ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК F03D5/00 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к ветроэнергетическим установкам.

Известна ветроэнергетическая установка, состоящая из платформ, соединенных между собой в состав таким образом, что начало и конец его соединяются вместе, и установленных на круговой рельсовый путь, причем на каждой платформе установлены парусные элементы, которые делают один оборот вокруг своей оси за два прохода платформой по круговому рельсовому пути, а поворот парусов корректируется при изменении направления ветра [патент RU 2125182, 1999]. Общая площадь парусов установки относительно мала, а суммарные потери на трение относительно велики, что определяет небольшую удельную мощность и низкий кпд.

Известен ротор ветродвигателя, содержащий вал с радиальными лопастями в виде рамок в форме параллелепипедов, на каждой из которых смонтированы поворотные элементы в виде пластин с возможностью свободного поворота относительно осей, которые параллельны оси вала и смонтированы на каждой рамке последовательно, причем оси всех пластин, кроме самой дальней от оси вала, выполняют функцию ограничителей поворота соседних пластин рамки в одном направлении, а ограничители поворота пластин в другом направлении смонтированы на грани параллелепипеда, которая противоположна грани с осями [полезная модель RU 15758, 2000]. Ротор может дополнительно содержать устройство принудительного поворота пластин лопастей, например для складывания пластин при штормовом ветре, в частности содержащее трос, последовательно соединяющий пластины лопасти. Известный ротор имеет низкую долговечность из-за быстрого износа пар трения ось-пластина, а также высокий уровень шума при работе.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая парусные лопасти, связанные с ними опорные тележки, установленные на замкнутой колее, а также вертикальный вал, соединенный с генератором, и систему управляющих тросов (строп) [а.с. SU 1275114, 1986]. Данная установка имеет сложную конструкцию, относительно малую площадь парусов, низкую степень защиты от штормового ветра.

Известна ветроэнергетическая установка, состоящая из генератора и ротора, содержащего как минимум две парусные лопасти [патент RU 2174189, 2001]. Лопасть содержит элементарную ячейку, состоящую из прямоугольного паруса, огибающего опорный стержень и соединенного с ведомым стержнем ротора стропами. Ось ротора может быть расположена вертикально, а парусные лопасти могут опираться на опорные тележки, установленные на горизонтальной замкнутой колее. Установка может дополнительно содержать устройство регулировки площади раскрытия паруса. Соединение парусов стропами снижает надежность работы установки.

Известна роторная ветроэнергетическая установка, содержащая карусельно-парусный двигатель [заявка RU 97109863, 1999]. Ярусно расположенные жесткие паруса шарнирно-поворотно установлены на звездообразных осях с возможностью отклонения под действием ветра и перекрытия друг друга под действием веса и ветра. На концах нижних рей размещены опорные тележки, выполненные с возможностью транспортировать передающие устройства с окружной скоростью ветродвигателя по кольцевой направляющей на роликах. Ролики кинематически связаны с передающими устройствами, соединенными с приводом энергоблока, содержащим несколько генераторов. Установка имеет относительно низкий кпд из-за больших потерь в трансмиссии и относительно высокую стоимость из-за наличия нескольких генераторов.

Известна ветроустановка, выбранная в качестве прототипа первого варианта, содержащая вертикальный парус, насаженный на мачту с возможностью вращения на ней, корень которой помещен в пространственной ферме, укрепленной на поворотной платформе, притянутой в центре ее вращения анкером к заглубленному в грунт якорю и контактирующей катками с кольцевым рельсом [заявка RU 95121569, 1998]. Корень мачты вверху и внизу жестко укреплен в двух каретках, имеющих возможность перемещения на роликах по направляющим пространственной фермы, и каждая из которых контактирует с одной из ветвей бесконечной цепи, надетой на два зубчатых колеса, одно из которых кинематически связано трансмиссией с генератором. Установка относительна сложна конструктивно, а использование цепной передачи снижает КПД.

