреплены грузы 24. В центральном отверстии ступицы 16 расположена пружина 25 регулятора частоты вращения, которая одним концом упирается во фланец 15, а с другой стороны поджимается муфтой 20.

Между валом 8 и ротором электрогенератора 10 расположен промежуточный вал 12, соединенный с ними посредством упругих втулочно-пальцевых муфт 26. Промежуточный вал содержит тормоз 11, включающий закрепленный на раме 3 корпус 27 и закрепленный на валу 8 стальной диск 28, взаимодействующий при торможении с тормозными колодками, приводимыми в движение посредством системы рычагов 29. Привод включения и отключения содержит рычаг 30, соединенный с тросом управляющей лебедки (не показана).

Муфта 19 и система рычагов 29 соединены с тросом 31 привода включения и отключения.

Вывод кабеля от электрогенератора осуществляется через полую тягу 32 привода включения и отключения.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Поворот головки происходит под действием ветра, действующего на ветроколесо, расположенное за мачтой установки. Вылет ветроколеса от оси мачты составляет 2 метра и оно работает как флюгер.

Включение или выключение ветроколеса производится перестановкой муфты 19 в осевом направлении с помощью троса 31 привода включения и отключения. Положению "Выключено" соответствует перестановка муфты 19 в левое крайнее положение, при этом сжимается пружина 25 регулятора частоты вращения, которая находится между фланцем ступицы 16 и муфтой 20, закрепленной на конце тяги 18 привода включения и отключения.

При перемещении муфты 20 посредством тяг 21 и кривошипов 22 лопасти ветроколеса устанавливаются во флюгерное положение. В этот момент диск 28 зажимается с двух сторон тормозными колодками, приводимыми в действие системой рычагов 29, соединенных тросом 31 с приводом включения и отключения.

При отпускании тросового привода тормозные колодки отпускают диск 28, сжатая пружина регулятора возвращает привод включения и выключения в крайнее правое положение и лопасти занимают положение, соответствующее пуску ветроколеса.

Тросовый привод включения и отключения позволяет осуществить плавную и безопасную остановку ветроэнергетической установки, последовательно воздействуя на регулятор частоты вращения ветроколеса, разворачивая лопасти на угол, соответствующий режиму торможения и остановки, и на тормозные колодки.

Муфта 20 вращается вместе с валом 8 и ступицей 16 и имеет возможность перемещаться вдоль оси тяги привода, сжимая или освобождая при этом пружину 25. Положение муфты зависит от состояния, в котором находится в данный момент ветроколесо (включено или выключено), а также от положения грузов 24, жестко закрепленных на осях лопастей ветроколеса. По мере разгона ветроколеса установленные на осях лопастей грузы 24 стремятся под воздействием центробежных сил расположиться в плоскости вращения ветроколеса, проворачивая лопасти. При этом лопасть изменяет угол атаки относительно набегающего потока ветра, обороты при этом падают, а сжатая пружина регулятора возвращает лопасти опять к более оптимальному углу атаки, ведущему к набору оборотов. Пружина и момент инерции системы лопасть - грузы подобраны таким образом, чтобы при номинальных оборотах и нагрузке обеспечивался соответствующий угол поворота лопасти относительно направления ветра.

