ВЕТРОКОЛЕСО И ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА ЕГО ОСНОВЕ
WIND WHEEL AND WIND-DRIVEN POWER PLANT ON ITS BASIS

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для автономного энергоснабжения бытовых потребителей, а также для параллельной работы с энергосистемой.
Известен многоярусный ветродвигатель, содержащий ветровые колеса, установленные на общем валу, и корпус, при этом каждое ветровое колесо соединено с валом посредством обгонной муфты (патент РФ на изобретение №2063542, МПК F03D 3/00, F03D 3/04).
Недостатками данного ветродвигателя являются недостаточная эффективность использования ветра, неудобство регулирования мощности ветродвигателя, а также невозможность его защиты от опрокидывания при превышении скорости ветра допустимой величины.
Известен ветродвигатель, включающий вращающуюся турбину с вертикальной осью, расположенную внутри системы ветронаправляющих экранов, при этом каждый свободноповорачивающийся вокруг вертикальной оси ветронаправляющий экран непосредственно ориентирован на лопасть ветротурбины, причем крайние положения экрана определяют размер лопасти ветротурбины, которая установлена продольной осью перпендикулярно к прямой, проходящей через ось вращения ветронаправляющего экрана, и касается окружности, которая образована крайней наружной точкой лопасти ветротурбины (патент РФ на изобретение №2074980, МПК F03D 3/04).
Однако данное техническое решение характеризуется большими габаритными размерами и сложностью конструкции, при этом сектор использования ветра не превышает угла 120°.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является ветроколесо с регулятором частоты вращения, содержащее поворотные лопасти и полый вал, на котором установлена подпружиненная муфта с возможностью перемещения относительно вала и кинематически связанная с лопастями. При этом ветроколесо снабжено несколькими подпружиненными муфтами, пружины которых имеют различную жесткость и установлены одна в другую, не касаясь друг друга. Поворотные лопасти соединены попарно и расположены диаметрально, причем кинематическая связь выполнена в виде пар рычагов, каждая пара которых закреплена на одной из муфт и паре соответствующих лопастей (патент РФ на изобретение №2109166, МПК F03D 7/04).
Однако при выводе из работы любой пары лопастей, оставшиеся лопасти располагаются неравномерно по окружности ветроколеса, что снижает эффективность его работы. Кроме того, лопасти, занимающие флюгерное положение, перестают создавать вращающий момент, но начинают создавать тормозящий момент, тем самым снижая эффективность работы ветроколеса.
Известна ветроэлектростанция, содержащая одно или несколько ветроколес, расположенных в трубе и соединенных раздельно с двумя вертикальными валами, один из которых связан с электрогенератором, а другой - с инерционным аккумулятором. Труба объединена с концентратором воздушного потока, выполненным в виде шатра и расположенного под ним вогнутого конуса, между которыми установлены перегородки и заслонки с прикрепленными к ним тросами. Под шатром смонтированы устройства для сжигания газа или приема тепла, получаемого от сжигания мусора (патент РФ на изобретение №2062353, МПК F03D 3/00).
Данная ветроэлектростанция имеет следующие недостатки. Шатер, наклоненный вниз своими краями, не захватывает под себя действующий на него ветер, который бесполезно давит на его наружную поверхность. Попадающий же воздушный поток под шатер с наветренной стороны лишь частично попадает к ветроколесу, так как значительная его часть, обогнув края конуса, проникает в каналы между перегородками, расположенными с противоположной стороны, и выходит бесполезно наружу. Все это снижает эффективность работы электростанции. Кроме того, кинематическая система, состоящая из одного или нескольких ветроколес, двух вертикальных валов и инерционного аккумулятора (многотонного маховика) является материалоемкой и трудна в изготовлении.
Известна ветроэлектростанция, включающая несколько роторов, приводимых во вращение за счет энергии ветра и соединенных так, чтобы функционировать за счет воздействия одного и того же ветрового потока (Фатеев Е.М. «Ветродвигатели и ветроустановки», Москва, 1948 г., с.81-85).