Известен преобразователь энергии, который может быть использован в качестве ветроэнергетической установки, выбранной в качестве прототипа второго варианта [патент RU 2076947, 1999]. Известная установка содержит ферму и смонтированный в ней с возможностью поворота ротор, включающий вертикальный вал, на котором поярусно укреплены горизонтальные траверсы с поворотными элементами, каждый из которых выполнен состоящим из пары сетчатых каркасов обтекаемой формы, укрепленных с возможностью взаимного перемещения вдоль траверсы. Каркасы обтянуты сетками с разной по размеру ячеей, одна из которых, расположенная с внешней стороны, является опорной и имеет меньшую по размеру ячею, а вторая - внутренняя, с более крупной ячеей, снабжена парусными элементами, укрепленными на одной из сторон каждой ячеи. В частном случае выполнения вал через ременную передачу связан с электрогенератором.

Техническая задача, на решение которых направлена группа изобретений - увеличение кпд ветроэнергетических установок за счет уменьшения потерь в системе трансмиссии и в подвижных элементах ротора, упрощение конструкции и расширение возможности монтажа и обслуживания таких установок, в т.ч. на участках со сложным рельефом.

Согласно первому предлагаемому варианту, ветроэнергетическая установка содержит ротор, элементы которого имеют возможность вращения вокруг вертикальной оси, опирающийся на опорные каретки, установленные подвижно на замкнутой кольцевой горизонтальной опоре, а также систему трансмиссии, включающую передачу зацеплением, для передачи крутящего момента от ротора к исполнительному органу.

Новым является то, что передача зацеплением является первой ступенью трансмиссии, содержит ведущее и ведомое колесо и выполнена повышающей с передаточным числом более 2, причем ведущее колесо выполнено в виде жесткого зубчатого венца, смонтированного на опорных каретках и/или нижних элементах ротора в горизонтальной плоскости соосно вертикальной оси вращения ротора, а диаметр средней или делительной окружности зубчатого венца составляет более 2/3 внутреннего диаметра кольцевой горизонтальной опоры. Для ветроэнергетических установок с относительно большими габаритными размерами, имеющими тихоходный ротор, предлагаемое техническое решение позволяет вынести систему трансмиссии за пределы внутренней области ротора и повысить быстроходность ведомого вала, что ведет к достижению указанного технического результата.

В качестве исполнительного органа может быть использован электрогенератор. Жесткий зубчатый венец может быть выполнен в виде жестко смонтированной бесконечной цепи, а ведомое колесо - в виде звездочки.

Передачу зацеплением можно выполнять наружной, при этом ведущее колесо передачи можно расположить за пределами площади, ограниченной наружным диаметром кольцевой горизонтальной опоры. Это позволяет монтировать установку на участках со сложным рельефом внутри кольцевой опоры, например вокруг озера, заброшенного карьера и т.п. Передача зацеплением может содержать ведущее колесо с двумя или более ведомыми колесами, при этом для исключения радиальных нагрузок лучше, когда ведомые колеса равномерно расположены по диаметру делительной окружности зубчатого венца. Передача зацеплением может быть выполнена в виде зубчатой передачи, а для установок с относительно большими габаритными размерами при этом лучше, когда зубчатый венец выполнен наборным из секторов и/или горизонтальных пластин, а коэффициент высоты головки зуба колес зубчатой передачи выполнен меньше 1. Проще выполнять зубчатую передачу цилиндрической.

Согласно второму предлагаемому варианту, ветроэнергетическая установка содержит ротор, который соединен через систему трансмиссии с исполнительным органом и который включает траверсы, смонтированные как минимум в один ярус и имеющие возможность вращения вокруг вертикальной оси, и которые содержат парусные элементы, каждый из которых закреплен с одной стороны своего периметра и имеет возможность опираться в развернутом состоянии под действием силы ветра о натянутую на элементах ротора опорную сетку.

