ВЕТРЯНАЯ ТУРБИНА С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ И ВТОРИЧНЫМ ВЕТРЯНЫМ РОТОРОМ Российский патент 2016 года по МПК F03D1/02 F03D7/02 

Данное изобретение относится к области производства электроэнергии, и в частности оно касается ветряной турбины, имеющей горизонтальную ось.

Возобновляемые источники энергии все более широко используются для производства электроэнергии. В области возобновляемой энергии в настоящее время проявляется особый интерес к преобразованию ветровой энергии в электроэнергию. Такое преобразование энергии осуществляется с помощью электромеханических машин, называемых ветряными турбинами, способных преобразовывать кинетическую энергию ветра в электроэнергию для подачи в электрическую сеть. Можно различать ветряные турбина двух различных типов, в частности ветряные турбины с вертикальной осью и ветряные турбины с горизонтальной осью.

Ветряные турбины с горизонтальной осью, в настоящее время являющиеся более распространенными, чем ветряные турбины с вертикальной осью, в общем случае содержат вертикальную опорную конструкцию, пространственно ориентируемую гондолу, с возможностью поворота шарнирно прикрепленную наверху вертикальной опорной конструкции, ветровой ротор, содержащий группу лопастей, прикрепленных к ступице, вращающийся вал, соединенный со ступицей, и электрический генератор переменного тока, расположенный внутри гондолы и предназначенный для преобразования механической энергии вращения вала в электрическую энергию. Ветровой ротор, приводимый в движение за счет действия ветра, захватываемого группой лопаток, выполнен таким образом, чтобы он вращался вокруг по существу горизонтальной оси или оси, немного наклоненной относительно строго горизонтальной оси, для приведения вращающегося вала во вращение.

При производстве электроэнергии для ветряных турбин с горизонтальной осью существуют в общем случае два рабочих пороговых значения, минимальный и максимальный соответственно, связанных со скоростью ветра. В действительности, ниже минимальной скорости ветра, например, если такая скорость составляет менее 3 м/сек, ветровой ротор остается неподвижным или удерживается неподвижным, и в таком состоянии ветряная турбина не вырабатывает электроэнергию. Кроме того, если скорость ветра превышает максимальный порог, например, если она составляет более 25 м/сек, по причинам безопасности и для предотвращения повреждения ветряной турбины предусмотрена принудительная блокировка ветрового ротора. В этом случае также не вырабатывается электроэнергия. Следовательно, в зависимости от скорости ветра, которая обычно является переменной величиной, ветряные турбины в отношении производства электроэнергии обеспечивают в общем случае режим работы с перерывами. С другой стороны, к электронной системе управления ветряной турбины, расположенной, как правило, на основании вертикальной опоры, в общем случае всегда подается электропитание, и она всегда находится в рабочем состоянии, и, следовательно, если ветровой ротор является неподвижным, поскольку скорость ветра находится за пределами рабочего диапазона, находящегося между вышеупомянутыми минимальным и максимальным пороговыми значениями, предусмотрено отбирать электроэнергию из сети вместо подачи ее в сеть. Первоначальные операции ветрового ротора в общем случае также включают в себя отбор энергии из электрической сети.

Прерывистая работа, описанная выше, представляет, вероятно, наибольший недостаток ветряной турбины с горизонтальной осью.

Цель данного изобретения - создать ветряную турбину, которая по меньшей мере отчасти преодолевает недостаток, описанный выше.

Такая цель достигается с помощью ветряной турбины, охарактеризованной в п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные и преимущественные варианты реализации вышеупомянутой ветряной турбины согласно данному изобретению охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.

Данное изобретение раскрыто в последующем подробном описании конкретного варианта осуществления, приведенного в качестве примера и, следовательно, не ограничивающего объем изобретения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

На фиг. 1 дан вид сбоку варианта реализации ветряной турбины с горизонтальной осью, содержащей гондолу, первичный ветровой ротор и вторичный ветровой ротор.

На фиг. 2 дан вид сбоку гондолы и вторичного ветрового ротора турбины, изображенной на фиг. 1.

