ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к роторным энергоагрегатам, и может использоваться для получения энергии из воздушных потоков.

Известны ветроустановки с вертикальной осью вращения с опорой в виде центрального неподвижного пилона, на котором с помощью тросовых оттяжек закреплено неподвижное кольцо, несущее статор генератора, вокруг которого движется кольцо, несущее вертикальные лопасти и ротор линейного генератора (Авторское свидетельство СССР №1366686).

Недостатком этого решения является необходимость точного изготовления подвижного кольца большого диаметра для передачи боковых усилий на неподвижные опоры. Кроме того, вследствие относительно невысокой скорости подвижного кольца масса линейного генератора относительно большая и соответственно стоимость генератора - высокая.

Наиболее близким для указанного изобретения является ветроустановка с вертикальной осью вращения, в которой кольцевой лопастной ротор (КЛР) подвешен на системе тросов к центральному пилону через радиально упорный подшипник с помощью попарно расположенных и пересекающих друг друга растяжек, находящихся под напряжением растяжения из-за действия центробежных сил и веса КЛР (Авторское свидетельство СССР №1671953). Недостатком этого технического решения является наличие в центральном пилоне механического мультипликатора, повышающего частоту вращения рабочего вала находящегося там же электрического генератора, что существенно удорожает установку, повышает эксплуатационные затраты и снижает ее надежность.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и, помимо этого, повышение экономической эффективности.

Технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке с вертикальной осью вращения, содержащей кольцевые лопастные роторы, линейные генераторы и связанный с роторами центральный пилон, кольцевые лопастные роторы установлены один над другим с линейным генератором между ними, лопасти на кольцевых роторах ориентированы противоположным образом с возможностью встречного вращения роторов.

Кроме того, в ветроэнергетической установке верхний ротор связан с центральным пилоном системой растяжек, закрепленных на наружном кольце радиально-упорного подшипника, а нижний ротор связан с верхним ротором системой электромагнитного подвеса и разгруженными колесными опорами, фиксирующими вертикальный зазор между элементами линейного генератора.

Кроме того, в ветроэнергетической установке верхний ротор снабжен Г-образными консолями, несущими тормозные накладки, на которые ложится тормозная полка нижнего ротора при отключении электромагнитного подвеса.

Технический результат достигается также и тем, что роторы, растяжки, прилегающие к ротору, снабжены аэродинамическими обтекателями, причем верхний обтекатель в носовой части имеет спуск, перекрывающий горизонтальную щель между обтекателями, а части обтекателей, примыкающие к роторам, снабжены аэродинамическими тормозными щитками, открывающимися при превышении роторами расчетной скорости движения или по сигналу системы управления, контролирующей работу установки.

Кроме того, в ветроэнергетической установке индукторы линейного генератора объединены в блоки, имеющие разные номинальные скорости движения якоря и работающие на электрическую сеть в определенном диапазоне изменения скорости ветра.

Предложенное техническое решение, в отличие от вышеуказанных роторных ветроэнергоагрегатов, несет лопасти, ориентированные противоположным образом, что обеспечивает высокие относительные скорости между индукторами линейного генератора и токопроводящей пластиной, что снижает массу индукторов и повышает экономичность установки.

Встречное вращение роторов освобождает центральный пилон от крутящего момента, развиваемого лопастями, и обеспечивает взаимную компенсацию поперечных сил, действующих на роторы, что снижает суммарную нагрузку на центральный пилон, уменьшает материалоемкость и повышает надежность ветроэнергоустановки.

Объединение индукторов в блоки с разными номинальными скоростями якоря позволяет начинать использовать энергию ветра с относительно небольших значений скорости ветра и обеспечивает высокую энергетическую эффективность ветроэнергоустановки во всем значимом диапазоне изменений скорости ветра за счет оптимального выбора скорости вращения роторов для каждого диапазона изменений скорости ветра.

На фиг.1 дан общий вид ветроэнергоустановки.

На фиг.2 показан в вертикальном разрезе роторный блок ветроэнергоустановки.

На фиг.3 в вертикальном разрезе показана часть центрального пилона, где расположен механический стояночный тормоз.

Ветроэнергоустановка включает в себя один над другим два кольцевых ротора 1 и 2 в форме правильных многоугольников, на которых вертикально закреплены лопасти аэродинамического профиля 3 и 4, ориентированные в противоположных направлениях. Верхний кольцевой ротор 1, несущий индукторы линейного генератора 5, растяжками 6 связан с радиально-упорным подшипником 7, расположенным наверху центрального пилона 8. Нижний кольцевой ротор 2, несущий полосу 9 из электропроводящего материала и магнитопровод 10, подвешен к верхнему кольцевому ротору 1 с помощью электромагнитов вертикального действия 11, обеспечивающих фиксированный зазор между индукторами 5 и полосой 9, контролируемый специальными датчиками и полиамидными колесами 12, оси которых закреплены на роторе 1, а рабочая поверхность катится по дорожке на роторе 2. Кольцевой ротор 2 напряжен под действием горизонтальных растяжек 13, связывающих его с радиальным подшипником 14, закрепленным на центральном пилоне 8.

