ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2005 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для получения электрической энергии за счет кинетической энергии ветра.

Известна ветроэнергетическая установка, которая содержит ветроколесо, установленное на вертикальном валу с махами, на периферии которых расположены раскладные прямоугольные лопасти, снабженные ограничителями, выполненными в виде гибких связей, одни концы которых связаны с расположенными на периферии махов Т-образными стойками, а другие - с соответствующими вертикальными лопастями [1].

Лопасти, развернутые с наветренной стороны, воспринимают энергию ветра, и ветроколесо начинает вращаться, передавая вращение на генератор. Лопасти, направленные острым углом к воздушному потоку, уменьшают свою обтекаемую поверхность и не препятствуют вращению ветроколеса. Однако раскладные лопасти не имеют необходимой надежности и издают значительный шум при складывании и раскрывании.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая плоские лопасти, размещенные на горизонтальных осях вращения, закрепленных радиально на вертикальном валу, горизонтально размещенные опоры, радиально закрепленные вверху и/или внизу горизонтальных осей на валу в плоскости их расположения на расстояниях, меньших размера лопасти от горизонтальных осей. При этом горизонтальные оси закреплены на лопастях выше их центральной части [2].

Однако в данной установке горизонтально расположенные упоры, являющиеся частью рамки каркаса, испытывают ветровые нагрузки, сгибающие установку.

Вращающиеся против ветра рамки создают дополнительный тормозящий момент, снижающий мощность ветроэнергетической установки.

Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая расположенный в вертикальной опоре вертикальный вал и горизонтально установленные на нем две пары основных поворотных лопастей с упорами и крестообразно размещенными махами [3].

В данной установке, когда воздушный поток воздействует на поворотные лопасти, за счет жесткого крепления их к махам одна из каждой пары лопастей, разворачиваясь под действием воздушного потока, доходит до упоров, а противоположная лопасть в это время занимает положение вдоль воздушного потока. При этом воздушный поток, воздействующий на поверхность поворотных лопастей, дошедших до упоров, создает вращающий момент, под воздействием которого вращается верхняя часть вертикального вала, а от нее генератор.

Однако в данной ветроэнергетической установке существенная часть энергии ветра затрачивается нерационально, что приводит к снижению мощности генератора. Дело в том, что вращение лопастей вокруг оси поворотного маха под действием воздушного потока, происходит вследствие смещения центральной оси лопасти относительно оси маха. Воздушный поток, действующий на широкую часть лопасти относительно оси маха, больше воздушного потока, действующего на узкую часть лопасти, что и проводит к вращению лопасти. Очевидно, что масса широкой и узкой части лопастей не одинакова.

За счет смещения оси лопасти, а значит и центра тяжести относительно оси маха для пары противоположных лопастей существует состояние устойчивого равновесия при отсутствии ветра. Момент центра тяжести пары лопастей должен быть преодолен воздушным потоком, чтобы лопасти начали двигаться. Таким образом, часть воздушного потока затрачивается на преодоление момента центра тяжести, что снижает вращающий момент, который передается генератору. Кроме того, в известной установке часть воздушного потока затрачивается на поворот лопастей в положение, необходимое для взаимодействия с воздушным потоком: одна лопасть - поперек, а противоположная - вдоль потока.

Наиболее близкой по технической сути предлагаемому изобретению является ветроэнергетическая установка, содержащая размещенный в вертикальной опоре вертикальный вал и горизонтально установленные на нем две пары лопастей с упорами и крестообразно размещенными один над другим поворотными махами, причем лопасти каждой пары закреплены с поворотным махом во взаимно перпендикулярных плоскостях со смещением центральной оси лопасти относительно оси поворотного маха. Каждая лопасть снабжена уравновешивающим момент ее вращения относительно оси поворотного маха противовесом с элементом отталкивания, закрепленным на махе смежно с основным вертикальным валом с возможностью взаимодействия с упором, содержащим постоянный магнит, а внешний край лопасти выполнен с отгибом боковых сторон относительно оси поворотного маха в противоположные стороны [4].

