ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2025 года по МПК F03D3/02 

Основными проблемами, связанными с мощными крупногабаритными ВЭУ, являются их стоимость и шумовое загрязнение. В настоящее время производители ищут повышения экономической эффективности в основном за счет увеличения размера лопастей ВЭУ.

Известно Ветрогенерирующее устройство (см. Патент RU №2778960 C1, F03D 3/06), которое принимаем в качестве аналога. Ветрогенерирующее устройство состоит из симметричных аэродинамических крыльев, закрепленных на осях, проходящих через средние точки хорд крыльев. Установлены два комплекта по N симметричных аэродинамических крыльев с закрылками в кассетах. Концы крыльев и закрылков в каждой кассете объединены соединительными планками, что обеспечивает существенное снижение вибрации крыльев и повышает экологические характеристики Ветрогенерирующего устройства. Техническим результатом является обеспечение оптимального управления углом атаки крыльев, повышение надежности конструкции. Мощность Ветрогенерирующего устройства зависит от размеров аэродинамических крыльев, их количества N в каждой кассете и расстояния между крыльями, которые задаются скоростью движения кассет при регулируемой нагрузке (т.е. фактически определяется также "ометаемой" площадью кассет). Нет принципиальных ограничений ни на число крыльев в кассете, ни на величину кассет, ни на величину крыльев (т.е. на "ометаемую" площадь). Для конструкции Ветрогенерирующего устройства отсутствует проблема опрокидывания при большой "ометаемой" площади. Недостатком рассмотренного Ветрогенерирующего устройства является:

1. Значительная сложность наладки и эксплуатации управления крыльями с закрылками.

2. Применение в качестве трансмиссии для Ветрогенерирующего устройства кривошипно-шатунного механизма. При этом снижается его к.п.д. и надежность, усложняется эксплуатация и увеличивается стоимость.

Известен РОТОР ВЕТРЯНОЙ УСТАНОВКИ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ (см. патент RU №2347104 С2 F03D 3/06) по Фиг. 1, который принимаем в качестве прототипа. Он содержит ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и располагаемую в центре вращения ступицу, от которой радиально отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, к их концам прикреплено силовое кольцо, к которому смонтированы указанные лопасти. Применение его обеспечивает повышение коэффициента использования энергии ВП до 37%, возможность самораскрутки и ограничение скорости вращения при сильном ВП, а также снижение шума. Конструкция Ротора и его отдельных деталей очень перспективна, а рекомендации по расположению и соотношению размеров отдельных деталей полезны для применения на аналогичных ВЭУ. Длина лопастей составляет не менее 60% от диаметра ротора, ширина лопастей составляет от 10 до 17% диаметра ротора, Лопасти выполнены с симметричным аэродинамическим профилем с расположением максимальной толщины на 23-37% длины хорды профиля, считая от его носка, и с утолщенной хвостовой частью. При этом лопасти верхнего яруса установлены со смещением относительно лопастей нижнего яруса на половину углового расстояния между лопастями в ярусе. Такая компоновка повышает возможность самораскрутки ротора. Недостатки Ротор: 1 - увеличение мощности Ротора… (его "ометаемой" площади) приводит к увеличению его мачты и опрокидывающего момента - ограничивая надежность конструкции и область его применения. 2 - применение мощного генератора с вертикальным валом усложняет конструкцию.

Разработана "Ветроэнергетическая установка" - (ВУ). Традиционные роторы [1, 2] имеют вертикальный вал и вертикальные лопасти. Основное достоинство такого типа ветроустановок - работа при любом направлении ВП, но принципиально их работа обеспечивается при обязательном расположении вала ротора и лопастей в плоскости перпендикулярной вектору ВП. При горизонтальном положении вала и лопастей такой ветроустановки для размещения их в этой плоскости, необходим дополнительный механизм для ее ориентации. Но расположение 2N (при N>2) таких роторов с валами параллельными земле и соединенными, например, соединительными муфтами позволяет в 2N раз увеличить "ометаемую" площадь такой ветроустановки и мощность. При этом ликвидируется проблема опрокидывающего момента при увеличении мощности в традиционных конструкциях ВЭУГВ, отпадает необходимость применения максимально допустимых по величине и прочности лопастей. В ВУ по Фиг. 2, 3 реализована такая конструкция. Внутри гондолы - 1 установлены одинаковые генераторы - 2, 3. Ротора - 7 установлены горизонтально в обоих комплектах роторов - 6, 9 через соединительные муфты - 4 и одинаковые ускоряющие редукторы - 5, внутри гондолы - 1. Они подсоединяются к валам генераторов - 2, 3 также через аналогичные соединительные муфты - 4. Валы - 10 крайних роторов обоих комплектов - 6, 9 через подшипники - 11 опираются на транспортные стойки - 12 с колесами и электроприводами - 13. Стойки - 12 установлены на рельсовом круге - 14, причем в центре рельсового круга - 14 установлена башня - 15, на верху которой закреплена гондола - 1 с подшипником рыскания - 16. Наверху гондолы - 1 установлен блок управления электроприводами колес - 13 с датчиками направления и скорости ВП - 17. Для повышения момента трогания ВУ и равномерности движения лопасти каждого ротора в обоих комплектах роторов сдвинуты относительно лопастей соседних роторов на угол - π/N.

