ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ДВУМЯ ВЕТРОКОЛЕСАМИ Российский патент 2020 года по МПК F03D7/02 F03D15/00 

Изобретение относятся к ветроэнергетике и может быть использовано при управлении ветроэнергетической установкой (ВЭУ) с двумя ветроколесами.

Известно устройство-аналог (Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии.: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1990. На стр. 241 задача 9.7 и ее решение на стр. 242) управления ветроэнергетической установкой с двумя ветроколесами с вращением их в разные стороны. Согласно линейной теории при расположении двух идеальных ветроколес одного диаметра последовательно удается достичь максимального коэффициента мощности С_Р=0.64 (по сути это КПД двух идеальных ветроколес). Для одного идеального ветроколеса согласно той же теории максимальный коэффициент мощности равен критерию Жуковского-Бетца, т.е. равен С_Рмах=16/27=0.593 (это КПД одного идеального ветроколеса). Таким образом, выигрыш по мощности составляет примерно 5%, т.е. использование ветроэнергетической установкой энергии ветра увеличилось тоже на 5% - несколько больше, чем по критерию Жуковского-Бетца.

Недостатком этого устройства - аналога является недоиспользование ветроэнергетической установкой энергии ветра со снижением скорости ветра.

Известно устройство-прототип: (Цгоев Р.С. Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами - пункт 2 формулы патента РФ №2522256), согласно которому ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами содержит лопасти ветроколес, ступицы и общий вал ветроколес, электрогенератор, энергосистему, при этом общий вал ветроколес соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, расположенный на общем валу ветроколес блок управления углом между ветроколесами с электродвигателем и с системой передачи "винт - гайка",

Недостатком устройства-прототипа является наличие двух шлицевых пар. Первую образует ступица второго ветроколеса с общим валом винтовую шлицевую пару. Вторую шлицевую пару образует гайка системы передачи "винт - гайка" с остовом механизма поворота и перемещения второго ветроколеса относительно первого ветроколеса, в которой шлицы выполнены с возможностью возвратно-поступательного перемещения в специальных пазах в остове. Наличие двух шлицевых пар усложняет конструкцию всей ветроэнергетической установки.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности ветроэнергетической установки с двумя ветроколесами путем исключения из конструкции шлицевых пар.

Технический результат заключается в упрощении конструкции ветроэнергетической установки и, следовательно, в ее удешевлении и упрощении условий эксплуатации.

Поставленная техническая задача решается тем, что известная ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами, содержащая лопасти ветроколес, ступицы и общий вал ветроколес, электрогенератор, энергосистему, при этом общий вал ветроколес соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, расположенный на общем валу ветроколес блок управления углом между ветроколесами с электродвигателем и с системой передачи "винт - гайка", ступица второго ветроколеса и общий вал выполнены с возможностью взаимного вращения и снабжены жестко закрепленными на них стойками, соединенные между собой электродвигателем с системой передачи "винт - гайка", при этом статор электродвигателя подсоединен шарнирно к одной из стоек, ротор электродвигателя выполнен полым в виде гайки системы передачи "винт - гайка", винт которой шарнирно соединен со второй стойкой.

Предлагаемое устройство схематично представлено на рисунках.

На Фиг. 1 представлена общая схема ветроэнергетической установки с двумя ветроколесами.

На Фиг. 2 представлены стойки с электродвигателем и с системой передачи "винт - гайка" в разрезе (разрез по А-А).

Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами 1 и 2, содержащая лопасти ветроколес, ступицы 3 и 4 и общий вал 5 ветроколес, электрогенератор 6, энергосистему 7, при этом общий вал 5 ветроколес соединен с валом электрогенератора 6, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме 7, расположенный на общем валу ветроколес блок 8 управления углом между ветроколесами с электродвигателем 9 и с системой передачи "винт - гайка", ступица 4 второго ветроколеса и общий вал 5 выполнены с возможностью взаимного вращения и снабжены жестко закрепленными на них стойками 10 и 11, соединенные между собой электродвигателем 9 с системой передачи "винт - гайка", при этом статор 12 электродвигателя 9 подсоединен шарнирно к одной из стоек 10 или 11, ротор 13 электродвигателя выполнен полым в виде гайки системы передачи "винт - гайка", винт 14 которой шарнирно соединен со второй стойкой. (1. Машиностроение. Энциклопедия. / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. 2. Детали машин. Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. T.IV-1 / Д.Н. Решетов, А.П. Гусенков и др. Под общ. ред. Д.Н. Решетова. 864 с: ил.). На Фиг. 2 приведен разрез электродвигателя 9 со статорной обмоткой 15 и подшипниковым узлом 16 для вращения ротора-гайки 13 относительно статора 12. Согласно Фиг. 1, ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами 1 и 2 также содержит подшипниковый узел 17 для синхронного вращения ступицы 4 и общего вала 5 относительно неподвижного остова 18. Кроме того вход блока 8 управления углом между ветроколесами соединен с выходом датчика 19 скорости ветра, выполненного, например, в виде анемометра. Стойка 11 с одной стороны через шарнирное соединение 20 присоединена статору 12 электродвигателя 9, а с другой стороны жестко присоединена к ступице 4. Стойка 10 с одной стороны через шарнирное соединение 21 присоединена к винту 14 системы передачи "винт - гайка", а с другой стороны жестко присоединена к общему валу 5. Устройство работает следующим образом.

