Ветрогенератор Российский патент 2024 года по МПК F03D3/02 F03D9/25 

Наряду с победным шествием ветроэнергетических установок (ВЭУ) с горизонтальным валом (ВЭУГВ) в последние годы вновь пробудился интерес к более простым конструкции ВЭУ с вертикальным валом (ВВВ), обладающим несколькими неоспоримыми достоинствами. Они выгодно отличаются от традиционных ВЭУГВ по таким характеристикам, как эффективность, простота конструкции, надежность, удобство технического обслуживания и ремонта, а также отсутствием системы ориентации.

ВВВ «ГРЦ Вертикаль» [1] принимаем за аналог. Рассматриваемая конструкция ветрогенератора с вертикальным валом содержит ряд вращающихся вокруг вертикального вала вертикальных лопастей и располагаемую в центре вращения ступицу, от которой радиально отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, к которым с чередованием прикреплены указанные лопасти по направлению вверх, образуя верхний ярус ротора, и по направлению вниз, образуя нижний ярус. Для увеличения коэффициента использования энергии ВП лопасти имеют специально разработанные и тестированные симметричные профили с относительной толщиной 20% - 25% от длины хорды с расположением максимальной толщины на расстоянии 23% - 37% длины хорды, считая от носка профиля. Используются, в основном, профили с 35% удалением максимальной толщины от носка длины. Дальнейшее повышение эффективности ветрогенератора достигается установкой лопастей под углом от 2 до 5° к линии, перпендикулярной радиусу, проведенному из центра вращения в условный аэродинамический центр профиля лопасти. Существует еще одно расчетно-экспериментальное ограничение, состоящее в том, что длина хорды лопасти должна находиться в диапазоне от 0.1D до 0.17D (D - диаметр ветрогенератора), чтобы обеспечивать необходимый уровень коэффициента использования энергии ВП. Очень удачная и полезная промышленная реализация рассмотренной ВВВ - «ГРЦ Вертикаль» обеспечивает повышение коэффициента использования энергии ВП до 37%, возможность самозапуска ротора и ограничение частоты вращения при сильном ВП, снижение шума от работы установки, способность по прочности выдерживать ураганный ветер. Рекомендации по конструкции ветрогенераторов с вертикальным валом полученные в «ГРЦ Вертикаль» широко используются при разработке аналогичных ВВВ.

Недостатком «ГРЦ Вертикаль» является то, что увеличение ее мощности возможно только за счет масштабирования (увеличения) ее габаритов.

Общей характерной особенностью ВЭУ, работающих на основе возобновляемых источниках энергии, является то, что для организованного подвода и отвода ВП к рабочей ветротурбине и от нее используются различного типа дополнительные конструкции.

В качестве прототипа принимаем [2] по Фиг. 1. Н.С. Голубенко предложил принципиально новую конструкцию - вместо одного громоздкого низкооборотного генератора установить малогабаритные генераторы с маленькими ветротурбинами не где-нибудь, а непосредственно на лопастях несущего ветроколеса и обойтись без редуктора. Энергия ВП "ометаемой" площади несущего ветроколеса обеспечивает его вращение с большой скоростью, так как работает оно фактически без традиционной генераторной нагрузки, т.е. на холостом ходу (потери - это трение вала и сопротивление воздуха от ее лопастей). На рабочие ветротурбины, расположенные на лопастях несущего ветроколеса, кроме внешнего ВП действует ВП, создаваемый несущим ветроколесом, вращающимся с высокой скоростью. При этом скорость результирующего ВП, воздействующего на лопасти рабочих ветротурбин, в разы превосходит скорость внешнего ВП. Общеизвестно, что энергия ВП пропорциональна кубу его скорости. В связи с этим, несмотря на небольшую "ометаемую" площадь рабочих ветротурбин, они вращаются с высокой скоростью вместе с генератором, формируя на его выходе значительную электрическую мощность. Это позволило при высокой скорости оборотов генераторов уменьшить их вес и стоимость без применения редукторов.

В то же время конструкция ветрогенератора Н.С. Голубенко имеет ряд недостатков:

1. Ометаемая площадь рабочих ветротурбин на порядок меньше ометаемой площади несущего ветроколеса и конструкции ветрогенератора. Это занижает его результирующую энергоэффективность.

2. Прочность несущих лопастей несущего ветроколеса должна быть существенно завышена по сравнению с традиционными конструкциями (из-за закрепления на них 3-х генераторов с большим весом), что усложняет балансировку при наладке, приведет к завышению стоимости 1квт установленной мощности ветрогенератора.

3. Ожидаются трудности при решении задачи преобразования электрической энергии одновременно работающих нескольких генераторов: применение индивидуального преобразования требует применения трех устройств преобразования или применения последовательного соединения напряжений генераторов. Параллельное соединение генераторов требует дополнительных управляющих устройств для выравнивания напряжений генераторов, чтобы избежать возникновения уравнительных токов между ними.

