АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-ТЕКТОНИЧЕСКИЙ ВЕТРЯК
AUTOMATED ARCHITECTURAL-TECTONIC WINDMILL

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно, к ветроэнергетическим генераторам с осью вращения ротора, не совпадающей с направлением ветра, и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую энергию.
Известен горизонтально-турбинный ветрогенератор (Патент РФ №2453727, F03D 3/00,2011 г.), содержащий опорную мачту, на вершине которой размещены неподвижный статор и ротор с вертикальной осью вращения, турбина с парусными элементами, отличающийся тем, что турбина представляет из себя горизонтальный диск с по меньшей мере двумя концентрическим рядами парусных элементов, установленных с равным шагом по одной концентрической окружности сверху, а по другой снизу несущей дисковой поверхности в виде трехгранных пирамид, основания которых вырезаны, а одна из граней является открытой, радиально направленной или коаксиальной радиусу турбины и образует с диском прямой или тупой угол, пирамидно-парусные элементы разных концентрических рядов имеют относительное равноугловое смещение.
Недостаток указанного устройства заключается в отсутствии возможности регулирования генерируемой ветрогенератором мощности.
Наиболее близким к заявляемому является «Ветродвигатель» (Патент РФ №85564, F03D 3/02,2008 г.), принятый за прототип, содержащий вертикальный вал, ротор с вертикальной осью вращения, экран, описывающий форму тела вращения ротора с вертикальной осью вращения, в форме полуцилиндра, высота которого больше или равна высоте ротора с вертикальной осью вращения, а внутренний радиус экрана больше радиуса ротора с вертикальной осью вращения.
Недостатком данного технического решения является невозможность автоматической стабилизации и регулирования развиваемой мощности, а также низкая надежность ввиду отсутствия защиты от сверхнормативных по скорости ветров.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении надежности и точности регулирования развиваемой мощности.
Технический результат достигается тем, что автоматизированный архитектурно-тектонический ветряк, содержащий вертикальный вал, ротор с вертикальной осью вращения и экран в виде полуцилиндрической поверхности, высота которого больше или равна высоте ротора, а внутренний радиус экрана больше радиуса ротора, содержит архитектурное сооружение, на крыше которого установлена шатровая конструкция, основание которой выполнено в форме перевернутого полого усеченного конуса, закрепленная неподвижно на вертикальном валу, установленном неподвижно в архитектурном сооружении, и на цилиндрических опорных колоннах, равномерно размещенных на крыше по окружности относительно вертикального вала, диаметр которой больше диаметра ротора, а одна из цилиндрических опорных колонн выполнена в виде приводного вала, установлена с возможностью вращения в опорных подшипниках и снабжена механизмом передачи движения экрану через гибкие приводные механизмы, на которых неподвижно закреплен экран, причем остальные цилиндрические опорные колонны снабжены узлами поддержки гибких приводных механизмов экрана, при этом ротор установлен на вертикальном валу в подшипниковом узле вращения и отбора мощности, а также систему управления, включающую измеритель скорости и направления ветра, блок управления, задающий блок, генерирующий блок, измеритель мощности, потребителя энергии, привод экрана, измеритель положения экрана и позиционные датчики положения экрана, при этом подшипниковый узел вращения и отбора мощности ротора связан через соединенные последовательно генерирующий блок, второй выход которого подсоединен к входу потребителя энергии, и измеритель мощности с первым входом блока управления, ко второму входу которого подключен выход задающего блока, к третьему входу блока управления подсоединен выход измерителя скорости и направления ветра, к четвертому входу блока управления подключен выход измерителя положения экрана, а выход блока управления через привод экрана, соединенного вторым выходом с приводным валом, связан с первым входом измерителя положения экрана, ко второму входу которого подсоединены объединенные выходы позиционных датчиков положения экрана.
Блок управления может быть выполнен релейным.
Шатровая конструкция оснащена системой вант, связывающих вертикальный вал с основанием шатровой конструкции.
Ротор с вертикальной осью вращения может содержать снаружи по периметру полую камеру в форме кольца произвольного сечения с размещенным внутри нее балансировочным материалом
На фиг.1 приведен чертеж общего вида, а на фиг.2 - блок-схема предлагаемого автоматизированного архитектурно-тектонического ветряка.
Условные обозначения:
1 - вертикальный вал;
2 - ротор с вертикальной осью вращения;
3 - экран;
4 - шатровая конструкция;
5 - основание;
6 - цилиндрические опорные колонны;
7 - крыша;
8 - архитектурное сооружение;
9 - измеритель скорости и направления ветра;
10 - блок управления;
11 - задающий блок;
12 - генерирующий блок;
13 - измеритель мощности;
14 - потребитель энергии
15 - привод экрана;
16 - измеритель положения экрана;
17 - позиционные датчики положения экрана;
18 - подшипниковый узел вращения и отбора мощности;
19 - приводной вал;
20 - механизм передачи движения;
21 - узлы поддержки;
22 - гибкие приводные механизмы;
23 - вант.
