СБАЛАНСИРОВАННАЯ ВЕТРОУСТАНОВКА С КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ЛОПАСТЯМИ
BALANCED WIND TURBINE UNIT WITH OSCILLATING VERTICAL BLADES

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано при разработке новых типов ветроустановок разной мощности, работающих в свободных воздушных потоках.
Известен наиболее близкий аналог (прототип) - ветро- и гидроустановка с колеблющимися вертикальными лопастями (1), однако она способна обеспечивать балансировку опрокидывающих сил только в водных потоках за счет большой подъемной силы герметизированных пустотелых лопастей, при этом в наземном исполнении не предусмотрена ее противоаварийная остановка с одновременным разворотом лопастей по воздушному потоку.
Технической задачей изобретения является создание компактных, сбалансированных по опрокидывающим усилиям, бесшумных и безопасных ветроустановок с расширенными возможностями, позволяющими дополнительно устанавливать их на крышах зданий, а в судовом исполнении - на палубах несамоходных плавсредств.
Поставленная цель достигается тем, что содержащиеся в ветроустановке узел крепления консоли с лопастями и соосные с ним многополюсный генератор с мультипликатором смещены относительно дополнительного неподвижного несущего корпуса в сторону набегающего воздушного потока и размещены с помощью промежуточного кронштейна на верхней площадке наклонной поворотной рамы, жестко связанной в нижней части с установленным на подшипниках в несущем корпусе центральным вертикальным валом, который заторможен червячным редуктором, соединенным через пару конических шестерен с валом реверсивного электродвигателя постоянного тока, электрически связанного с флюгерным узлом самоориентации лопастей на ветер, размещенным в верхней части центрального вала.
В кожухе поворотной консоли возле оси основной лопасти дополнительно закреплены стопорная вилка и соленоид, электрически соединенный с противоаварийным флажковым замыкателем его цепи питания, размещенным на верхнем конце оси крепления поворотной консоли. Экстренная остановка консоли с лопастями в любом диапазоне скоростей ветра осуществляется с помощью внешнего дистанционного замыкателя цепи питания соленоида.
В отсутствие питающего напряжения остановка консоли с лопастями производится вручную - с помощью соединенного со стопорной вилкой тонкого протяженного троса, соединенного внизу наклонной рамы с натяжным поворотным рычагом.
Для бесперебойного потребления вырабатываемой электроэнергии установка снабжена техническими средствами (электрохимического и кислородно-водородного) преобразования и аккумулирования ее избыточной части в ночное время и в периоды сильных ветров, а в судовом исполнении - также при стоянке на якоре и использовании ее в качестве мобильной автономной плавучей электростанции для электроснабжения береговых не электрифицированных населенных пунктов и других удаленных от энергоресурсов объектов. Размещение на палубе несамоходного плавсредства (предпочтительней наиболее остойчивого катамарана с двумя установками), обеспечивает ему возможность плавания в течение неограниченного времени без потребления углеводородного топлива и без парусной оснастки.
Из патентной и научно-технической информации автору не известны источники, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих сходные признаки с заявляемым решением.
Изобретение поясняется схематическими изображениями, где:
Фиг.1 - вид сбоку на установку с развернутыми по воздушному потоку лопастями.
Фиг.2 - вид сверху на установку с рабочим положением лопастей (верхняя площадка наклонной поворотной рамы и промежуточный кронштейн не показаны).
Фиг.3 - вид сбоку на расположение основных энергетических узлов внутри неподвижного несущего корпуса.
Фиг.4 - вид сбоку на размещение внутри кожуха поворотной консоли стопорной вилки, соленоида и скобы с тросом (а) и вид сверху на стопорную вилку (в).
Фиг.5 - электрическая схема установки (П.У. - подвижные узлы, обведенные пунктирной линией).
/
Установка содержит поворотную консоль 1 с размещенными на ее кожухе 2 основной 3 и вспомогательной 4 лопастями, закрепленную посредством узла 1 на вертикальной оси 5 и удерживаемую в горизонтальном положении тросовой растяжкой 6 с натяжным талрепом 7, а ось 5 связана через мультипликатор 8 с многополюсным генератором 9, которые в предлагаемом конструктивном решении смещены в сторону набегающего воздушного потока.
/
Установка дополнительно снабжена размещенной на оси 5 подшипниковой втулкой 10 с закрепленным на ней промежуточным кронштейном 11, основание которого соединено болтами 12 с верхней горизонтальной площадкой наклонной несущей рамы 13 с установленными на ней двумя щеками 14, имеющими горизонтальные прорези для крепления к ним многополюсного генератора 9 с мультипликатором 8. Рама 13 в нижней части жестко связана с полым вертикальным центральным валом 15, на верхнем конце которого размещен флюгер 16 с контактной группой переключателей 17 и внутренним жгутом 17, а нижней частью вал 15 размещен на упорных подшипниках 18 и 19 в неподвижном несущем корпусе 20, удерживаемом опорными кронштейнами 21. Внутри корпуса 20 на валу 15 посажено тормозящее его червячное колесо 22, сочлененное через горизонтальный червячный вал 23 и пару конических шестерен 24 с валом реверсивного электродвигателя постоянного тока 25, электрически связанного с флюгерными переключателями 17.