Разработанный "Ветрогенератор" (ВГ) состоит из нескольких ВВВ-ветроколес и одного генераторного блока. При разработке конструкции ВГ решалась задача по увеличению мощности ВП, действующего на аэродинамические лопасти ветроколес. Конструкция ВГ позволяет существенно увеличить его "ометаемую" площадь (пропорционально диаметру рельсового кольца) по сравнению с "ометаемой" суммарной площадью нескольких отдельных ветроколес и получить на выходе генераторного блока большую мощность, чем на нескольких отдельных ВВВ, да еще с одним генератором (и без ускоряющего редуктора). На аэродинамические лопасти ветроколес действует результирующий ВП (внешний ВП, ВП по касательной от вращения аэродинамических лопастей вокруг своих валов и ВП по касательной от вращения аэродинамических лопастей вокруг главного вала), повышая их энергоэффективность. В состав ВГ входит рельсовое кольцо, вертикальный главный вал, подсоединенный через соединительную промежуточную муфту к валу генераторного блока. Причем ветроколеса выполнены с вертикальными валами, нижние оконечности которых подсоединены через соединительные муфты к входным валам конических редукторов. Выходные валы последних подсоединены к колесам, установленным на рельсовом кольце. Таким образом ветроколеса вращаются вокруг главного вала. Верхние оконечности валов этих ветроколес через подшипники жестко соединены с главным валом с помощью верхних силовых балок, а нижние силовые балки жестко соединяют главный вал с корпусами конических редукторов.

На Фиг. 2, 3 изображена конструкция ВГ. В конструкцию ВГ входят: 1 - валы ВВВ-ветроколес, 2 - аэродинамические лопасти, 3 - подшипники валов, 4 - главный вал, 5 - верхние и нижние силовые балки, жестко подсоединенные к главному валу - 4, а также к обоймам подшипников - 3 и к корпусам конических редукторов -7, 6 - соединительные муфты, 8 - колеса, 9 - рельсовое кольцо, 10 - генераторный блок, 11 - генераторное помещение.

Работа ВГ. Под воздействием внешнего ВП на аэродинамические лопасти ВВВ- 2, начинают вращаться все валы - 1 этих ветроколес. Вращение валов - 2 через соединительные муфты - 6 передается на входные и выходные валы конических редукторов - 7 и далее на колеса - 9. Конические редукторы - 7 через нижние силовые балки - 5 жестко подсоединены к главному валу ВГ - 4. Кроме того верхние оконечности валов - 1 ветроколес через подшипники - 3 жестко подсоединяют к главному валу - 4 с помощью силовых верхних балок - 5. Конструкция ВГ начинает вращаться на колесах - 8 вокруг главного вала ВГ - 4. Причем за счет силовых балок - 5 вращение передается главному валу - 4. Через соединительную муфту - 6 это вращение передается с главного вала - 4 на вал генераторного блока - 10.

Повышение энергоэффективности ВГ получено за счет увеличения "ометаемой" площади пропорционально диаметру рельсового кольца и некоторого усложнения его конструкции. Однако по сравнению с прототипом ВГ имеет приемлемые размеры при активном использовании своей "ометаемой" площади.

Существенными отличительными признаками предлагаемого технического решения от прототипа являются нижеследующие:

1. Ликвидация трех больших лопастей аэродинамического профиля, к тому же конструктивно удерживающих тяжелые генераторы.

2. Замена 3-х генераторов одним.

3. Существенное снижение стоимости одного квт установленной мощности за счет ликвидации трех больших и механически усиленных лопастей аэродинамического профиля, замены трех генераторов одним той же суммарной мощности.

4. Гораздо проще один генератор подключить к сети потребителя, чем одновременно работающие 3.

Конструкция ВГ позволяет существенно увеличить "ометаемую" площадь по сравнению с суммарной "ометаемой" площадью нескольких ВВВ и получить на выходе генераторного блока-11 большую мощность, чем на нескольких отдельных ВВВ да еще с одним генератором вместо 3-х.

Литература

1. Ротор ветряной установки с вертикальной осью / Ю.В. Грахов, В.П. Кривоспитский, В.Ф. Максимов, Е.В. Соломин, Р. Холстед, Г. Даглбакка // Патент РФ № 2347104, опубл. 20.02.2009 г.

2. Безредукторный ветрогенератор конструкции Н.С. Голубенко. agrostorv.com>energy/ukrainian...has...an-innovative...

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть источником электрической энергии. Установлено несколько ветроколес с вертикальными валами. Ветрогенератор включает рельсовое кольцо и вертикальный главный вал, подсоединенный через соединительную промежуточную муфту к валу генераторного блока. Нижние оконечности валов ветроколес подсоединены через соединительные муфты к входным валам конических редукторов. Выходные валы редукторов подсоединены к колесам, установленным на рельсовом кольце, таким образом, ветроколеса вращаются вокруг главного вала. Верхние оконечности валов ветроколес через подшипники жестко соединены с главным валом с помощью верхних силовых балок, нижние силовые балки жестко соединяют главный вал с корпусами конических редукторов. Техническим результатом является увеличение мощности и "ометаемой" площади ветрогенератора относительно суммарной "ометаемой" площади отдельных ВЭУ пропорционально диаметру рельсового кольца. 3 ил.

Ветрогенератор, содержащий более двух ветроколес, имеющих аэродинамические лопасти, отличающийся тем, что включает рельсовое кольцо, вертикальный главный вал, подсоединенный через соединительную промежуточную муфту к валу генераторного блока, причем ветроколеса выполнены с вертикальными валами, нижние оконечности которых подсоединенными через соединительные муфты к входным валам конических редукторов, выходные валы последних подсоединены к колесам, установленным на рельсовом кольце, таким образом, ветроколеса вращаются вокруг главного вала, а верхние оконечности валов ветроколес через подшипники жестко соединены с главным валом с помощью верхних силовых балок, нижние силовые балки жестко соединяют главный вал с корпусами конических редукторов.