Автоматизированный архитектурно-тектонический ветряк содержит вертикальный вал 1, ротор с вертикальной осью вращения 2, экран 3, описывающий форму тела вращения ротора с вертикальной осью вращения 2, в виде полуцилиндрической поверхности, высота которого больше или равна высоте ротора с вертикальной осью вращения 2, а внутренний радиус экрана больше радиуса ротора с вертикальной осью вращения 2, шатровую конструкцию 4, основание 5 которой выполнено в форме перевернутого полого усеченного конуса, закрепленную неподвижно на вертикальном валу 1 и на равномерно размещенных по окружности, диаметр которой больше диаметра ротора с вертикальной осью вращения, относительно вертикального вала 1 цилиндрических опорных колоннах 6, связывающих крышу 7 архитектурного сооружения 8 с основанием 5 шатровой конструкции 4, а также систему управления, включающую измеритель скорости и направления ветра 9, блок управления 10, задающий блок 11, генерирующий блок 12, измеритель мощности 13, потребителя энергии 14, привод экрана 15, измеритель положения экрана 16 и позиционные датчики положения экрана 17.
Вертикальный вал 1 закреплен неподвижно в архитектурном сооружении 8, являющимся, например, зданием хозяйственно-бытового назначения.
Ротор с вертикальной осью вращения 2 установлен на вертикальном валу 1, на подшипниковом узле вращения и отбора мощности 18 с возможностью вращения относительно вертикального вала 1.
Одна из цилиндрических опорных колонн 6 выполнена в виде приводного вала 19 с возможностью вращения в опорных подшипниках (не показаны на чертеже) и с механизмом передачи движения 20 экрану 3.
Остальные цилиндрические опорные колонны 6 снабжены имеющими возможность вращения относительно опорных колонн в подшипниковых узлах вращения (не показаны на чертеже) узлами поддержки 21 гибких приводных механизмов 22.
Экран 3 неподвижно закреплен на гибких приводных механизмах 22, через которые осуществляется передача движения экрану 3 от механизма передачи движения 20.
Подшипниковый узел вращения и отбора мощности 18 ротора с вертикальной осью вращения 2 связан через соединенные последовательно генерирующий блок 12 и измеритель мощности 13 с первым входом блока управления 10, ко второму входу которого подключен выход задающего блока 11. К третьему входу блока управления 10 подсоединен выход измерителя скорости и направления ветра 9. К четвертому входу блока управления 10 подключен выход измерителя положения экрана 16. Выход блока управления 10 через привод экрана 15 связан с первым входом измерителя положения экрана 16, ко второму входу которого подсоединены объединенные выходы позиционных датчиков положения экрана 17.
Второй выход генерирующего блока 12 подсоединен к входу потребителя энергии 14,
Второй выход привод экрана 15 соединен с приводным валом 19 с механизмом передачи движения экрану 20.
Блок управления 10 может быть выполнен релейным, например, релейным с гистерезисом.
Шатровая конструкция 4 оснащена системой вант 23, связывающих вертикальный вал 1 с основанием 5 шатровой конструкции 4.
Ротор с вертикальной осью вращения 2 может содержать снаружи по периметру полую камеру (не показана на чертеже) в форме кольца произвольного сечения с размещенным внутри нее балансировочным материалом, например, жидкостью или свинцовыми шариками.
Автоматизированный архитектурно-тектонический ветряк работает следующим образом.
В исходном состоянии блок управления 10, воздействуя на привод экрана 15, обеспечивает вращение приводного вала 19 с механизмом передачи движения 20 гибким приводным механизмам 22 с узлами поддержки 21 на опорных колоннах 6 для установки экрана 3 в положение, контролируемое измерителем положения экрана 16 и обеспечивающее максимальную мощность ветрового воздействия на ротор с вертикальной осью вращения 2 для начала его разгона. Такое положение экрана 3 относительно направления ветра отражено на фиг.2 и соответствует ветровому воздействию на сектор ротора с вертикальной осью вращения 2 с углом φ, равным 90°.
В случае применения релейного с гистерезисом блока управления 10 обеспечивается максимальное быстродействие привода экрана 15, т.е. минимальное время установки экрана 3 в заданное положение. Для экрана 3 в этом случае при постоянстве направления и скорости ветра будет характерен квазиустановившийся режим в заданном положении.