На фиг. 3 дан вид в плане сверху гондолы и вторичного ветрового ротора турбины, изображенной на фиг. 1.

На фиг. 4 дан вид в перспективе гондолы и вторичного ветрового ротора турбины, изображенной на фиг. 1.

На чертежах элементы, которые являются одинаковыми или аналогичными, обозначены одинаковыми позициями.

Со ссылкой на прилагаемые чертежи, показан не ограничивающий рамки изобретения вариант реализации ветряной турбины с горизонтальной осью, в целом обозначенной позицией 1.

В соответствии с вариантом осуществления данного изобретения ветряная турбина 1 представляет собой так называемую ветряную мини-турбину, способную вырабатывать электрическую мощность менее 200 кВт, например, приблизительно 50-60 кВт.

Ветряная турбина 1 содержит опорную башню 30, которая в представленном примере закреплена на стальном опорном основании 32 и зафиксирована с помощью множества тросов 31, например, изготовленных из стали. Опорное основание 32 предназначено для его заглубления в землю так, чтобы его верхняя поверхность располагалась заподлицо с уровнем земли.

Ветряная турбина 1 содержит гондолу 2 с головной частью 11 и хвостовой частью 12. Гондола 2 закреплена наверху опорной башни 30 с возможностью поворота, чтобы ее можно было ориентировать в пространстве регулируемым образом, например, с помощью серводвигателя, не показанного на чертежах. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения, гондола 2 содержит нижнюю базовую часть 20 и верхний кожух 22, например, выполненный в форме купола, прикрепленный к нижней базовой части 20. Между верхним кожухом 22 и нижней базовой частью 20 образовано пространство, предназначенное для размещения механических, электрических и электромеханических компонентов ветряной турбины 1.

Ветряная турбина 1 содержит первичный ветровой ротор 3, установленный с возможностью вращения относительно гондолы 2 вокруг первичной оси вращения A1 и содержащий первичную группу лопастей 4, крепежную ступицу 5 для крепления вышеупомянутых лопастей 4, выступающую из головной части 11 гондолы 2, и вал, не показанный на чертежах, в процессе работы присоединяемый к ступице 5 и предназначенный для его вращения первичным ветровым ротором 3.

В соответствии с вариантом осуществления данного изобретения, первичная группа лопастей 4 имеет только две лопасти 4.

Первичная ось вращения A1 является горизонтальной осью. Это означает, что такая ось A1 может являться строго горизонтальной или, как в представленном примере, немного наклоненной относительно строго горизонтальной оси, например, под углом приблизительно 5°.

Ветряная турбина 1 также содержит, по меньшей мере, один первичный электрогенератор, содержащий, по меньшей мере, один первичный электрический статор, выполненный неразъемным с гондолой 2, и первичный электрический ротор, выполненный неразъемным с валом или в процессе работы присоединяемый к нему. Вышеупомянутые компоненты не показаны на прилагаемых чертежах.

Первичный электрогенератор предназначен для преобразования энергии ветра первичной группой лопастей 4 в электроэнергию, и в частности в электроэнергию переменного тока.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения, первичный электрогенератор представляет собой синхронный генератор с постоянными магнитами, способный развивать единичную номинальную мощность, составляющую приблизительно 50 кВт.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, первичный электрогенератор включает в себя два генератора, расположенных последовательно друг за другом, например, каждый из которых способен развивать единичную номинальную мощность, составляющую приблизительно 27 кВт.

Ветряная турбина 1 также содержит электрический распределительный шкаф 35, содержащий преобразователь переменного/постоянного/переменного тока, предназначенный для соединения ветряной турбины 1 с электрической сетью, в которую подается электроэнергия, вырабатываемая первичным электрогенератором. Из такой электрической сети электроэнергия, необходимая для работы ветряной турбины 1, также отбирается в процессе работы, например, для подачи электропитания к электрическому шкафу 35, для подачи электропитания к приводам, находящимся в ветряной турбине, например, для приводов, предусмотренных для регулируемого ориентирования гондолы 2, чтобы максимизировать/оптимизировать производство электроэнергии.