Предложенное изобретение может быть использовано в ветроэнергетических установках автономного электроснабжения, особенно в труднодоступных районах, где затруднена возможность технического обслуживания и требуется ее высокая надежность в работе.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках, преобразующих энергию ветра в электроэнергию для автономного потребителя или локальной электросети. Технический результат, заключающийся в расширении арсенала технических средств, используемых при создании ветроэнергетических установок, повышении точности регулирования и улучшении пусковых характеристик ветроколеса установки, повышении надежности и безопасности ее работы, упрощении конструкции и обслуживания установки, обеспечивается за счет того, что в ветроэнергетической установке, включающей в себя ветроколесо с горизонтальной осью вращения, вал которого кинематически связан с ротором электрогенератора и расположен на поворотной головке, установленной с возможностью вращения относительно вертикальной оси опорной мачты, привод включения и выключения ветроколеса, которое выполнено в виде ступицы с радиально установленными поворотными лопастями, кинематически связанными с центробежно-пружинным регулятором частоты вращения ветроколеса, согласно изобретению поворотная головка содержит раму, на которой закреплены электрогенератор, корпусы подшипников вала ветроколеса и привод включения и выключения ветроколеса, ступица ветроколеса закреплена на фланце одного из концов вала ветроколеса и выполнена в виде сварной трехгранной усеченной пирамиды, на гранях которой установлены оси поворотных лопастей ветроколеса с жестко закрепленными на них грузами, а в центральном сквозном отверстии ступицы размещена пружина центробежно-пружинного регулятора частоты вращения ветроколеса, которая одним концом упирается во фланец ступицы, а с другой стороны поджата муфтой поворота лопастей вокруг их осей, соединенной посредством кривошипов и тяг регулируемой длины с осями лопастей и закрепленной на одном конце тяги привода включения и выключения, расположенной в центральном отверстии полого вала ветроколеса, при этом вал ветроколеса и ротор электрогенератора соединены посредством промежуточного вала с дисковым тормозом, содержащим закрепленный на раме корпус с установленным внутри него на промежуточном валу диском, взаимодействующим в процессе торможения с тормозными колодками, соединенными с приводом включения и выключения, содержащим установленную на раме с возможностью осевого перемещения вдоль оси вала ветроколеса муфту включения и выключения ветроколеса, соединенную со вторым концом тяги привода включения и отключения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, включающая ветроколесо с горизонтальной осью вращения, вал которого кинематически связан с ротором электрогенератора и расположен на поворотной головке, установленной с возможностью вращения относительно вертикальной оси опорной мачты, привод включения и выключения ветроколеса, которое выполнено в виде ступицы с радиально установленными поворотными лопастями, кинематически связанными с центробежно-пружинным регулятором частоты вращения ветроколеса, отличающаяся тем, что поворотная головка содержит раму, на которой закреплены электрогенератор, корпусы подшипников вала ветроколеса и привод включения и выключения ветроколеса, ступица ветроколеса закреплена на фланце одного из концов вала ветроколеса и выполнена в виде сварной трехгранной усеченной пирамиды, на гранях которой установлены оси поворотных лопастей ветроколеса с жестко закрепленными на них грузами, а в центральном сквозном отверстии ступицы размещена пружина центробежно-пружинного регулятора частоты вращения ветроколеса, которая одним концом упирается во фланец ступицы, а с другой стороны поджата муфтой поворота лопастей вокруг их осей, соединенной посредством кривошипов и тяг регулируемой длины с осями лопастей и закрепленной на одном конце тяги привода включения и выключения, расположенной в центральном отверстии полого вала ветроколеса, при этом вал ветроколеса и ротор электрогенератора соединены посредством промежуточного вала с дисковым тормозом, содержащим закрепленный на раме корпус с установленным на промежуточном валу диском, взаимодействующим в процессе торможения с тормозными колодками, соединенными с приводом включения и выключения, содержащим установленную на раме с возможностью осевого перемещения вдоль оси вала муфту включения и выключения ветроколеса, соединенную со вторым концом тяги привода включения и отключения. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена системой демпфирования скорости поворота головки ветроэнергетической установки посредством гидравлических телескопических амортизаторов, установленных в нижней части рамы, при этом верхние концы амортизаторов закреплены на размещенной внутри рамы обойме, установленной относительно оси мачты с эксцентриситетом, а нижние концы амортизаторов закреплены на подвижном наружном корпусе механизма поворота головки и расположены относительно оси мачты концентрично. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что лопасти ветроколеса выполнены из древопластика. 4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что тросовый привод включения и выключения содержит рычаг для управления ветроколесом, расположенный внутри опорной мачты и присоединенный к тросу лебедки, установленной в нижней части мачты.