Верхний ротор 1 снабжен Г-образными консолями 15, несущими тормозные накладки 16, на которые ложится тормозная полка 17 нижнего ротора 2 при отключении электромагнитов подвеса. Верхний и нижний роторы 1 и 2, а также примыкающие к ним участки растяжек 6 защищены обтекателями аэродинамического профиля 18, причем верхний обтекатель в носовой части имеет вертикальный спуск, перекрывающий горизонтальную щель между обтекателями.

Части обтекателей, закрывающие роторы, снабжены аэродинамическими тормозными щитками (не показаны), открывающимися при превышении скорости движения роторов расчетных значений или по сигналу системы управления, контролирующей работу ветроэнергоустановки.

На центральном пилоне 8 в зоне радиально-упорного подшипника 7 расположен механический стояночный тормоз 19, фиксирующий положение роторов неработающей ветроэнергоустановки и выполняющий также функции аварийного торможения.

Индукторы линейного генератора 5 объединены в блоки, имеющие разные номинальные скорости движения якоря и работающие на электрическую сеть в определенном диапазоне изменения скорости ветра. Блоки индукторов линейного генератора объединены силовыми электрическими кабелями, которые по оттяжкам выводятся на центральный пилон 8, где располагаются токосъемные кольца, обеспечивающие выдачу электрической мощности в сеть.

При работе ветроэнергоустановки расположение роторов 1 и 2, каждый из которых несет лопасти 3 и 4, ориентированные в противоположных направлениях, создает встречное вращение роторов 1 и 2 и соответственно удвоенную относительную скорость размещенных на роторах элементов линейного генератора 5. Кроме того, встречное вращение роторов освобождает центральный пилон 8 от крутящего момента, развиваемого лопастями 3 и 4. Вращение этих лопастей передается элементам линейного генератора 5, работающего на электрическую сеть. Торможение осуществляется тормозными накладками 16, расположенными на Г-образных консолях 15 верхнего ротора 1, на которые ложится тормозная полка 17 нижнего ротора 2 при отключении электромагнитов подвеса. Защита роторов 1 и 2, а также примыкающих к ним участков растяжек 6 осуществляется обтекателями аэродинамического профиля 18. Функции аварийного торможения осуществляет стояночный тормоз 19, фиксирующий положение также положение роторов 1 и 2 неработающей установки.

Кроме этого, при работе ветроэнергоустановки используется система автоматического управления и контроля, включающая датчики скорости ветра, фазовой мощности, выработки, вибрации, систему анализа данных, выдачи команд управления и механизмы реализации команд.

Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения относится к ветроэнергетике, в частности к роторным ветроэнергоустановкам. Технический результат заключается в повышении надежности и эффективности. Установка содержит один над другим два кольцевых лопастных ротора, линейный генератор между ними и связанный с роторами центральный пилон. Лопасти на кольцевых роторах ориентированы противоположным образом для обеспечения встречного вращения роторов. Верхний ротор связан с центральным пилоном системой растяжек, закрепленных на наружном кольце радиально-упорного подшипника, а нижний ротор связан с верхним ротором системой электромагнитного подвеса и разгруженными колесными опорами, фиксирующими вертикальный зазор между элементами линейного генератора. Верхний ротор снабжен Г-образными консолями, несущими тормозные накладки, на которые ложится тормозная полка нижнего ротора при отключении электромагнитов подвеса. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения, содержащая кольцевые лопастные роторы, линейные генераторы и связанный с роторами центральный пилон, отличающаяся тем, что кольцевые лопастные роторы установлены один над другим с линейным генератором между ними, лопасти на кольцевых роторах ориентированы противоположным образом – с возможностью встречного вращения роторов.2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что верхний ротор связан с центральным пилоном системой растяжек, закрепленных на наружном кольце радиально-упорного подшипника, а нижний ротор связан с верхним ротором системой электромагнитного подвеса и разгруженными колесными опорами, фиксирующими вертикальный зазор между элементами линейного генератора.3. Ветроэнергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что верхний ротор снабжен Г-образными консолями, несущими тормозные накладки, на которые ложится тормозная полка нижнего ротора при отключении электромагнитного подвеса.4. Ветроэнергетическая установка по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что роторы, растяжки, прилегающие к ротору, снабжены аэродинамическими обтекателями, причем верхний обтекатель в носовой части имеет спуск, перекрывающий горизонтальную щель между обтекателями, а части обтекателей, примыкающие к роторам, снабжены аэродинамическими тормозными щитками, открывающимися при превышении роторами расчетной скорости движения или по сигналу системы управления, контролирующей работу установки.5. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что индукторы линейного генератора объединены в блоки, имеющие разные номинальные скорости движения якоря и работающие на электрическую сеть в определенном диапазоне изменения скорости ветра.