Преобразователь переменного/постоянного/переменного тока представляет собой, например, статический преобразователь в конфигурации со встречным включением, и он является таким, чтобы сделать электрическую энергию переменного тока, поставляемую первичной ветряной турбиной, совместимой с характеристиками, накладываемыми электрической сетью. В электрическом шкафу 35 возможно разместить управляющую электронику ветряной турбины 1, предназначенную для управления/регулирования работы самой ветряной турбины 2 и опционально для дистанционного сбора и передачи информации о состоянии ветряной турбины 1. В традиционно известном способе электрический шкаф 25 в процессе работы соединен с гондолой 2 с помощью электрических кабелей, проложенных через опорную башню 30.

Ветряная турбина 1 также содержит вспомогательный ветровой ротор 25, установленный с возможностью вращения на хвостовой части 12 и содержащий вторичную группу лопастей 25, вращающихся вокруг вторичной оси вращения A2, перпендикулярной к первичной оси вращения A1. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, вторичная ось A2 расположена относительно уровня поверхности установки ветряной турбины 1 на большей высоте по сравнению с первичной осью A1. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, как видно на фиг. 1-3, вторичная ось вращения A2 является горизонтальной осью.

В представленном конкретном примере вторичный ветровой ротор содержит группу, состоящую из десяти лопастей 25. В соответствии с вариантом осуществления изобретения, лопасти 25 являются вогнутыми с одной стороны и выпуклыми с противоположной стороны и выполнены по существу ложкообразной формы. В конкретном примере, представленном на чертежах, лопасти 25 вторичной группы также имеют форму, которая на виде в плане по существу подобна капле или лепестку. Вышеупомянутые лопасти 25 выступают из цилиндрической центральной ступицы 27, к которой они неподвижно прикреплены.

В соответствии с вариантом осуществления данного изобретения, хвостовая часть 12 гондолы 2 содержит вилку 6, имеющую два опорных кронштейна 16. К примеру, вилка 6 прикреплена к нижней базовой части 20 гондолы 2. Вспомогательный ветровой ротор 15, и в частности его цилиндрическая центральная ступица 27, с возможностью вращения шарнирно прикреплен к вилке 6, будучи закрепленным между вышеупомянутыми опорными кронштейнами 16. В соответствии с преимущественным вариантом осуществления данного изобретения, каждый из опорных кронштейнов 16 вилки 6 изогнут и имеет колено 26 для смещения центра вторичного ветрового ротора 25 относительно центра гондолы 2. К примеру, каждый из кронштейнов 26 изогнут на угол α, равный приблизительно 30°.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, вторичный ветровой ротор 15 содержит вторичный электрический ротор, например, размещенный внутри цилиндрической центральной ступицы 27 и не показанный на чертежах. Ветряная турбина 1 содержит вторичный электрогенератор, содержащий вышеупомянутый вторичный электрический ротор и вторичный электрический статор, выполненный неразъемным с хвостовой частью 12 гондолы 2 и не видимый на чертежах. Вторичный электрический статор находится внутри вышеупомянутого вторичного электрического ротора внутри цилиндрической центральной ступицы 27, и предназначен для взаимодействия с последним для преобразования энергии ветра, получаемой вторичным ветровым ротором 15, в электроэнергию. К примеру, вторичный электрогенератор представляет собой генератор с постоянными магнитами. В соответствии с вариантом осуществления данного изобретения, такой вторичный электрогенератор может вырабатывать электроэнергию с номинальной мощностью, составляющей приблизительно 1 кВт.

В соответствии с вариантом осуществления данного изобретения, вторичный. электрогенератор соединен с электрической сетью, например, с помощью электрического шкафа 35. В этом случае преобразователь переменного/постоянного/переменного тока, содержащийся в электрическом шкафу 35, имеет первый ввод, предназначенный для приема электрической энергии переменного тока, вырабатываемой в результате вращения первичного ветрового ротора 3 и, следовательно, первичным электрогенератором, и имеет вспомогательный ввод, предназначенный для приема электрической энергии переменного тока, вырабатываемой в результате вращения вторичного ветрового ротора 15 и, следовательно, вторичным электрогенератором.