В данной ветроэнергетической установке каждая лопасть уравновешена относительно оси поворотного вала противовесом. За счет этого устраняется тормозящий момент, обусловленный наличием момента тяжести поворотного маха, и увеличивается мощность вращения, передаваемая на генератор. Снижению тормозного момента служит и размещение противовеса поблизости от вертикального вала. В данной установке противовес, кроме уравновешивания момента относительно оси поворотного вала, выполняет еще и функцию взаимодействия с упором, обеспечивая передачу силового момента на вертикальный вал.

Однако при сильных порывах ветра эта установка может выйти из строя. Это обусловлено тем, что все ее элементы имеют жесткую связь между собой. В частности, при взаимодействии упора с элементом отталкивания между ними, а также на участке соединения маха с лопастью могут возникнуть при сильном потоке ветра механические напряжения, приводящие к поломке в указанных местах. Если же эти участки механически усилить, чтобы они могли выдерживать все, даже штормовые ветры, то такая ветроэнергетическая установка будет иметь большие стоимость, массу, материалоемкость, инерционность, что сделает ее неэффективной.

Кроме того, жесткость конструкции приводит к тому, что при сильных порывах ветра махи с лопастями начинают слишком быстро вращаться вокруг вертикального вала, что также нежелательно, ибо приводит к быстрому механическому износу вращающихся элементов, уменьшению ресурса работы, а также к повышенной частоте напряжения, производимого электрическим генератором, соединенным с валом.

Целью изобретения является повышение механической надежности установки и предупреждение повышения частоты вращения при сильных порывах ветра.

Поставленная цель достигается за счет того, что ветроэнергетическая установка, содержащая размещенный в вертикальной опоре вертикальный вал с упорами и горизонтально установленные на нем две пары лопастей и крестообразно размещенными один над другим поворотными махами, причем лопасти каждой пары закреплены с поворотным махом во взаимно перпендикулярных плоскостях со смещением центральной оси лопасти относительно оси поворотного маха, каждая лопасть снабжена уравновешивающим момент ее вращения относительно оси поворотного маха противовесом с элементом отталкивания, закрепленном на махе смежно с вертикальным валом с возможностью взаимодействия с упором, каждый поворотный мах состоит из двух поворотных горизонтальных валов, установленных на одной оси с промежутком между их концами, соединенными между собой гибкой связью и охваченными зафиксированным относительно вертикального вала горизонтальным цилиндром, причем каждый конец горизонтального вала соединен с цилиндром парой продольно сдвинутых подшипников, а упоры относительно вертикального вала и противовеса с элементами отталкивания относительно поворотного горизонтального вала маха установлены так, что взаимодействие упора и элемента отталкивания осуществляется при нахождении лопасти горизонтального вала маха в горизонтальной плоскости.

Кроме того, гибкая связь между концами горизонтальных валов маха выполнена в виде цилиндрической пружины, охватывающей указанные концы горизонтальных валов по внешней поверхности.

В предложенной ветроэнергетической установке, когда порывы ветра превышают номинальную скорость, автоматически осуществляется гашение механических нагрузок за счет гибкой связи между концами горизонтальных валов маха. При этом происходит поворот вертикально расположенной лопасти вокруг оси горизонтального вала маха в направлении ветра, уменьшается площадь лопасти, на которую действует ветер. Вследствие этого происходит уменьшение поворотного момента и скорости вращения маха относительно вертикального вала, что не приводит к его механической перегрузке.

На фиг.1 схематически изображен общий вид ветроэнергетической установки, на которую действует ветер (его направление показано стрелками), не превышающий допустимую скорость;

на фиг.2 - общий вид ветроэнергетической установки, на которую действует ветер, превышающий допустимую скорость;

на фиг.3 - вид А-А на фиг.1.

