ВЕТРОЛЕКТРОСТАНЦИЯ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2014 года по МПК F03D3/02 F03D3/04 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэлектрических станциях высокой мощности.

Широкое применение в конструкциях ветроэлектростанций (ВЭС) нашли лопастные ветроколеса с горизонтальной осью вращения. Ветроколесо снабжено лопастями, имеющими аэродинамический профиль, обеспечивающий высокий коэффициент использования энергии ветра. Стоимость производимой энергии в таких установках становится достаточно низкой, если от мелких ветродвигателей перейти к крупным - с диаметром колеса в десятки метров. Однако при этом возникает проблема - надежность работы ветроколеса большого диаметра становится недостаточно высокой. Для лопастей с диаметром ветроколеса более 65 м необходимы дорогостоящие материалы и технологии, а само колесо имеет сложную конструкцию. Отмечается, что основным фактором, ограничивающим единичную мощность ВЭС, является технология изготовления лопастей длиной до 50 м (Шефтер Я.И. Ветроэнергетические агрегаты. Изд-во "Машиностроение", М., 1992 г.). Кроме того, ухудшается экологическая обстановка в зоне расположения ВЭС, в результате возникновения интенсивного шума от вибрации лопастей ВЭС.

Известные ветроэлектростанции с ротором (ветроколесом) карусельного типа обеспечивают более широкие возможности увеличения единичной мощности ВЭС при экологически допустимом (низком) уровне создаваемого шума. Такими возможностями обладает, например, ВЭС патент RU 2009149279, F03D 3/00 от 28.12.2009. Однако в целом конструкция таких ВЭС подлежит усовершенствованию, так как наращивание единичной мощности в них ограничивается возможностями несущей способности подшипника нижней опоры вертикальной оси.

Задачей изобретения является усовершенствование известной ВЭС (патент RU 2009149279, F03D 3/00 от 28.12.2009) с ротором карусельного типа и создание на ее основе ветроэлектростанции повышенной мощности, работающей в автоматическом режиме (без обслуживающего персонала) с высоким коэффициентом использования ветровой энергии. Поставленная задача достигается тем, что в предложенной ВЭС, включающей: модуль, содержащий смонтированную в подшипниковых опорах, верхней и нижней, вертикальную ось с лопастями, платформу, смонтированную на опорах, на платформе закреплена нижняя подшипниковая опора вертикальной оси, установлен прикрывающий часть лопастей от воздействия ветра дуговой экран с по меньшей мере одним опорным колесом, сообщенным трансмиссией с двигателем, осесимметричную поверхность, взаимодействующую с колесом, дуговой экран снабжен автоматической системой угловой ориентации по сигналам датчика параметров ветра, а вертикальная ось модуля кинематически связана с валом электрогенератора, на опорах закреплена вторая платформа модуля, на которой смонтирована верхняя подшипниковая опора вертикальной оси, и осесимметричная поверхность, взаимодействующая с по меньшей мере одним опорным колесом экрана, обеспечивающим угловое перемещение дугового экрана от двигателя;

на верхней платформе закреплены на опорах ярусами дополнительные модули, при этом верхняя платформа нижерасположенного модуля служит нижней платформой вышерасположенного модуля, а вертикальные оси модулей кинематически соединены;

в модуле концентрично дуговому экрану смонтирован второй дуговой экран и смонтированы звенья кинематической цепи, обеспечивающей угловое перемещение дугового экрана от двигателя, управляемого автоматической системой угловой ориентации дугового экрана по сигналам датчика параметров ветра;

на верхней платформе верхнего модуля закреплен датчик параметров ветра.

Совокупность перечисленных выше существенных признаков при осуществлении предлагаемого изобретения позволяет получить следующие технические результаты:

- расширить возможности увеличения единичной мощности ВЭС по сравнению с единичной мощностью, достигнутой в мире, что способствует снижению стоимости производимой электроэнергии;

- повысить коэффициент использования мощности ветра для ВЭС с карусельным ротором;

- создание ВЭС повышенной мощности, работающей в автоматическом режиме (без обслуживающего персонала).

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами фиг.1, 2, 3, 4, 5, где приведены проекции конструктивной схемы ВЭС высокой мощности.

На фиг.1, сечение Б-Б, приведено изображение продольного сечения многоярусной ВЭС, состоящей из ВЭС-модулей; изображены проекции лопастей ротора.

На фиг.2, вид A, изображены:

- проекция модуля ВЭС - первого яруса многомодульной ВЭС;

- силовой каркас дугового экрана 6. Изображение каркаса выполнено на той части проекции, где часть лопасти 2 ротора условно не изображена (место вырова);

- конструктивная схема колесного шасси 10 дугового экрана.