Однако предложенная конструкция по расположению ветроколеса относится к барабанному типу, эффективность которой является чрезвычайно низкой. Кроме того, данное техническое решение обладает большой материалоемкостью.
Наиболее близкой к предлагаемой ветроэлектростанции является ветроэнергетическая модульная установка, содержащая центральное тело, на котором установлены ветродвигатели - модули с электрогенераторами, снабженные наружными кольцевыми обтекателями, при этом центральное тело выполнено в виде симметричного цилиндрического тела овального поперечного сечения, а ветродвигатели - модули установлены в один ряд по бокам центрального тела в плоскости его максимального сечения (патент РФ на полезную модель №52946, МПК F03D 1/04).
Недостатками данной установки являются низкая высота центрального тела, что ведет к потерям вырабатываемой электроэнергии (чем больше высота, тем сильнее и стабильнее ветер), а также использование стандартных тихоходных ветроколес, не развивающих больших оборотов при значительной скорости ветра.
Задача данной группы изобретений заключается в увеличении вырабатываемой электрической энергии, повышении эффективности использования ветра в расширенном диапазоне ветровых нагрузок, а также повышении надежности и ремонтопригодности ветроэлектростанции.
Поставленная задача решается тем, что ветроколесо включает, по крайней мере, три ветровых лопастных колеса, установленных на общем валу, каждое из которых представляет собой поворотные лопасти, закрепленные на втулке, при этом втулка одного из колес жестко закреплена на валу, а втулки остальных выполнены подвижными вдоль продольной оси вала, ветровое колесо, втулка которого жестко закреплена на валу, является основным, а два другие, расположенные по разные стороны от основного, -подвижными, при этом закрепление лопастей каждого колеса при соединении всех втулок обеспечивает расположение лопастей ветроколеса в одной плоскости с образованием равных углов между ними, подвижные втулки выполнены с возможностью фиксации их положения.
Основное ветровое лопастное колесо выполнено с тремя лопастями, а два подвижных - с тремя и шестью лопастями соответственно.
Ветроколесо снабжено кольцевым обтекателем.
Втулка основного ветроколеса снабжена пазами, а подвижные - постоянными магнитами, пазами и выступами, расположенными с торцевых сторон втулок.
Ветроколесо снабжено электромагнитами, жестко закрепленными на валу и расположенными по обе стороны от крайних втулок.
Ветроэлектростанция содержит, по крайней мере, три съемных модуля, закрепленных на металлической раме, установленной на вращающейся платформе, анемометр и блок управления, связанный с анемометром и вращающейся платформой, при этом каждый из съемных модулей включает в себя связанное с блоком управления ветроколесо, выполненное по п.1 и последовательно соединенное с мультипликатором, электрогенератором и преобразователем частоты, при этом крепление съемных модулей на металлической раме выполнено с возможностью обеспечения параллельного расположения осей вращения всех ветроколес.
Анемометр закреплен на металлической раме.
Блок управления установлен на вращающейся платформе.
Блок управления связан с электромагнитами ветроколеса.
Металлическая рама выполнена в виде совокупности продольных и поперечных балок, образующих ячейки для размещения модулей.