Со ссылкой на фиг. 1, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, гондола 2 является пространственно ориентируемой, и когда она ориентирована так, чтобы главная ось A1 располагалась вдоль превалирующего направления ветра W, вторичная ось A2 расположена относительно гондолы 2 на такой высоте, что гондола частично загораживает вторичный ветровой ротор 15 от ветра ассиметричным образом относительно вторичной оси A2. К примеру, вторичный ветровой ротор 15 расположен на такой высоте, чтобы половина или приблизительно половина вышеупомянутого вторичного ветрового ротора 15 протекала поверх гондолы 2, т.е. над верхним кожухом 22 гондолы 2.

Система управляется электроникой таким образом, что первичный ветровой ротор 3, как и в ветряных турбинах уровня техники, предшествующего данному изобретению, может вращаться только в том случае, если характеристики ветра удовлетворяют определенным условиям, учитывающим минимальное и максимальное рабочие пороговые значения, описанные выше. Вторичный ветровой ротор 15, также называемый хвостовым ротором, с другой стороны, имеющий меньшую массу и вызывающий меньше проблем безопасности по сравнению с первичным ветровым ротором 3, можно заставить вращаться независимо от характеристик ветра, обеспечивая непрерывное производство электроэнергии, которая по меньшей мере компенсирует или отчасти компенсирует электрическую энергию, забираемую из сети для работы самой ветряной турбины 1, т.е., например, энергию, необходимую для ориентирования гондолы 2, или для подачи энергии, необходимой для приведения лопастей 5 первичного ветрового ротора 3 в движение, и т.п.Кроме того, хвостовой ротор 15 дает возможность создавать впечатление, что в любом случае ветряная турбина 1 представляет собой машину, которая всегда работает, даже когда первичный ветровой ротор 3 является неподвижным, и это способствует улучшению общественного мнения и отношения местного населения по поводу этого типа машин, иногда критикуемых за то, что они неподвижны и имеют негативное влияние в отношении внешнего вида и встраивания в окружающий ландшафт.

Из описания, которое только что было представлено, можно понять, каким образом ветряная турбина описанного выше типа достигает заранее определенные цели и, следовательно, способна преодолевать или по меньшей мере минимизировать недостатки, описанные выше ветряных турбин из уровня техники, предшествующего данному изобретению.

Конечно, специалист в данной области техники может предложить многочисленные модификации и варианты описанной выше ветряной турбины, чтобы удовлетворить дополнительным и конкретным требованиям, все из которых в любом случае входят в объем защиты данного изобретения, определенный формулой изобретения.

Изобретение относится к ветряным турбинам. Ветряная турбина (1) для преобразования энергии ветра в электроэнергию содержит гондолу (2), имеющую головную часть (11) и хвостовую часть (12), первичный ветровой ротор (3), установленный с возможностью вращения относительно гондолы (2) вокруг первичной оси вращения (А1) и содержащий первичную группу лопастей (4), ступицу (5) для крепления вышеупомянутых лопастей (4), выступающую из головной части (11) гондолы (2), а также вал, предназначенный для его вращения с помощью первичного ветрового ротора (3), по меньшей мере один первичный электрогенератор, содержащий по меньшей мере первичный электрический статор, неподвижно закрепленный в вышеупомянутой гондоле (2), и первичный электрический ротор, неподвижно закрепленный на вышеупомянутому валу или установленный с возможностью соединения с вышеупомянутым валом, причем первичный электрогенератор предназначен для преобразования энергии ветра, получаемой вышеупомянутой первичной группой лопастей (4), в электроэнергию. При этом ветряная турбина (1) содержит вторичный ветровой ротор (15), установленный с возможностью вращения на хвостовой части (12) и содержащий вторичную группу лопастей (25), расположенных с возможностью вращения вокруг вторичной оси (А2), перпендикулярной первичной оси вращения (А1), хвостовая часть (12) содержит вилку (6), имеющую два опорных кронштейна (16), каждый из которых изогнут и имеет колено (26) и между которыми с возможностью вращения закреплен вторичный ветровой ротор (15). Изобретение направлено на непрерывную выработку электроэнергии вне зависимости от скорости ветра. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ветряная турбина (1) для преобразования энергии ветра в электроэнергию, содержащая
- гондолу (2), имеющую головную часть (11) и хвостовую часть (12),
- первичный ветровой ротор (3), установленный с возможностью вращения относительно гондолы (2) вокруг первичной оси вращения (А1) и содержащий первичную группу лопастей (4), ступицу (5) для крепления вышеупомянутых лопастей (4), выступающую из головной части (11) гондолы (2), а также вал, предназначенный для его вращения с помощью первичного ветрового ротора (3),
- по меньшей мере один первичный электрогенератор, содержащий по меньшей мере первичный электрический статор, неподвижно закрепленный в вышеупомянутой гондоле (2), и первичный электрический ротор, неподвижно закрепленный на вышеупомянутом валу или установленный с возможностью соединения с вышеупомянутым валом, причем первичный электрогенератор предназначен для преобразования энергии ветра, получаемой вышеупомянутой первичной группой лопастей (4), в электроэнергию, отличающаяся тем, что
- ветряная турбина (1) содержит вторичный ветровой ротор (15), установленный с возможностью вращения на хвостовой части (12) и содержащий вторичную группу лопастей (25), расположенных с возможностью вращения вокруг вторичной оси (А2), перпендикулярной первичной оси вращения (А1), при этом
- хвостовая часть (12) содержит вилку (6), имеющую два опорных кронштейна (16), каждый из которых изогнут и имеет колено (26) и между которыми с возможностью вращения закреплен вторичный ветровой ротор (15).