Ветроэнергетическая установка содержит размещенный в вертикальной опоре 1 вертикальный вал 2 с упорами 3 и горизонтально установленные на нем две пары поворотных лопастей 4, 5 и 6, 7. Поворотные махи 8 и 9 крестообразно размещены один над другим, причем лопасти 4 и 5 с махом 8 и лопасти 6 и 7 с махом 9 закреплены во взаимно перпендикулярных плоскостях со смещением центральной оси лопасти относительно оси поворотного маха. За счет этого каждая лопасть, например 4, имеет две части 4а с меньшей площадью и 4б с большей площадью относительно оси вращения 10. Каждая лопасть снабжена противовесом 11, уравновешивающим момент ее вращения относительно оси вращения 10. Противовесы 11 снабжены элементами отталкивания, например постоянными магнитами (не показаны), вставленными в середину противовесов, и размещены с возможностью взаимодействия с упорами 3, в которых также установлены постоянные магниты противоположной полярности. Противовесы закреплены на махе смежно с вертикальным валом 2. Каждый поворотный мах состоит из двух поворотных горизонтальных валов 12 и 13, установленных на оси вращения 10 с промежутком 14 между их концами, соответственно 15 и 16. Концы валов 12 и 13 соединены между собой гибкой связью, например цилиндрической пружиной 17, охватывающей концы 15 и 16 горизонтальных валов 12 и 13. Концы валов 12 и 13 охвачены горизонтальным цилиндром 18, зафиксированным относительно вертикального вала 2. Каждый конец горизонтального вала соединен с цилиндром 18 парой подшипников 19, сдвинутых вдоль оси 10.

Упоры 3 относительно вертикального вала 2 и противовесы 11 с элементами отталкивания относительно поворотного горизонтального вала, например 13, установлены так, что взаимодействие, например контакт, упора 3 и элемента отталкивания противовеса 11 осуществляется при нахождении лопасти 5 горизонтального вала маха 8 в горизонтальной плоскости. Поворотный вал 2, установленный в торцевой ступице 20 вертикально к опоре 1, соединен с электрическим генератором ветроэнергетической установки (не показан).

Ветроэнергетическая установка работает таким образом.

При отсутствии воздушного потока лопасти с противовесами находятся в состоянии безусловного равновесия относительно оси маха. Вертикальный вал при этом не вращается. При появлении ветра лопасть 4 занимает положение поперек, а лопасть 5 - вдоль направления ветра, поворачивая мах 8 вокруг своей оси 10 (фиг.1). Поворот лопасти 4 вокруг оси 10 под действием ветра происходит вследствие разницы в плоскостях двух частей 4а и 4б. Вследствие связи валов 12 и 13, осуществляемой при помощи цилиндрической пружины 17, при повороте вокруг оси 10 происходит поворот в ту же сторону и лопасти 5. Дальнейшему повороту маха 8 препятствует упор 3, в который упирается противовес 11. При контакте противовеса 11 с упором 3 между их постоянными магнитами возникает электромагнитная сила отталкивания, позволяющая смягчить или избежать механического удара и снизить шум, образующийся при этом. Вследствие разницы силы ветра, действующего на горизонтально расположенную лопасть 5 и на вертикальную лопасть 4, появляется момент, и вертикальный вал 2 через ступицу 20 приводит во вращение электрический генератор.

При штормовой погоде, если воздушный поток превышает критическое значение, ветроэнергетическая установка продолжает выполнять свои функции (фиг.2). При этом, благодаря большой силе, действующей на вертикально расположенную лопасть 4, она осуществляет дальнейший поворот (показана сплошной линией) вокруг оси 10, хотя лопасть 5, обтекаемая воздушным потоком, находится в горизонтальной плоскости, так как противовес 11 упирается в упор 3. Дальнейший поворот лопасти 4 происходит при взаимном повороте валов 12 и 13 вследствие напряжения цилиндрической пружины 17. Чем больше будет штормовой ветер, тем больше будет напрягаться пружина 17 и вращаться лопасть 4 вокруг оси 10. При таком повороте уменьшается эффективная площадь лопасти 4 для ветра, а вследствие этого уменьшается сила действия на нее ветра и вращающий момент маха 8. Уменьшение вращающего момента в свою очередь уменьшает и скорость вращения вала 2, удерживая скорость в допустимых пределах.