Новым является то, что траверсы выполнены в виде плоских вертикальных рам, обтянутых сеткой, а по два или более парусных элемента закреплены последовательно один за другим на каждой траверсе так, что в полностью развернутом состоянии один парусный элемент имеет возможность перекрывать частью своей поверхности, противоположной стороне закрепления, часть поверхности следующего за ним парусного элемента у стороны закрепления этого элемента.

Предлагаемая конструкция относительно проста и обладает малой материалоемкостью, что делает ее надежной и снижает потери в движущихся частях ротора. В качестве исполнительного органа также может использоваться электрогенератор. Траверсы могут опираться на опорные каретки, установленные подвижно на замкнутой кольцевой горизонтальной опоре.

Траверсы могут быть смонтированы на вертикальном валу, а также в два и более яруса. Парусные элементы для исключения их скручивания могут быть снабжены по своему свободному периметру жесткими и/или упругими вставками. Для облегчения начала вращения ротора и преодоления мертвых точек траверса может быть изогнута в горизонтальной плоскости под углом свыше 90° и не более 180°, при этом лучше, когда длина отогнутого конца траверсы составляет не более 1/3 общей длины траверсы, измеряемой от оси вращения.

Ротор может дополнительно содержать устройство регулировки площади раскрытия парусных элементов, в частности в виде как минимум одного бесконечного троса или ремня, натянутого вдоль траверсы с возможностью перемещения между двумя блоками, закрепленными на траверсе, и соединенного последовательно вдоль длины своей одной ветви со сторонами парусных элементов с помощью натяжных тросиков, длина каждого из которых выбрана так, что парусные элементы имеют возможность полного раскрытия. При этом лучше, когда на траверсе смонтированы один над другим два или более бесконечных троса или ремня, блоки которых хотя бы с одной стороны имеют общий вертикальный вал.

Оба предлагаемых варианта могут использоваться в одной ветроэнергетической установке, например, как описано ниже.

Изобретение поясняется чертежами.

Ветроэнергетическая установка схематично представлена на фиг.1 и 2, где представлены ее вид спереди и сверху соответственно. Круговыми стрелками показано направление вращения валов, а прямыми стрелками, параллельными друг другу, на фиг.2 показано направление ветра. Фиг.3-6 поясняют принцип работы устройства регулировки площади раскрытия парусов. На фиг.3-4 представлены местный вид лопасти ротора ветроэнергетической установки с поперечным разрезом при распущенных парусах, а на фиг 5-6 - при частично сложенных парусах. На фиг.4 стрелками показано направление движения ремня для складывания парусов, а на фиг.6 - для раскрытия.

Изобретение поясняется на примере парусной ветроэнергетической установки ГТВЭУ.

В этом примере использованы оба независимых варианта заявляемых технических решений.

Ротор ПВЭУ содержит четыре траверсы в виде плоских вертикальных рам 1, обтянутых сеткой 2 и крестообразно смонтированных на валу 3 с вертикальной осью, установленном в подпятнике 4. Рамы 1 дополнительно поддерживаются на валу 3 с помощью канатов 5, образующих второй ярус ротора. Удаленные части рам 1 имеют жесткие отгибы 6 по направлению против направления вращения ротора в плане под углом примерно 135° от неотогнутой части рамы. На каждой из рам 1, а также между ними и канатами 5 натянуты последовательно вертикально тросы 7, на которых закреплены парусные элементы в виде вертикальных парусов 8, прямоугольных на неотогнутой части и треугольных или трапециевидных на отогнутой части рамы 1, причем каждый трос 7 пропущен сквозь прошитую отбортовку 9 одного вертикального края паруса 8. В противоположный край паруса 8 вшит тросик жесткости 10. Нижней частью рамы 1 опираются на опорные каретки 11, установленные на замкнутой кольцевой горизонтальной опоре 12. На каретках 11 жестко смонтировано ведущее колесо в виде зубчатого венца 13 повышающей цилиндрической зубчатой передачи (с коэффициентом высоты головки зуба 0,8), включающей также ведомое зубчатое колесо 14, смонтированное на валу 15. На каждой раме 1 смонтировано устройство регулировки площади раскрытия парусов 8, включающее систему параллельных бесконечных зубчатых ремней 16, каждый из которых натянут горизонтально между двумя блоками 17 (один не показан), причем блоки 17, расположенные ближе к валу 3, смонтированы на одном вертикальном регулировочном валу 18. Ремень 16 вдоль длины своей одной ветви с парусами 8 с помощью натяжных тросиков 19, пропущенных сквозь парус 8 “змейкой” и соединенных с тросиками жесткости 10.

