ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Предложенная полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию.
Известен ветроэлектрический генератор The Honeywell Wind Turbine - Model WT6500-прототип [], представляющий собой ветроэлектрический генератор с горизонтальной осью вращения. Вращающаяся часть выполнена в виде «велосипедного колеса», на 40 спицах которого закреплено 20 пластиковых лопаток, которые воспринимают энергию ветра. На вращающемся ободе колеса укреплено 6 постоянных магнитов, а на внешнем неподвижном кольце (корпусе) размещены якорные обмотки электрогенератора. Специальные «крылышки» по бокам неподвижного кольца ориентируют турбину по направлению к воздушному потоку, так же как флюгер.
Недостатками указанного устройства являются:
- необходимость наличия специальной системы ориентации по ветру, что приводит к увеличению массово-габаритных характеристик;
- нерегулируемость аэродинамических характеристик при различных скоростях ветра, что при сильных штормовых ветрах может приводить к опрокидыванию или поломке ветрогенератора.
В предложенном решении обеспечена реализация технического результата:
- исключена необходимость наличия специальной системы ориентации по ветру, что приводит к уменьшению массово-габаритных характеристик;
- обеспечена автоматическая регулируемость аэродинамических характеристик при различных скоростях ветра, что даже при сильных штормовых ветрах не приводит к опрокидыванию или поломке ветрогенератора.
Предложенная полезная модель отличается от прототипа:
- отсутствием необходимости в специальных конструктивных элементах, ориентирующих систему на ветер;
- наличием возможности изменения ометаемой площади ветротурбины при изменении скорости ветра.
Указанное конструктивно обеспечивается следующим образом.
Предложенный ветроэлектрический генератор, состоит из:
- несущей опоры, на которой через подшипниковый узел размещена, с возможностью вращения для установки «по ветру» гондола с встроенным электрогенератором, на роторе которого, установлена через подшипниковый узел ветротурбина, с горизонтальной осью вращения;
- ветровоспринимающих элементов, закрепленных с одной стороны на валу ветротурбины, а с другой стороны - на шарнирном узле, способном двигаться по пустотелому кожуху, причем точка приложения результирующей аэродинамических сил расположена со смещением от оси вращения гондолы (вертикальной оси) в сторону ветровоспринимающих элементов.
Упомянутый технический результат обеспечен совокупностью существенных признаков.
Ветроэлектрический генератор, включающий несущую опору, на которой через подшипниковый узел установлена, с возможностью вращения и ориентации на ветер гондола со встроенным электрогенератором, на роторе которого через подшипниковую опору, на валу с горизонтальной осью вращения размещена с возможностью Вращения ветротурбина с ветровоспринимающими элементами, имеющими в плане несимметричную серповидную форму со скругленными углами,
причем, ветровоспринимающие элементы соответствуют по форме надутому воздухом парусу, причем в продольном и поперечном сечении внутренняя и внешняя поверхности указанных ветровоспринимающих элементов математически могут быть описаны уравнениями цепной линии,
при этом
- ветровоспринимающие элементы в радиальном направлении от оси вращения выполнены с постоянно увеличивающимся поперечным сечением, причем более узкие концы ветровоспринимающих элементов шарнирно связаны с неподвижными несущими элементами, жестко закрепленными на валу, а противоположные им, более широкие концы связаны с валом посредством кинематических узлов, включающих дополнительно введенные в устройство, подвижные несущие элементы с шарнирами, входящими в шарнирный узел, связанный в свою очередь последовательно посредством тяги, зубчатой рейки и шестерни с исполнительным элементом и контроллером, подключенным к электрогенератору;
- контроллер имеет блок получения и анализа информации об угловой скорости вала и о сопротивлении электрической нагрузки и средствами выдачи команд на исполнительный элемент для автоматической фиксации ветровоспринимающих элементов в оптимальном положении.
На чертежах схематично представлена предложенная полезная модель.
На фиг.1 представлен главный вид ветроэлектрического генератора.
Гондола и несущая опора представлена в разрезе.
На фиг.2 показан вид сбоку на ветроэлектрический генератор на фиг.1.
На фиг.3 отдельно представлен один ветровоспринимающий элемент 9.
На фиг.4 показан поперечный разрез (А-А) ветровоспринимающего элемента 9 на фиг.3.
На фиг.5 показан продольный разрез (Б-Б) ветровоспринимающего элемента 9 на фиг.3..