Внутри корпуса 20 также размещены трехфазный силовой выпрямитель 26, стабилизатор напряжения 27 для внутренней подзарядки буферного аккумулятора 28, силовой коллекторный токосъемник 29 и распределительный слаботочный коллекторный токосъемник 30. На верхнем конце оси 5 размещен (наклоняемый избыточным воздушным потоком) противоаварийный флажок 36 с кнопочным замыкателем 37 цепи питания соленоида 38, шток которого посредством пружинящей пластины 39 соединен со стопорной вилкой 40, удерживаемой кронштейном 41 и соединенной посредством возвратной пружины 42 с кронштейном 43. На конце штока соленоида 38 закреплена подвижная скоба 44, соединенная через направляющую втулку 45 с тонким протяженным тросом 46, выведенным наружу из консоли 1 и соединенным с поворотным натяжным рычагом 47, закрепленным в нижней части несущей рамы 13.
Установка работает следующим образом.
Собранная на месте эксплуатации установка размещается на ровной площадке (мачте, возвышенности, крыше здания, палубе несамоходного судна и т.п.). Сдвоенные секции лопастей 3 и 4 являются легкосъемными, поэтому они могут быть закреплены в последнюю очередь на неподвижном кожухе 2 консоли 1. При фиксации промежуточного кронштейна 11 болтами 12 на верхней горизонтальной площадке наклонной несущей рамы 13 более предпочтительным является смещением его в сторону набегающего потока ветра для дополнительной компенсации динамического опрокидывающего воздействия, создаваемого преимущественно работающими лопастями.
Флюгерная система осуществляет самоориентацию лопастей на ветер и отслеживает изменение его направления в пределах 360° следующим образом.
p
0
При изменении направления набегающего потока на угол ±α, превышающий угол свободного люфтового поворота α флюгера 16, замыкается левая или правая контактная группа сдвоенных переключателей 17 (например, типа П2Т-5), а включенный ими реверсивный электродвигатель 25 через пару конических шестерен 24 и червячную пару 23,22 повернет в том же направлении и на тот же угол центральный вал 15, при этом плоскость флюгера 16 будет снова ориентирована по воздушному потоку, а разомкнувшиеся переключатели 17 самопроизвольно возвратятся в нейтральное среднее положение (фиг.5) и отключат реверсивный электродвигатель 25.
/
/
В диапазоне избыточных скоростей ветра, например - более 30 м/с, заранее откалиброванный противоаварийный флажок 36 наклоняется вниз и замыкает контакты 37, при этом втягиваемый в катушку соленоида 38 шток (фиг.4a) с помощью пружинящей пластины 39 прижимает вилку 40 одновременно к двум рычагам 48 и 48 поперечного коромысла, посаженного в центре оси основной сдвоенной лопасти 3 и при нахождении ее в крайних правом II или в левом III положениях (фиг.2), т.е. в процессе разворота ее воздушным потоком для начала возвратно-поступательного движения в обратном направлении, в момент совпадения плоскости с осью консоли 1 пазы 49 вилки 40 сомкнутся с рычагами 48 и 48 и застопорят ось лопасти 3, а также связанную с ней ось вспомогательной лопасти 4. При этом обе лопасти, находящиеся уже во флюгерном режиме, повернутся под напором ветра в положение I и в течение всего буревого (или штормового) времени будут удерживаться развернутыми по воздушному потоку, в том числе при изменении его направления. После ослабления ветра до рабочих значений, например - ниже 30 м/с, флажок 36 поднимается вверх, ослабленный шток соленоида с помощью пружинящей пластины 39 и возвратной пружины 42 возвращается в исходное положение, вилка 40 - в верхнее разомкнутое (фиг.4a), а лопасти - в рабочее (фиг.2). Нахождение консоли с лопастями в крайних положениях не оказывает существенного влияния на общую балансировку установки.
/
Перед выполнением плановых профилактических или ремонтных работ с отключенным питающим напряжением производится ручное стопорение вилкой 40 оси основной лопасти 3 с помощью дополнительно посаженной на конце штока скобы 44 и связанного с ней посредством тонкого протяженного троса 46 поворотного натяжного рычага 47 путем поворота его в нижнее положение. После завершения работ рычаг 47 обязательно переводится в верхнее положение, при этом вилка 40 размыкается с рычагами 48 и 48, а лопасти самопроизвольно возвращаются в рабочее положение.
В судовом исполнении, особенно при использовании установки в качестве автономной электростанции, она дополнительно снабжается техническими средствами электрохимического, кислородно-водородного или другого аккумулирования вырабатываемой избыточной электроэнергии для бесперебойного снабжения ей внешних и внутренних потребителей.
Источник информации
1. Патент РФ №2484298 (фиг.1 и 5), МКИ F03D, 5/06, F03B, 13/26, 2012 г.