Во время работы ПВЭУ, когда одна из рам 2 развернута к ветру со стороны парусов 8, последние под действием силы ветра опираются на сетку 2, создавая крутящий момент на валу 3, который через зубчатую передачу (13, 14) передается через систему трансмиссии на электрогенератор (не показан). Для рамы 2, двигающейся против ветра сеткой 2 вперед, потоки воздуха проходят сквозь сетку 2 и отклоняет паруса 8 от сетки 2, что определяет минимальное сопротивление движению данной рамы 1. При сильном ветре паруса 8 могут быть сложены. Для этого поворачивают регулировочный вал 18 с блоками 17, благодаря чему ремень 16 двигается и натягивает тросики 19, которые складывают паруса 8 с помощью тросиков жесткости 10. При развертывании парусов 8 регулировочный вал 18 поворачивают в противоположную сторону, натяжение тросиков 19 ослабевает и паруса 8 разворачиваются ветром.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветроэнергетическим установкам. Технический результат, заключающийся в увеличении кпд ветроэнергетических установок за счет уменьшения потерь в системе трансмиссии и в подвижных элементах ротора, упрощении конструкции и расширении возможности монтажа и обслуживания таких установок, в т.ч. на участках со сложным рельефом, обеспечивается за счет того, что в первом варианте в ветроэнергетической установке, содержащей ротор, элементы которого имеют возможность вращения вокруг вертикальной оси, опирающийся на опорные каретки, установленные подвижно на замкнутой кольцевой горизонтальной опоре, а также систему трансмиссии, включающую передачу зацеплением, для передачи крутящего момента от ротора к исполнительному органу, согласно изобретению, передача зацеплением является первой ступенью трансмиссии, содержит ведущее и ведомое колеса и выполнена повышающей с передаточным числом более 2, причем ведущее колесо выполнено в виде жесткого зубчатого венца, смонтированного на опорных каретках и/или нижних элементах ротора в горизонтальной плоскости соосно вертикальной оси вращения ротора, а диаметр средней или делительной окружности зубчатого венца составляет более 2/3 внутреннего диаметра кольцевой горизонтальной опоры. Во втором варианте, согласно изобретению, траверсы выполнены в виде плоских вертикальных рам, обтянутых сеткой, а по два или более парусных элемента закреплены последовательно один за другим на каждой траверсе так, что в полностью развернутом состоянии один парусный элемент имеет возможность перекрывать частью своей поверхности, противоположной стороне закрепления, часть поверхности следующего за ним парусного элемента у стороны закрепления этого элемента. 2 с. и 21 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая ротор, элементы которого имеют возможность вращения вокруг вертикальной оси, опирающийся на опорные каретки, установленные подвижно на замкнутой кольцевой горизонтальной опоре, а также систему трансмиссии, включающую передачу зацеплением, для передачи крутящего момента от ротора к исполнительному органу, отличающаяся тем, что передача зацеплением является первой ступенью трансмиссии, содержит ведущее и ведомое колеса и выполнена повышающей с передаточным числом более 2, причем ведущее колесо выполнено в виде жесткого зубчатого венца, смонтированного на опорных каретках и/или нижних элементах ротора в горизонтальной плоскости соосно с вертикальной осью вращения ротора, а диаметр средней или делительной окружности зубчатого венца составляет более 2/3 внутреннего диаметра кольцевой горизонтальной опоры.2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве исполнительного органа содержит электрогенератор.3. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что жесткий зубчатый венец выполнен в виде жестко смонтированной бесконечной цепи, а ведомое колесо выполнено в виде звездочки.4. