Ветроэнергетическая установка Российский патент 2024 года по МПК F03D7/04 F03D9/00 F03D13/20 

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть применено для выработки электроэнергии в условиях пульсаций скорости ветра.

На сегодняшний день практическим интересом обладает создание пропеллерных ветроэнергетических установок (ВЭУ) с горизонтальным направлением оси генератора малых и средних мощностей, работающих в скоростном диапазоне ветра от легкого (1,6-3,3 м/с) до сильного (10,8-13,8 м/с). При этом не стоит забывать, что скорость воздушных потоков хаотична и кратковременно может доходить до значений выше 20 м/с. Для стабильной работы таким ВЭУ необходима система защиты от урагана и активной самоориентацией (путем взаимодействия элементов ветроустановки с ветровым потоком).

Наиболее распространенными устройствами для ориентации горизонтально-осевых ВЭУ малой и средней мощности применяют хвостовик или флюгер. Основным требованием к таким устройствам является постоянство положения гондолы в потоке воздуха, т.е. ориентация должна быть сохранена в случае кратковременного изменения ветра и изменятся лишь при долговременной перемене направления.

Известен способ защиты ветроэнергетической установки с механизмом ветрозащиты лопастей (Патент РФ №2416738 С1, МПК: F03D 3/00, опубл. 20.04.2011), путем поворота лопастей параллельно направлению ветра с помощью кинематического узла, установленного на конце траверсы, направление оси вращения которого параллельно оси вращения ротора вертикальной ветроэнергоустановки. Фиксация полулопастей осуществляется двумя блоками магнитов, один из которых установлен на основании полулопасти, а другой закреплен на кронштейне корпусного элемента. В случае превышения безопасной силы ветра, полулопасти переходят в состояние свободного вокруг собственной оси.

Недостатком данного способа является наличие большого числа подвижных узлов подверженных износу требующих частый уход и замену деталей, следствием чего является высокая стоимость реализации и длительное время обслуживания приводящее к неработоспособности ВЭУ.

Известен способ защиты ветроэнергетической установки (Патент РФ №2358152 C1, МПК F03D 11/00, опубл. 10.06.2009), путем перемещения наклонной каретки, соединенной с системой лебедок ответственных за перемещение и торможение, на которой установлена вертикальная несущая стойка со статорными, роторными и хвостовыми элементами, перемещаемая по направляющим мачты выполненной в виде двух наклонных стоек и поворотного основания.

Недостатком данного способа является громоздкость конструкции и большая занимаемая площадь в сравнении со стандартными горизонтально и вертикально осевыми ВЭУ и крайне медленный переход из рабочего в зафиксированное положение.

Известен способ торможения ветроэнергоустановки выполненной в виде горизонтальной поворотной платформы (Патент РФ №2336433 С1, МПК: F03D 7/04, опубл. 20.10.2008), с установленными на ней электрогенератором и ветротурбиной, и механической передачей от вала турбины к валу генератора, снабженная электромагнитным устройством и электрохимическим накопителем, фиксирующие вращение ветротурбины и электрогенератора при увеличении скорости ветра выше установленного значения.

Недостатком данного способа является эффективность лишь при низком пороговом значении скорости ветра ввиду больших ударных воздействий на элементы электромагнитного устройства, в частности на «пальцы» тормоза.

Известен способ защиты ветроэнергетической установки (Патент РФ №2745840 С1, МПК: F03D 1/00, опубл. 01.04.2021) путем снабжения гондолы с электроагрегатом, опорной башней и поворотным основанием, с возможностью ориентации на воздушные потоки за счет двухкилевого хвостовика, с оперением из двух лопаете, расположенных относительно друг друга под углом 90 градусов, одна из которых неподвижна, а другая, благодаря амортизатору, обладает возможностью плавного движения после срабатывания порогового устройства после повышения скорости ветра до штормовых значений.

Недостатком данного способа является необходимость осуществлять поворот ВЭУ от направления штормового ветра с помощью хвоста, что при определенных условиях эксплуатации, является нежелательным. Например, в условиях воздействия абразивом в порывах ветра, песчаных или снежных бурь, когда хвостовое оперение подвергается эрозии и источению.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и взятому за прототип является «Ветроэлектрогенератор» (Патент РФ №2787626 С2, МПК: F03D 13/20, опубл. 11.01.2023), представляющий собой башню в виде пластин, параллелограмной формы, установленную на цилиндрическом основании с конусной верхней частью, при этом на верхней части пластин закреплен ступичный узел с первым шкивом, соединенном ремнем со вторым шкивом, расположенном на валу подшипникового узла генератора в нижней части пластины.

Недостатком данной конструкции является низкая защищенность основных узлов конструкции от влияния окружающей среды, по этой причине будет требоваться регулярный ремонт и обслуживание для их поддержания в рабочем состоянии.

Техническим недостатком данной конструкции является сложность и высокая материалоемкость в выбранном способе защиты от урагана. Делая каждую лопасть пропеллера ориентируемой и подвижной, конструкция должна предусматривать подвод смазки, к подшипникам и движущимся узлам этих механизмов, защита их от влаги, пыли, холода и прочих агрессивных воздействий окружающей среды, что технически сложно для генераторов небольшой мощности, когда стоимость ВЭУ должна быть минимальна и применение дополнительных, сложных механизмов, ее излишне увеличивает.