Работа ВУ. Конструкция всех роторов ВУ реализуется, например, с учетом соотношений на размеры и расположение отдельных деталей и узлов, полученных в прототипе (РОТОРЕ ВЕТРЯНОЙ УСТАНОВКИ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ) или известной меговатной ветротурбине (https://3dnews.ru/1074071/vetroenergetika-uydyot-ot-beregov-v-more-pervuyu-vertikalno-orientirovannuyu-vetryanuyu-turbinu-moshchnostyu-1-mvt-razvernut-u-beregov-norvegii). Одинаковые редукторы - 5 обоих комплектов роторов обеспечивают практически одинаковую скорость оборотов генераторов - 2, 3 обоих комплектов, что в перспективе упрощает оптимизацию углов атаки лопастей всех роторов ВУ [1]. Рабочий режим ВУ начинается после ориентации ее валов в положение перпендикулярное вектору ВП. Ориентация ее осуществляется по командам с блока управления ВУ - 17 на колеса с электроприводами - 13. Происходит разворот всей конструкции РУ перпендикулярно вектору ВП. Затем начинается вращение комплектов - 6, 9 по N роторов - 7 в каждом, валы которых соединены между собой муфтами - 4. Вращение обоих комплектов роторов через соединительные муфты - 4 и одинаковые ускоряющие редукторы - 5 передается непосредственно на валы генераторов - 2, 3.

Цель изобретения - существенное повышение максимально возможной единичной мощности ВЭУ. Каждый ротор в составе ВУ имеет определенную "ометаемую" площадь Sм², а общая "ометаемая" площадь обоих комплектов роторов равна 2NS м². Наличие двух одинаковых комплектов в ВУ позволяет производить контроль, профилактику и ремонт каждого из комплектов роторов и генератора при рабочем режиме другого. Для современных ВЭУВВ среднее значение мощности на 1 м² "ометаемой" площади принимаем - 0,35 кВт/м². Зная мощность каждого ротора ВЭУВВ, определяем их требуемое количество для заданной, проектной мощности конкретной ВУ.

Литература:

1. Ю.Б. Соколовский, В.М. Роткин, Л.Г. Лимонов, В.М. Зырянов. АКТУАЛЬНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА ГЕНЕРАЦИЯ И НАКОПЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ. НГТУ-НЭТИ, Новосибирск, 2021 год, с. 210.

2. Роткин Владимир Михайлович, к.т.н., Соколовский Юлий Борисович, к.т.н., Ажмухамедов Искандар Маратович, д.т.н. РОТОР ДАРЬЕ И ОПТИМИЗИРОВАННЫЕ ВЕТРОТУРБИНЫ: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ. 111-121 с, №1-2020 "Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии". 182 с.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано как источник электрической энергии. Ветроэнергетическая установка содержит роторы с горизонтальными валами, объединенные в два комплекта по N>2 роторов. Валы соседних роторов соединены между собой соединительными муфтами, а их лопасти сдвинуты относительно лопастей соседних роторов на угол π/N. Валы крайних роторов обоих комплектов через подшипники опираются на транспортные стойки с колесами и электроприводами, установленными на рельсовом круге. В центре рельсового круга установлена башня, на верху которой закреплена гондола с подшипником рыскания, внутри нее установлены ускоряющие редукторы и генераторы, соединенные с горизонтальными валами роторов. На верху гондолы установлен блок управления электроприводами колес транспортных стоек с датчиками направления и скорости воздушного потока. Техническим результатом является повышение мощности ВЭУ при уменьшении опрокидывающего момента при увеличении мощности и отсутствии необходимости в повышении длины и прочности лопастей. 3 ил.

Ветроэнергетическая установка, содержащая роторы, вокруг вала которых вращаются аэродинамические лопасти, отличающаяся тем, что содержит роторы с горизонтальными валами, объединенные в два комплекта по N>2 роторов, в которых валы соседних роторов соединены между собой соединительными муфтами, а их лопасти сдвинуты относительно лопастей соседних роторов на угол π/N, валы крайних роторов обоих комплектов через подшипники опираются на транспортные стойки с колесами и электроприводами, установленными на рельсовом круге, причем в центре рельсового круга установлена башня, на верху которой закреплена гондола с подшипником рыскания, внутри нее установлены ускоряющие редукторы и генераторы, соединенные с горизонтальными валами роторов, а на верху гондолы установлен блок управления электроприводами колес транспортных стоек с датчиками направления и скорости воздушного потока.