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что передача зацеплением выполнена наружной.5. Ветроэнергетическая установка по п.4, отличающаяся тем, что ведущее колесо передачи расположено за пределами площади, ограниченной наружным диаметром кольцевой горизонтальной опоры.6. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что передача зацеплением содержит ведущее колесо с двумя или более ведомыми колесами.7. Ветроэнергетическая установка по п.6, отличающаяся тем, что ведомые колеса равномерно расположены по диаметру делительной окружности зубчатого венца.8. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что передача зацеплением выполнена в виде зубчатой передачи.9. Ветроэнергетическая установка по п.8, отличающаяся тем, что зубчатый венец выполнен наборным из секторов.10. Ветроэнергетическая установка по п.8, отличающаяся тем, что зубчатый венец выполнен наборным из горизонтальных пластин.11. Ветроэнергетическая установка по п.8, отличающаяся тем, что коэффициент высоты головки зуба колес зубчатой передачи выполнен меньше 1.12. Ветроэнергетическая установка по п.8, отличающаяся тем, что зубчатая передача выполнена цилиндрической.13. Ветроэнергетическая установка, содержащая ротор, соединенный через систему трансмиссии с исполнительным органом и включающий траверсы, смонтированные как минимум в один ярус и имеющие возможность вращения вокруг вертикальной оси, который содержит парусные элементы, каждый из которых закреплен с одной стороны своего периметра и имеет возможность опираться в развернутом состоянии под действием силы ветра о натянутую на элементах ротора опорную сетку, отличающаяся тем, что траверсы выполнены в виде плоских вертикальных рам, обтянутых сеткой, а по два или более парусных элемента закреплены последовательно один за другим на каждой траверсе так, что в полностью развернутом состоянии один парусный элемент имеет возможность перекрывать частью своей поверхности, противоположной стороне закрепления, часть поверхности следующего за ним парусного элемента у стороны закрепления этого элемента.14. Ветроэнергетическая установка по п.13, отличающаяся тем, что в качестве исполнительного органа содержит электрогенератор.15. Ветроэнергетическая установка по п.13, отличающаяся тем, что траверсы опираются на опорные каретки, установленные подвижно на замкнутой кольцевой горизонтальной опоре.16. Ветроэнергетическая установка по п.13, отличающаяся тем, что траверсы смонтированы на вертикальном валу.17. Ветроэнергетическая установка по п.13, отличающаяся тем, что траверсы смонтированы в два и более ярусов.18. Ветроэнергетическая установка по п.13, отличающаяся тем, что парусные элементы снабжены по своему свободному периметру жесткими и/или упругими вставками.19. Ветроэнергетическая установка по п.13, отличающаяся тем, что траверса изогнута в горизонтальной плоскости под углом свыше 90° и не более 180°.20. Ветроэнергетическая установка по п.19, отличающаяся тем, что длина отогнутого конца траверсы составляет не более 1/3 общей длины траверсы, измеряемой от оси вращения.21. Ветроэнергетическая установка по п.13, отличающаяся тем, что ротор дополнительно содержит устройство регулировки площади раскрытия парусных элементов.22. Ветроэнергетическая установка по п.21, отличающаяся тем, что устройство регулировки выполнено в виде как минимум одного бесконечного троса или ремня, натянутого вдоль траверсы с возможностью перемещения между двумя блоками, закрепленными на траверсе, и соединенного последовательно вдоль длины своей одной ветви со сторонами парусных элементов с помощью натяжных тросиков, длина каждого из которых выбрана так, что парусные элементы имеют возможность полного раскрытия.23. Ветроэнергетическая установка по п.22, отличающаяся тем, что на траверсе смонтированы один над другим два или более бесконечных троса или ремня, блоки которых хотя бы с одной стороны имеют общий вертикальный вал.