На фиг.3, 4, сечение B-B, изображены:

- поперечное сечение вертикальной оси 1 (ротора) и рабочее расположение дугового экрана 6, два варианта: с дугой охвата ~180° и ~90°;

На фиг.5, сечение B-B, изображено:

- поперечное сечение ротора и взаимное расположение дуговых экранов 6 и 7 с дугой охвата ~90°.

Позициями обозначены:

1 - вертикальная ось;

2 - лопасть;

3 - элемент крепления лопасти - растяжка;

4, 5 - верхняя, нижняя подшипниковые опоры;

6, 7 - дуговой экран;

8, 9 - нижняя, верхняя платформа;

10 - колесное шасси;

11 - опорное колесо (с горизонтальной осью вращения);

12 - опорное колесо (с вертикальной осью вращения);

13 - осесимметричная поверхность;

14, 15 - верхний и нижний обод экрана;

16, 17 - обод и стержень силового каркаса;

18 - опора платформы;

19 - датчик параметров ветра;

20 - электрогенератор;

21 - поверхность земли.

На фиг.3, 4, 5 стрелками показано направление движения ветра.

В зависимости от потребной мощности предлагаемая ВЭС может быть выполнена в одноярусном и многоярусном исполнении. Отдельный модуль (ярус) ветроэлектрической станции многомодульной ВЭС содержит ротор с вертикальной осью 1 и закрепленными на ней лопастями 2 (фиг.2, вид A). Лопасти могут быть выполнены, например, в виде ферменной конструкции с листовым покрытием. Вертикальная ось 1 установлена с возможностью вращения в подшипниковых опорах 4 и 5. Упорный подшипник 5 закреплен на нижней платформе 8 и воспринимает силу тяжести вертикальной оси 1 с лопастями 2, подшипник 4 закреплен на верхней платформе 9.

Дуговой экран 6 предназначен для устранения действия ветра на лопасти 2 ротора в момент их перемещения навстречу ветру (фиг.3, 4, 5).

Дуговой экран 6 размещен на колесных шасси 10, снабженных двигателем, трансмиссией, системой управления и колесами 11 (движитель), устанавливающей экран 6 "по ветру". Система управления функционирует по сигналам датчика направления ветра 19, закрепленного на мачте платформы верхнего яруса ВЭС.

Колесные шасси 10 дугового экрана 6 установлены на платформе 8. Здесь же смонтированы детали кинематической цепи, обеспечивающей необходимую кинематическую точность углового перемещения дугового экрана. Конструкция кинематической цепи может различной. Один из вариантов конструкции приведен на фиг.2, вид A: на верхней 9 и нижней 8 платформах закреплены осесимметричные поверхности 13, например, цилиндрические, которые взаимодействуя с колесами 12, обеспечивают необходимое направление перемещения дугового экрана 6. Вертикальная ось 1 ротора соединена деталями кинематической цепи передачи крутящего момента с валом электрогенератора 20.

Модульная ВЭС работает следующим образом.

При появлении рабочей скорости ветра датчик 19 формирует сигнал в систему автоматического управления положением дугового экрана 6. Включается в работу двигатель шасси 10, и с помощью шасси экран 6 поворачивается в положение, при котором происходит оптимальное взаимодействие лопастей 2 с ветром (т.е. экран 6 располагается «по ветру»).

Ветер, воздействуя на лопасти 2, создает крутящий момент, который передается осью 1 и деталями кинематической цепи передачи крутящего момента на вал электрогенератора 20.

Необходимая легкость вращения оси 1 ротора достигается за счет установки оси 1 в шарикоподшипниковых опорах 4 и 5.

Необходимое перемещение дугового экрана 6 на платформе 8 при силовом воздействии ветра на экран достигается взаимодействием колес 11 с поверхностью платформы 8. Необходимое расположение экрана 6 в пространстве сохраняется за счет взаимодействия колес 12 с поверхностями 13, образующими кинематические пары.

Между верхним 14 и нижним 15 ободами дугового экрана закреплены дополнительные обода 16 и вертикальные стержни 17, образующие силовой каркас дугового экрана 6.

Система управления обеспечивает также перемещение экрана 6 для устранения избытка мощности на роторе от действия ветрового потока.

При увеличении скорости ветра выше допустимой система управления перекрывает доступ ветра на лопасти 2 перемещением экрана 6.

Конструкция тепловой защиты элементов ротора от обледенения здесь не рассматривается.

Горизонтальная платформа 8 смонтирована на опорах 18. Это позволяет, за счет удаления лопастей ротора от поверхности земли, повысить эффективность воздействия ветрового потока на лопасти 2 ротора и оборудовать помещение для монтажа блока с широким диапазоном изменения величины воспринимаемой мощности. Значительные размеры помещения позволяют выполнить электрогенератор в безредукторном исполнении.

Система управления функционирует по сигналам датчика направления ветра 19, закрепленного на мачте платформы верхнего яруса ВЭС.