Съемное крепление модулей к металлической раме выполнено посредством направляющих балок, закрепленных на кольцевом обтекателе, и пазов, выполненных на внутренних сторонах каждой ячейки модуля.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами и графиками, где на Фиг.1 представлена ветроэлектростанция, вид спереди, на Фиг.2 - ветроэлектростанция, вид сбоку, на Фиг.3 - ветроэлектростанция, вид сверху, на Фиг.4 - блок-схема модуля ветроэлектростанции, на Фиг.5 - электрическая схема модулей ветроэлектростанции, на Фиг.6 - устройство ветроколеса, на Фиг.7 - конструкция ветроколеса при скорости ветра от 2,5 до 4 м/с, на Фиг.8 - конструкция ветроколеса при скорости ветра от 4 до 6,5 м/с, на Фиг.9 - конструкция ветроколеса при скорости ветра от 6,5 до 15 м/с, на Фиг.10 - последовательное соединение втулок ветроколеса в разборе, на Фиг.11 - графики выработки электроэнергии базовой и заявляемой ветроэлектростанциями при различных ветровых условиях.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - металлическая рама, 2 - металлическая балка, 3 - платформа, 4 - модуль, 5 - опора, 6 - анемометр, 7 - блок управления, 8 - ветроколесо, 9 - мультипликатор, 10 - электрический генератор, 11 - преобразователь частоты, 12 - ротор генератора, 13 - статор генератора, 14 - система возбуждения генератора, 15 - выпрямитель, 16 -инвертор, 17 - емкостной фильтр, 18 - индуктивный фильтр, 19 - электрическая сеть, 20 - паз, 21 - направляющая балка, 22 - концевой обтекатель, 23 - лопасть, 24 - декоративный конус, 25 - 3-лопастное ветроколесо, 26 - основное 3-лопастное ветроколесо, 27 - 6-лопастное ветроколесо, 28 - электромагнит, 29 - втулка 3-лопастного ветроколеса, 30 - втулка основного ветроколеса, 31 - втулка 6-лопастного ветроколеса, 32 - вал, 33 - подшипник, 34 - паз с обмоткой, 35 - обмотка, 36 - постоянный магнит, 37 - выступ, 38 - паз втулки.
Ветроколесо 8 состоит, по крайней мере, из трех элементов - ветровых лопастных колес 25, 26, 27, закрепленных на общем валу 32 посредством втулок 29, 30, 31, соответственно. Ветровое колесо, втулка которого жестко закреплена на валу, является основным, например 26, а два других - 25, 27, расположенные по разные стороны от основного, - подвижными. Ветровые лопастные колеса 25, 26 выполнены, например, с тремя поворотными лопастями 23, а ветровое лопастное колесо 27 - с шестью поворотными лопастями. Втулка 30 основного ветроколеса 26 снабжена пазами 38, расположенными с ее торцевой стороны, а крайние втулки 29, 31 снабжены выступами 37, расположенными со стороны основного ветроколеса 26, обеспечивающими возможность соединения втулок с образованием равных углов между лопастями. Лопасти 23 каждого ветрового колеса расположены в одной плоскости, при этом плоскости лопастей ветровых колес смещены вдоль продольной оси втулки таким образом, что при совмещении втулок лопасти всех ветровых колес располагаются в одной плоскости. Ветроколесо 8 снабжено элементами, обеспечивающими перемещение подвижных втулок 29, 31 относительно вала и друг друга, а также фиксацию их положения, и представляющими собой, например, два электромагнита 28, расположенные по обе стороны от крайних втулок 29, 31, и постоянные магниты 36, расположенные со стороны электромагнитов в торцевой части крайних втулок 29, 31. Электромагниты 28 выполнены в виде цилиндрической металлической детали с торцевым кольцевым пазом 34, в котором уложена обмотка 35, расположенным со стороны втулок с возможностью сцепления с постоянным магнитом 36, и жестко зафиксированы на валу 32 с помощью подшипников 33. Ветроколесо 8 снабжено кольцевым обтекателем 22.
Ветроэлектростанция содержит от 3 до 20 модулей 4 небольшого размера. Каждый модуль 4 представляет собой ветроколесо 8, соединенное с электрическим оборудованием. Модули закреплены на металлической раме 1, состоящей из продольных и поперечных металлических балок 2 с пазами 20, образующих решетчатую конструкцию (ячейки для размещения модулей) (фиг.1). При этом оси вращения всех ветроколес расположены параллельно друг другу. По бокам кольцевого обтекателя 22 ветроколеса 8 прикреплены направляющие балки 21 для размещения в пазах 20 (рельсовые направляющие), за счет чего модуль легко вынимается для ремонтных или профилактических работ (фиг.6). Металлическая рама 1 установлена на вращающейся платформе 3, снабженной опорами 5 (фиг.2). На одном валу 32 с ветроколесом 8 расположен мультипликатор 9, связанный через дисковый тормоз с электрическим генератором 10, состоящим из ротора 12 и статора 13 и соединенным с системой возбуждения 14. Выход электрогенератора 10 связан со входом преобразователя частоты 11, включающего выпрямитель 15, емкостной фильтр 17, инвертор 16 и индуктивный фильтр 18 (фиг.4, 5). Выпрямитель 15 и инвертор 16 выполнены на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT.