Генерирующий блок 12 преобразует механическую энергию ротора с вертикальной осью вращения 2, получаемую от подшипникового узла вращения и отбора мощности 18, в электрическую энергию, которая подается потребителю энергии 14 для применения по назначению.
нач.
нач.
Если мощность генерирующего блока 12, контролируемая измерителем мощности 13, превысит установленное задающим блоком 11 значение, например, вследствие увеличения скорости ветра, контролируемой измерителем скорости и направления ветра 9, блок управления 10 устранит отклонение мощности генерирующего блока 12 от заданного значения и обеспечит такое положение экрана 3 относительно направления ветра, при котором установится угол φ<90° при заданной мощности генерирующего блока 12. Аналогично, при уменьшении скорости ветра производится смещение экрана 3 в такое положение относительно направления ветра, при котором ветровое воздействие на сектор ротора с вертикальной осью вращения 2 осуществляется с углом φ>φ, где φ - начальное значение угла φ, а мощность генерирующего блока 12 стабилизируется.
По аналогии, изменение направления ветра приводит в итоге к смещению экрана 3 в такое положение относительно направления ветра, при котором ветровое воздействие на сектор ротора с вертикальной осью вращения 2 осуществляется с прежним углом φ, т.е. мощность генерирующего блока 12 не изменяется.
Таким образом, стабилизация мощности генерирующего блока 12 обеспечивается как при изменении скорости, так и направления ветра.
Регулирование мощности генерирующего блока 12 производится с помощью задающего блока 11. Увеличение мощности генерирующего блока 12 происходит смещением экрана 3 в сторону увеличения угла φ, уменьшение - при смещении экрана 3 в сторону уменьшения угла φ,
При сверхнормативном по скорости ветре блок управления 10 для защиты ротора с вертикальной осью вращения 2 от повреждения переходит по команде блока управления 10 в режим слежения за направлением ветра, осуществляя смещение экрана 3 в положение φ=0, т.е. ветровое воздействие на ротор с вертикальной осью вращения 2 перекрывается полностью полуцилиндрической обтекаемой поверхностью экрана 3.
В зависимости от типа гибких приводных механизмов 22 (трос, цепь и т.п.) могут использоваться различные узлы поддержки 21 на опорных колоннах 6 и механизмы передачи движения 20 гибким приводным механизмам 22: шкивы, звездочки, ролики и т.д., а также способы фиксированного крепления экрана 3 к гибким приводным механизмам 22.
Экран 3 может быть жестким металлическим, пластиковым и т.д. или выполняться из плотной прорезиненной ткани.
Позиционные датчики положения экрана 17 контролируют положение диаметрально расположенных боковых сторон экрана 17 для обеспечения периодической коррекции информации о положении экрана 3, которая может в процессе работы искажаться вследствие накапливающейся погрешности измерения, осуществляемого измерителем положения экрана 16, наличия в механизме передачи движения 20 проскальзывания и т.д. Коррекция выполняется на основе сравнения истинного положения боковых сторон экрана 3 с их расчетными значениями на основе текущей информации, получаемой от измерителя положения экрана 16.
В качестве позиционных датчиков положения крана 17 могут, например, использоваться герконы, фотореле, индукционные датчики и т.п.
Общее количество n датчиков положения экрана 17 определяется допустимой угловой ошибкой расчета положения экрана 3. При минимально необходимом количестве датчиков положения экрана 17 n=3 и их равномерном размещении по окружности угловая ошибка расчета положения экрана 3 не превышает 60°.
Основание 5 шатровой конструкции 4 совместно с крышей 7 архитектурного сооружения 8 образуют конфузор для ускорения потока воздуха, воздействующего на ротор с вертикальной осью вращения 2, что повышает эффективность работы ветряка.
Ванты 23, связывающие вертикальный вал 1 с основанием 5 шатровой конструкции 4, повышают жесткость конструкции в целом и устраняют возможность возникновения вынужденных колебаний вертикального вала 1 при работе ротора с вертикальной осью вращения 2, как на частоте вибрационных возмущений, так и на частотах субгармоник, а с учетом наличия опорных колонн 6 устройство приобретает визуально и реально высокие устойчивость и надежность в полном соответствии с основами архитектурной тектоники.
Полая камера (не показана на чертеже) ротора с вертикальной осью вращения 2 за счет размещенного внутри нее балансировочного материала обеспечивает компенсацию дисбаланса ротора с вертикальной осью вращения 2, что способствует снижению уровня вибрации конструкции ветряка.
Таким образом, реализация предложенного устройства позволяет обеспечить высокую надежность ветряка и точность регулирования и стабилизации развиваемой мощности.