Дуговой экран с дугой охвата ~180° обеспечивает прочностную защиту лопастей 2 при увеличении скорости ветра выше допустимой: система управления перекрывает экраном 6 доступ ветра на лопасти 2.

Дуговой экран с дугой охвата ~90° повышает коэффициент использования мощности ветрового потока, однако при этом для достижения необходимой прочностной защиты лопастей 2 необходимо использовать дополнительный дуговой экран 7. При увеличении скорости ветра выше допустимой система управления перекрывает доступ ветра на лопасти 2 системой экранов 6 и 7.

Дуговые экраны могут быть размещены на платформе внутри или снаружи стержневой опорной системы (фиг.3, 4, 5).

Дальнейшее увеличение единичной мощности ВЭС можно достигнуть, закрепляя на опорах ярусами ветроэлектростанции модули, при этом верхняя платформа нижерасположенного модуля служит нижней платформой вышерасположенного модуля, а их вертикальные оси 1 соединены деталями кинематической цепи передачи крутящего момента на вал электрогенератора 20. Упомянутой кинематической цепью являются муфты передачи крутящего момента. Конструкции муфт могут быть разнообразными. На Фиг.2, в качестве примера, изображена конструкция муфты в виде вставки с наружными шлицами, кинематически соединяющей ответные шлицы, выполненные в полых концах смежных осей 1.

Над верхней платформой модуля ВЭС верхнего яруса закреплен датчик 19 (Фиг.1) параметров ветра.

Совокупность перечисленных выше существенных признаков при осуществлении предлагаемого изобретения позволяет получить следующие технические результаты:

- расширить возможности увеличения единичной мощности ВЭС по сравнению с единичной мощностью, достигнутой в мире, что способствует снижению стоимости производимой электроэнергии;

- повысить коэффициент использования мощности ветра для ВЭС с карусельным ротором;

- создание ВЭС повышенной мощности, работающей в автоматическом режиме (без обслуживающего персонала);

- устранить технологические трудности, возникающие при повышении единичной мощности ВЭС;

- улучшить экологическую обстановку в зоне размещения ВЭС за счет устранения шума от вибрирующих лопастей.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при создании ветроэлектрических станциях высокой мощности. Ветроэлектростанция, включающая модуль, содержит смонтированную в подшипниковых опорах, верхней и нижней, вертикальную ось с лопастями, платформу, смонтированную на опорах, на платформе закреплена нижняя подшипниковая опора вертикальной оси, установлен прикрывающий часть лопастей от воздействия ветра дуговой экран с по меньшей мере одним опорным колесом, сообщенным трансмиссией с двигателем, осесимметричную поверхность, взаимодействующую с колесом. Дуговой экран снабжен автоматической системой угловой ориентации по сигналам датчика параметров ветра. Вертикальная ось модуля кинематически связана с валом электрогенератора. На опорах закреплена вторая платформа модуля, на которой смонтирована верхняя подшипниковая опора вертикальной оси, и осесимметричная поверхность, взаимодействующая с по меньшей мере одним опорным колесом экрана, обеспечивающим угловое перемещение дугового экрана от двигателя. На верхней платформе закреплены на опорах ярусами дополнительные модули, при этом верхняя платформа нижерасположенного модуля служит нижней платформой вышерасположенного модуля, а вертикальные оси модулей кинематически соединены. Изобретение обеспечит повышение мощности при работе в автоматическом режиме с высоким коэффициентом использования ветровой энергии. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ветроэлектростанция, включающая модуль, содержащий смонтированную в подшипниковых опорах, верхней и нижней, вертикальную ось с лопастями, платформу, смонтированную на опорах, на платформе закреплена нижняя подшипниковая опора вертикальной оси, установлен прикрывающий часть лопастей от воздействия ветра, дуговой экран с по меньшей мере одним опорным колесом, сообщенным трансмиссией с двигателем, осесимметричную поверхность, взаимодействующую с колесом, дуговой экран снабжен автоматической системой угловой ориентации по сигналам датчика параметров ветра, а вертикальная ось модуля кинематически связана с валом электрогенератора, отличающаяся тем, что на опорах закреплена вторая платформа модуля, на которой смонтирована верхняя подшипниковая опора вертикальной оси, и осесимметричная поверхность, взаимодействующая с по меньшей мере одним опорным колесом экрана, обеспечивающим угловое перемещение дугового экрана от двигателя; на верхней платформе закреплены на опорах ярусами дополнительные модули, при этом верхняя платформа нижерасположенного модуля служит нижней платформой вышерасположенного модуля, а вертикальные оси модулей кинематически соединены.

2. Ветроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в модуле концентрично дуговому экрану смонтирован второй дуговой экран, снабженный автоматической системой угловой ориентации по сигналам датчика параметров ветра.

3. Ветроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что на верхней платформе верхнего модуля закреплен датчик параметров ветра.