МОДУЛЬНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
MODULAR WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к построению ветроэнергетической установки (ВЭУ) с использованием ветророторов барабанного типа.
Известна ветроустановка (RU 2088798, 30.12.1994), содержащая наклонные к горизонтальной плоскости валы и установленные на них ветророторы, причем валы кинематически связаны с общим трансмиссионным валом. Ветророторы имеют винтовые лопасти, а каждый вал подсоединен к общему трансмиссионному валу через две встречно включенные обгонные муфты, к одной из которых вращение передается через паразитную передачу.
Недостатками данного изобретения являются большие габариты конструкции ветроустановки из-за расположения шнековых ветророторов на расстоянии друг от друга, необходимом для прохождения ветра к ветророторам, и необходимость установки ветророторов с ориентацией по направлению движения ветра для обеспечения максимальной эффективности преобразования энергии.
Известен самоориентируемый ветроагрегат (RU 2115019, 08.10.1996), содержащий наклонный к горизонтальной плоскости шнековый ротор, который состоит из ступицы и закрепленных на ней винтовых лопастей. Ветроагрегат смонтирован на поворотной конструкции, установленной на мачте, а поворотная конструкция образована шнековым ротором, вертикальной стойкой, имеющей возможность поворачивания вокруг мачты, и распоркой, которые соединены между собой с помощью шарниров.
Недостатком данного ветроагрегата является снижение коэффициента использования энергии ветра из-за отсутствия механизмов, позволяющих увеличить мощность устройства.
В качестве прототипа выбран ветроагрегат (SU 1564375, 15.09.1988), содержащий траверсы с установленными на них ветроколесами барабанного типа, направляющими экранами, и флюгерами, закрепленными симметрично относительно поворотной центральной мачты.
Недостатками данного ветроагрегата являются сложность конструкции из-за использования направляющих экранов и его ограниченная мощность из-за того, что конструкция устройства не допускает повышение мощности устройства за счет увеличения количества аналогичных конструкций - модулей.
Технические результаты заявленного изобретения заключаются в увеличении эффективности преобразования ветровой энергии и в упрощении конструкции ВЭУ.
Для достижения технических результатов модульная ветроэнергетическая установка содержит вертикально установленную поворотную мачту с зафиксированными на ней двумя параллельными траверсами, концы которых соединены вертикальными перекладинами, и, по крайней мере, один ветромодуль. Каждый ветромодуль состоит из четырех ветророторов, объединенных в пары и установленных с двух сторон от мачты. При этом ветророторы закреплены ортогонально к мачте и вертикальным перекладинам с возможностью вращения навстречу друг другу. Каждый ветроротор снабжен генератором. Оси вращения ветророторов, расположенных с двух сторон от мачты, пересекаются между собой под тупым углом.
Изобретение поясняется чертежами:
фиг. 1 - общий вид модульной ВЭУ, вид спереди;
фиг. 2 - общий вид модульной ВЭУ, вид сверху.
ВЭУ состоит из вертикально установленной поворотной мачты 1, двух параллельных траверс 2, соединенных вертикальными перекладинами 3, и, по крайней мере, одного ветромодуля 4.
Поворотная мачта 1 содержит центральную ступицу 5, установленную на вертикальную ось 6, и основание 7. Вертикальная ось 6 является опорой для всей ВЭУ и перпендикулярна основанию 7. Центральная ступица 5 выполнена в виде тонкостенной трубы и связана с основанием 7 с помощью подшипниковых узлов 8, что обеспечивает ВЭУ возможностью поворота.
Параллельные траверсы 2 представляют собой горизонтальные балки установлены друг над другом в осевой симметрии относительно поворотной мачты 1 и зафиксированы на ней. Траверсы 2 закреплены с помощью кронштейнов 9 (фиг. 2), которые обеспечивают расположение траверс 2 на расстоянии от поворотной мачты 1. Свободные концы траверс 2 соединены вертикальными по отношению к основанию мачты перекладинами 3.
Ветромодуль 4 представляет собой узел ВЭУ и содержит четыре ветроротора 10 барабанного типа. Ветророторы 10 объединены в пары и симметрично расположены с двух сторон от поворотной мачты 1. Ветророторы 10 закрепляются с возможностью вращения навстречу друг другу на ступице поворотной мачты 1 и вертикальных перекладинах 3.
Ветромодуль 4 обеспечивает возможность создания ВЭУ необходимой мощности. Установка ветромодулей 4 друг над другом позволяет увеличивать мощность ВЭУ без увеличения занимаемой площади.
Каждый ветроротор 10 снабжен электрогенератором 11, который преобразует механическую энергию вращения вала в электрическую. Выводы электрогенераторов 11 соединены в параллельную цепь.
Оси вращения ветророторов 10 расположены друг над другом ортогонально к мачте 1 и вертикальным перекладинам 3. При этом оси ветророторов 10, симметрично установленных с двух сторон от поворотной мачты 1, пересекаются между собой под углом. Угол между осями равный 120-140° обеспечивает оптимальное аэродинамическое воздействие на ветророторы 10, наилучшую самоориентацию ВЭУ по направлению ветра и максимальный коэффициент преобразования энергии. При этом смежный невыпуклый угол между осями ветророторов 10 составляет 220-240° и обращен в наветренную сторону.
Модульная ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Потоки ветра обтекают поверхности ветророторов 10, находящихся по одну сторону от поворотной мачты 1, и благодаря углу, образованному осями ветророторов 10, разворачивают ВЭУ смежным невыпуклым углом в наветренную сторону. При этом биссектриса угла между осями ветророторов 10 устанавливается в сторону, противоположную потоку ветра, а вершина угла устанавливается в сторону набегающего потока ветра. Давление ветра распространяется по поверхности ветророторов, которые стремятся отклониться назад. Симметричное расположение ветророторов позволяет при установлении одинакового давления на ветророторы 10 самоориентироваться ВЭУ по направлению ветра без использования стабилизаторов и системы ориентации и обеспечивает выработку энергии при любом направлении ветра.
Ветророторы 10, расположенные парой по одну сторону от поворотной мачты, под воздействием ветра вращаются навстречу друг другу. При воздействии ветра на ветроротор поток воздуха распространяется по поверхности и закручивает ось одного ветроротора по часовой, а другого против часовой стрелки. Вращение ветророторов навстречу друг другу создает эффект Магнуса, который обеспечивает увеличение парциального давления с подветренной стороны ветромодуля 4. Данный эффект позволяет получить увеличенный коэффициент преобразования энергии ветра в полезную энергию без использования дополнительных элементов в конструкции ВЭУ.
Вращение ветророторов 10 приводит в движение электрогенераторы 11, которые преобразуют механическую энергию в электрическую. Электрогенераторы 11 объединены в параллельную цепь.
Таким образом, модульная ветроэнергетическая установка позволяет увеличить эффективность преобразования ветровой энергии за счет обеспечения возможности создания многомодульной ветроэнергетической установки, состоящей из отдельных узлов - ветромодулей, и также за счет создания двумя вращающимися навстречу друг другу ветророторами дополнительного эффекта увеличивающего мощность ВЭУ. А возможность самоориентации установки по направлению ветра и достижение дополнительного эффекта увеличивающего мощность ВЭУ без использования дополнительных элементов, позволяет упростить конструкцию ВЭУ.