Техническим результатом от использования предполагаемого изобретения является возможность реализации функции увода ВЭУ от направления потока ветра, при отсутствии аэродинамического, ориентирующего по ветру устройства в составе конструкции, повышение срока службы ветрогенераторов, что позволяет гораздо реже производить их обслуживание, а значит удешевляет послепродажное обслуживание и эксплуатацию ВЭУ, а также позволяет применять ВЭУ при таких погодных условиях, когда количество аэродинамических элементов в конструкции, желательно свести к минимальному.

Технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей основание, поворотную ступицу, опорную раму с подвешенным на поворотном валу лопастном ветрогенераторе, снабженную регулируемым пороговым механизмом, выполненном виде опорного ролика с пружиной, установленного на опорной раме и ограничительным диском, установленном на поворотном валу и сглаживающим амортизатором, находящимся с противоположной стороны относительно порогового механизма. Благодаря этому, при превышении ветра выше безопасного значения, ВЭУ начинает плавный, за счет амортизатора, переход в «вертолетное» положение, вследствие чего нагрузка на основные элементы формируемая силой воздушного потока снижается и ВЭУ дольше остается в работоспособном состоянии. После окончания шторма, ВЭУ за счет веса ветрогенератора плавно переходит в штатное положение, без дополнительного воздействия человека.

В тех случаях, когда воздушный поток выступает в виде краткосрочных, переменных порывов, не несущих опасность конструкции, но достаточных для вывода из горизонтального положения оси генератора, сглаживающий амортизатор сгладит воздействие ветра, не давая установке полностью отклониться от начального положения, сохраняя ее в состоянии наибольшей генерации электрического тока.

Применение данной системы позволит значительно увеличить срок службы ВЭУ и увеличить диапазон скоростей ветра, при которых установка будет находиться в работоспособном состоянии, не смотря на срабатывание защиты от урагана.

Новизной данного предлагаемого изобретения является применение регулируемого порогового механизма, выполненном виде опорного ролика с пружиной, установленного на опорной раме и ограничительным диском, установленном на поворотном валу и сглаживающим амортизатором.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где схематично показан общий вид ветроэлектроустановки и принцип ее работы: На фиг.1 изображен вид сзади, на фиг.2 изображен вид сбоку, на фиг.3 изображен процесс перехода ВЭУ в «вертолетное» положение.

На поворотную ступицу 1 устанавливается основание 2 с закрепленной на ней опорной рамой 3. В верхней части опорной рамы 3 с помощью подшипников устанавливается поворотный вал 4, под которым в подвешенном состоянии располагается генератор 5. На валу генератора 6 монтируется ступица 7 с лопастями 8. На раме 3 и валу 6 фиксируется регулируемый пороговый механизм 9 с одной стороны, а с другой устанавливается сглаживающий амортизатор 10.

Работа ВЭУ при направлении ветра слева направо представлена на фиг.3. Реализация буревой защиты осуществляется за счет изменения угла атаки воздушного потока на лопасти 8 электрогенератора 5.

Достоинством данной ветроэнергетической установки является содержание меньшего числа деталей в конструкции механизма защиты от урагана, при сохранении своего функционала, что снижает издержки при производстве ВЭУ, снижает стоимость и увеличивает надежность конструкции, наработку ее узлов на отказ. Способ технической реализации позволяет использовать такой механизм защиты от урагана на ветряках как с небольшой мощностью генерации тока (500 Вт), так и на большей мощности - 10 кВт и более. Наличие амортизатора в системе демпфирования изменения положения ВЭУ, позволяет переводить его в «вертолетное» положение, защиты от урагана, плавно, медленно, избегая рывков, при которых на все узлы ВЭУ могут действовать разрушающие гироскопические эффекты. Это особенно актуально для крупных ВЭУ, у которых ротор ветроколеса может достигать 6 и более метров в диаметре и при переориентации оси вращения ветряка, возникают значительные гироскопические нагрузки, которые воздействуют на подшипники, в узлах и агрегатах установки, на лопасти и мачту крепления ветряка.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть применено для выработки электроэнергии в условиях пульсаций скорости ветра. Ветроэнергетическая установка, содержащая основание, поворотную ступицу, опорную раму, генератор и ветроколесо с горизонтальной осью; опорная рама, с подвешенным на поворотном валу лопастным ветрогенератором, снабжена регулируемым пороговым механизмом, выполненным в виде опорного ролика с пружиной, установленного на опорной раме, и ограничительным диском, установленным на поворотном валу, и сглаживающим амортизатором, находящимся с противоположной стороны относительно порогового механизма. Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является повышение срока службы ветрогенераторов, что позволяет гораздо реже производить их обслуживание. 3 ил.

Ветроэнергетическая установка, содержащая основание, поворотную ступицу, опорную раму, генератор и ветроколесо с горизонтальной осью, отличающаяся тем, что опорная рама, с подвешенным на поворотном валу лопастным ветрогенератором, снабжена регулируемым пороговым механизмом, выполненным в виде опорного ролика с пружиной, установленного на опорной раме, и ограничительным диском, установленным на поворотном валу, и сглаживающим амортизатором, находящимся с противоположной стороны относительно порогового механизма.