Выбором жесткости пружины 17 можно регулировать взаимный наклон лопасти 4 относительно лопасти 5 в соответствии с силой штормовых ветров региона.

Предлагаемая модельная ветроэнергетическая установка была изготовлена, экспериментально испытана и показала хорошие результаты.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2059877, МКП 6 F 03 D 1/00. Опубл. 10.05.96 г. Бюл. №13.

2. Заявка на пат. РФ №94031431, МКИ 6 F 03 D 3/00. Опубл. 20.06.96 г. Бюл. №17.

3. А.с. СССР №1746054, МКИ F 03 D 3/06. Опубл. 07.07.92 г. Бюл. №25.

4. Патент Украины №31757 А, МКИ F 03 D 3/00. Опубл. 15.12.2000 г., Бюл. №7-11 (прототип).

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для получения электрической энергии за счет кинетической энергии ветра. Технический результат заключается в повышении механической надежности установки и предупреждении повышения частоты вращения при сильных порывах ветра. Ветроэнергетическая установка содержит размещенный в вертикальной опоре вертикальный вал с упорами и горизонтально установленные на нем две пары поворотных лопастей. Поворотные махи крестообразно размещены один над другим, причем лопасти каждой пары закреплены с поворотным махом во взаимно перпендикулярных плоскостях со смещением центральной оси лопасти относительно оси поворотного маха. Каждая лопасть снабжена противовесом, уравновешивающим момент ее вращения относительно оси вращения. Каждый поворотный мах состоит из двух поворотных горизонтальных валов, установленных на оси вращения с промежутком между их концами. Концы валов соединены между собой гибкой связью, например цилиндрической пружиной, охватывающей концы горизонтальных валов. Концы валов охвачены горизонтальным цилиндром, зафиксированным относительно вертикального вала. Каждый конец горизонтального вала соединен с цилиндром парой подшипников, сдвинутых вдоль оси, а упоры относительно вертикального вала и противовесы с элементами отталкивания относительно поворотного горизонтального вала маха установлены так, что взаимодействие упора и элемента отталкивания осуществляется при нахождении лопасти горизонтального вала маха в горизонтальной плоскости. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая размещенный в вертикальной опоре вертикальный вал с упорами и горизонтально установленные на нем две пары лопастей с крестообразно размещенными один над другим поворотными махами, причем лопасти каждой пары закреплены с поворотным махом во взаимно перпендикулярных плоскостях со смещением центральной оси лопасти относительно оси поворотного маха, каждая лопасть снабжена уравновешивающим момент ее вращения относительно оси поворотного маха противовесом с элементом отталкивания, закрепленным на махе смежно с вертикальным валом с возможностью взаимодействия с упором, отличающаяся тем, что каждый поворотный мах состоит из двух поворотных горизонтальных валов, установленных на одной оси с промежутком между их концами, соединенными между собой гибкой связью и охваченными зафиксированным относительно вертикального вала горизонтальным цилиндром, причем каждый конец горизонтального вала соединен с цилиндром парой продольно сдвинутых подшипников, а упоры относительно вертикального вала и противовесы с элементами отталкивания относительно поворотного горизонтального вала маха установлены так, что взаимодействие упора и элемента отталкивания осуществляется при нахождении лопасти горизонтального вала маха в горизонтальной плоскости.2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что гибкая связь между концами горизонтальных валов маха выполнена в виде цилиндрической пружины, охватывающей указанные концы горизонтальных валов по внешней поверхности.