2. Ветряная турбина (1) по п. 1, отличающаяся тем, что вторичный ветровой ротор (15) содержит вторичный электрический ротор, ветряная турбина (1) содержит вторичный электрогенератор, содержащий вышеупомянутый вторичный электрический ротор и вторичный электрический статор, неподвижно прикрепленный к хвостовой части (12) внутри вышеупомянутого вторичного электрического ротора и предназначенный для взаимодействия с последним для преобразования в электроэнергию энергии ветра, направленного на вышеупомянутый вторичный ветровой ротор (15).

3. Ветряная турбина (1) по п. 2, отличающаяся тем, что вышеупомянутый вторичный электрогенератор выполнен в виде генератора с постоянными магнитами.

4. Ветряная турбина (1) по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что ветряная турбина (1) выполнена с возможностью ее соединения с электрической сетью и дополнительно содержит электрический распределительный шкаф (35) переменного/постоянного/переменного тока, предназначенный для приведения электрической энергии переменного тока, поставляемой первичным электрогенератором, в соответствие с техническими требованиями, накладываемыми вышеупомянутой электрической сетью, содержащий первый ввод, предназначенный для приема электрической энергии переменного тока, вырабатываемой в результате вращения первичного ветрового ротора (3), и вспомогательный ввод, предназначенный для приема электрической энергии переменного тока, вырабатываемой в результате вращения вторичного ветрового ротора (15).

5. Ветряная турбина (1) по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что гондола (2) установлена с возможностью пространственного ориентирования так, что когда вышеупомянутая главная ось (А1) ориентирована вдоль превалирующего направления ветра, вторичная ось вращения (А2) расположена относительно гондолы на такой высоте, что гондола частично загораживает вторичный ветровой ротор (15) от ветра ассиметрично по отношению к вторичной оси вращения (А2).

6. Ветряная турбина (1) по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что вторичная ось вращения (А2) расположена относительно уровня поверхности установки ветряной турбины (1) на высоте, большей, чем первичная ось вращения (А1).

7. Ветряная турбина (1) по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что гондола (2) содержит нижнюю базовую часть (20) и верхний кожух (22), закрепленный к нижней базовой части (20) и расположенный на такой высоте, что приблизительно одна половина вторичного ветрового ротора (15) выступает по высоте над верхним кожухом (22).

8. Ветряная турбина (1) по п. 7, отличающаяся тем, что вилка (6) закреплена к вышеупомянутой нижней базовой части (20).

9. Ветряная турбина (1) по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что вышеупомянутая вторичная ось (А2) представляет собой горизонтальную ось.