На вращающейся платформе 3 установлен блок управления 7, выполненный, например, на основе микроконтроллера, и связанный с поворотным механизмом платформы, например, на основе следящего электропривода, анемометром 6, закрепленным на металлической раме 1, и электромагнитами 28.
Ветроэлектростанция работает следующим образом. Под действием кинетической энергии ветра лопасти 23 ветроколеса 8 начинают его вращать. Вращение ветроколеса приводит во вращение вал 32, на котором установлен мультипликатор 9, который повышает скорость вращения выходного вала мультипликатора (для одноступенчатого мультипликатора - в 4 раза). Под действием вращающего момента выходного вала мультипликатора 9 ротор генератора 12 начинает вращаться. При вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, индуцирует в обмотках статора 13 генератора 10 синусоидальную ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора 10, предназначенного для выработки электрической энергии, получают трехфазное напряжение. Далее напряжение преобразуют в постоянное выпрямителем 15 и с помощью емкостного фильтра 17 уменьшают пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Затем инвертором 16 преобразуют напряжение из постоянного в переменное, сглаживают его пульсации индуктивным фильтром 18 и подают в электрическую сеть 19. Таким образом, в электрическую сеть 19 поступает трехфазное напряжение с частотой 50 Гц, отвечающее требованиям ГОСТ 13109-97.
В зависимости от скорости ветра ветроэлектростанция может работать в нескольких режимах. При низкой скорости ветра от 2,5 до 4 м/с лопасти 23 всех ветроколес 25, 26, 27 (общее количество лопастей - 12) совмещены в одной плоскости и участвуют в работе ветроколеса 8, обеспечивая максимальный вращающий момент при высоком коэффициенте использования энергии ветра (фиг.7). При средней скорости ветра от 4 до 6,5 м/с втулка 31 ветроколеса 27, содержащая шесть лопастей, отсоединяется от втулки 30 основного ветроколеса 26, смещается вправо и перестает вращаться, при этом ветроколесо 27 начинает выполнять роль направляющего для ветрового потока. В работе остаются два ветроколеса 25 и 26 (фиг.8). При большой скорости ветра от 6,5 до 15 м/с втулка 29 ветроколеса 25 также отсоединяется от втулки 30 основного ветроколеса 26, смещается влево и перестает вращаться. При этом основное ветроколесо 26 продолжает работать с максимальной скоростью вращения, а остановившееся ветроколесо 25 так же, как и 27 - не препятствует вращению основного ветроколеса, а является направляющим для ветрового потока (фиг.9). Таким образом, при всех режимах работы ветроэлектростанции втулка 30 ветроколеса 26 жестко закреплена на валу 32, а втулки 29, 31 ветроколес 25 и 27 перемещаются вдоль продольной оси вала 32 в зависимости от скорости ветра, при этом соединение втулок обеспечивается с помощью пазов 38 и выступов 37. Механизм фиксации и перемещения втулок ветроколес действует при подаче сигнала с блока управления 7, который срабатывает при подаче сигнала от датчика измерения скоростей и направления ветра - анемометра 6. В зависимости от скорости ветра с блока управления 7 на обмотку 35 электромагнита 28 подается ток определенного направления: положительный или отрицательный, в зависимости от которого втулки 29,31 подвижных ветровых лопастных колес 25 и 27, на которых расположены постоянные магниты 37, будут притягиваться либо отталкиваться от электромагнитов 28. Также с блока управления 7 подается сигнал на поворотный механизм, который поворачивает платформу по направлению ветра.
Таким образом, предлагаемая группа изобретений позволяет увеличить выработку электроэнергии на 15% за счет увеличения диапазона ветровых нагрузок (Фиг.11, заштрихованная область), а также подобрать необходимую мощность установки, изменяя количество модулей, участвующих в работе ветроэлектростанции, при этом в случае неисправности какого-либо модуля, его отключают и ремонтируют без остановки других, что значительно упрощает ремонтопригодность и повышает надежность ветроэлектростанции.