Способ управления поворотом лопастей ветроустановки вертикального типа
METHOD OF CONTROLLING ROTATION OF BLADES OF A VERTICAL TYPE WIND-DRIVEN INSTALLATION

Изобретение относится к ветроэнергетике.
Существует два типа ветроустановок: установки горизонтального типа, у которых ротор расположен параллельно земле, и установки вертикального типа с перпендикулярным земле ротором.
Хотя более широкое распространение получили установки горизонтального типа, такая конструкция имеет ряд недостатков:
- расположение генератора высоко над землей, что затрудняет обслуживание установки и повышает требования к прочности мачты;
- высокая начальная скорость ветра;
- низкочастотное звуковое загрязнение, возникающее из-за высокой линейной скорости вращения лопастей и негативно сказывающееся на окружающей среде и здоровье человека.
Установки вертикального типа лишены этих недостатков, но они имеют меньший КПД, обусловленный тем, что разница действующих на противоположные лопасти моментов сил, благодаря которой происходит вращение короны, достигается только благодаря особой форме самих лопастей. При этом из-за встречного потока воздуха значительно падет эффективность установки (до 40% в зависимости от формы лопастей).
Целью данного изобретения является усовершенствование ветроколеса таким образом, чтобы избежать потерь из-за встречного потока ветра и повысить эффективность за счет перераспределения потока воздуха внутри ветроколеса. Это достигается путем поворота лопастей относительно потока воздуха в каждой из точек траектории вращения ветроколеса. Одно из возможных положений лопастей, позволяющих повысить эффективность ветроустановки, показано на фиг. 1.
Принцип работы системы иллюстрируется на фиг. 2. Направление ветра определяется с помощью датчика 1 (например, с помощью небольшого флюгера с энкодером). Управляющий контроллер (на рисунке не показан) получает информацию о направлении ветра и скорости вращения ветроколеса и, исходя из полученных данных, выбирает углы положения лопастей 3, который устанавливается с помощью электроприводов 4, связанных с осями лопастей. Для компенсации ошибок углов обратная связь по углам поворота на контроллер может поступать от датчиков 2 (например, энкодеров, валы которых связаны с осями вращения лопастей) или лопасти в некоторой позиции могут приводиться в начальное положение раз в несколько оборотов.
Такая система, благодаря возможности независимого управления каждой лопастью, позволит контролировать скорость вращения ветроколеса за счет изменения эффективной площади лопастей и перераспределения потока воздуха внутри ветроколеса. Также благодаря этому возможен переход установки в противоштормовой режим, когда плоскости лопастей располагаются параллельно направлению ветра.
Также использование электромеханических приводов, связанных с центральной осью только проводником, позволяет творчески подходить к дизайну вращающейся части ветроустановки.
Из известных изобретений наиболее близким является патент US 8,858,177 В2, в котором для ориентирования лопастей предлагается использовать механические передачи различного вида или электромеханические приводы. Но при этом для перераспределения потока не предлагается использование самих лопастей, а применяются дополнительные конструкции. Кроме этого не указано, как планируется осуществлять противоштормовую систему.
Также известно изобретение, представленное в патенте РФ №2481497, в котором для вращения лопастей применяется механический привод. Но при таком исполнении возникает проблема масштабирования ветроустановки, так как в определенный момент передачи, приводящие во вращение лопасти начинают значительно увеличивать вес установки и накладывают ограничения на максимальную мощность установки. Кроме того, для изготовления механизмов, передающих вращение на лопасти, требуются достаточно большие затраты. Также этот проект не позволяет компенсировать избыточное давление ветра на лопасти и создать эффективное противоштормовое устройство, которое предохраняло бы конструкцию от разрушения при сильном ветре.
Похожая идея представлена в патенте РФ №2525998. В нем рассматривается использование фиксаторов положения, с помощью которых лопасти, не участвующие в передаче вращающего усилия, становятся параллельно ветровому потоку. Данная концепция не является эффективной, так как не использует всю мощность ветрового потока, в то время как предложенное решение максимально его использует.
Существует еще несколько патентов РФ, например, №2482329 и №2295060, но низкая эффективность и сложность конструкции данных ветроустановок является недопустимыми для серийного производства и использования.
Применение системы поворота лопастей без использования механических передач от центра установки к лопастям позволяет увеличивать ветроустановку до размеров, ограниченных только физической прочностью материалов, из которых она изготовлена, не внося значительных изменений в программу и конструкцию управляющей системы.