Под действием потока ветра ветроколеса 1 и 2 ветроэнергетической установки вращаются синхронно в одну и ту же сторону и через общий вал 5 приводят во вращение электрогенератор 6, электроэнергия которого передается в энергосистему 7. Блок 8 управления по сигналу датчика 19 скорости ветра формирует управляющий сигал, например, пропорциональный скорости ветра, который поступает на управляющий вход полупроводникового преобразователя частоты (на рисунках не приводится), выход которого соединен со статорной обмоткой 15, и тем самым приводит во вращение ротор 13 электродвигателя 9, выполненный в виде гайки системы передачи "винт - гайка", преобразующей вращательное движение гайки 13 в поступательное движение винта 14.

Взаимное перемещение винта 14 винтовой передачи, соединенный через шарнирное соединение 21 и стойку 10, в свою очередь соединенную через общий вал 5 с ветроколесом 1, и ротора-гайки 13 через статор 12 электродвигателя, свое шарнирное соединение 20 и стойку 11, соединенную через ступицу 4 с ветроколесом 2, вызывает поворот ветроколеса 2 относительно ветроколеса 1.

Например, если ветроколесо 1 и ветроколесо 2 выполнены трехлопастными, то при номинальной скорости ветра (или номинальной мощности ВЭУ) при нулевом угле между ветроколесами лопасти ветроколеса 2 находятся "в тени" лопастей ветроколеса 1. При этом угол между стойками 10 и 11 минимальный. Со снижением скорости ветра меньше номинального значения угол между стойками 10 и 11 увеличивается при одновременном увеличении угла между ветроколесами 1 и 2 до максимального значения в 60°. При этом угол между стойками 10 и 11 также максимальный.

Таким образом, в предлагаемой ветроэнергетической установке с двумя ветроколесами переход из режима работы с нулевым углом между ветроколесами при скоростях ветра, больших номинального значения, в режим работы с максимальным углом позволяет для одномеговаттной ВЭУ увеличить выработку энергии почти на 20%, что говорит о существенном повышении эффективности ветроэнергетической установки при одновременном упрощении устройства путем исключения шлицевых передач.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при управлении ветроэнергетической установкой (ВЭУ) с двумя ветроколесами. Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами содержит лопасти ветроколес, ступицы и общий вал ветроколес, электрогенератор, энергосистему. Общий вал ветроколес соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме. Расположенный на общем валу ветроколес блок управления углом между ветроколесами с электродвигателем и с системой передачи "винт - гайка", ступица второго ветроколеса и общий вал выполнены с возможностью взаимного вращения и снабжены жестко закрепленными на них стойками, соединенными между собой электродвигателем с системой передачи "винт - гайка". Статор электродвигателя подсоединен шарнирно к одной из стоек, ротор электродвигателя выполнен полым в виде гайки системы передачи "винт - гайка", винт которой шарнирно соединен со второй стойкой. Изобретение обеспечит эффективность использования установленной мощности ВЭУ и, соответственно, увеличение выработки электроэнергии путем повышения использования энергии ветра со снижением его скорости при одновременном упрощении устройства путем исключения шлицевых передач. 2 ил.

Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами, содержащая лопасти ветроколес, ступицы и общий вал ветроколес, электрогенератор, энергосистему, при этом общий вал ветроколес соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, расположенный на общем валу ветроколес блок управления углом между ветроколесами с электродвигателем и с системой передачи "винт - гайка", отличающаяся тем, что ступица второго ветроколеса и общий вал выполнены с возможностью взаимного вращения и снабжены жестко закрепленными на них стойками, соединенными между собой электродвигателем с системой передачи "винт - гайка", при этом статор электродвигателя подсоединен шарнирно к одной из стоек, ротор электродвигателя выполнен полым в виде гайки системы передачи "винт - гайка", винт которой шарнирно соединен со второй стойкой.