Позициями на фигурах обозначены:
1 - несущая опора
2 - гондола
3 - подшипниковый узел
4 - токосъемник со скользящими контактами
5 - статор
6 - ротор
7 - горизонтальный вал
8 - подвижные несущие элементы
9 - ветровоспринимающие элементы
10 - подшипниковые опоры
11 - контроллер
12 - шестерня
13 - рейка
14 - тяга
15 - шарнирный узел
16 - пустотелый кожух
17 - исполнительный элемент
18 - цилиндрические шарниры
19 - направление воздушного потока
20 - направление вращения.
21 - неподвижные несущие элементы
Взаимодействие составляющих элементов:
Ветроэлектрический генератор состоит из несущей опоры 1, гондолы 2, и ветротурбины с горизонтальной осью вращения, которая включает в себя горизонтальный вал 7, ветровоспринимающие элементы 9, шарнирный узел 15, подвижные несущие элементы 8, неподвижные несущие элементы 21 и цилиндрические шарниры 18. Гондола устанавливается на несущую опору с возможностью вращения через подшипниковый узел 3. В ней расположен электрогенератор, шестерня 12, рейка 13, контроллер 11, исполнительный элемент 17 и токосъемник со скользящими контактами 4. Основными элементами электрогенератора являются: неподвижный статор 5 и вращающийся вокруг горизонтальной оси ротор 6. Ротор 6 приводится во вращение горизонтальным валом 7 с ветровоспринимающими элементами 9. Вал 7 вращается в подшипниковых опорах 10. Ветровоспринимающие элементы 9 крепятся к неподвижным несущим элементам 8 и подвижным несущим элементам 21 через цилиндрические шарниры 18. С дальнего от гондолы конца неподвижные несущие элементы 21 жестко крепятся к валу 7, а с другой стороны подвижные несущие элементы 8 подвижно присоединены к шарнирному узлу 15 и к ветровоспринимающим элементам 9.
Отдельный ветровоспринимающий элемент показан схематично на фиг.3. Кривизна его поверхности соответствует форме надутого воздухом паруса. Продольный и поперечный разрезы ветровоспринимающего элемента условно показаны на фиг.4 и фиг.5. Оба этих сечения математически могут быть описаны уравнениями цепной линии. В плане он имеет несимметричную серповидную форму со скругленными углами.
Рейка 13 соединена с шарнирным узлом 15 с помощью тяги 14. Шарнирный узел 15 состоит из двух колец: внутреннего, скользящего по кожуху 16 и вращающегося внешнего, к которому шарнирно крепятся подвижные несущие элементы 8. Между кольцами расположен подшипник.
Устройство работает следующим образом.
При скоростях ветра, превышающих пороговую скорость страгивания, предлагаемая ветротурбина вращается под действием таких же аэродинамических сил, что и прототип, с тем отличием, что, благодаря уменьшенному моменту инерции ветротурбины, она страгивается при меньшей скорости ветра и быстрее набирает обороты. Это следует из того, что у прототипа большая масса сконцентрирована в ободе, находящемся на достаточно большом расстоянии от оси колеса, которое в предложенной полезной модели отсутствует. В предложенной полезной модели ориентация на ветер выполняется самой ветротурбиной. Это возможно за счет ветровоспринимающих элементов, которые в силу своей парусной формы всегда стремятся встать по ветру. Поэтому отсутствует необходимость в специальных конструктивных элементах (как например, «крылышки» у прототипа), ориентирующих систему на ветер, что приводит к упрощению конструкции.
В предложенной полезной модели предусмотрена возможность автоматического изменения ометаемой площади ветротурбины в зависимости от скорости ветра и сопротивления электрической нагрузки. К генератору подключен контроллер 11, который получает и анализирует информацию об угловой скорости вала 7 и о сопротивлении электрической нагрузки и выдает команду на исполнительный элемент 17. Получив команду, исполнительный элемент 17 приводит во вращение шестерню 12, которая, двигая рейку 13, а вместе с ней через общую для всех ветровоспринимающих элементов 9 тягу 14 и шарнирный узел 15, уменьшает или увеличивает ометаемую площадь: ветровоспринимающие элементы 9 складываются тянущим усилием тяги 14 или раскрываются под воздействием аэродинамических сил (под напором ветра) наподобие «зонтика». Этим достигается оптимальный угол расположения ветровоспринимающих элементов 9, при котором для текущих значений скорости ветра и для потребляемой мощности электрические характеристики электрогенератора и нагрузки согласованы. Следовательно, предложенный ветроэлектрический генератор способен эффективно работать при различных скоростях ветра, а также не требует дополнительной системы защиты от ветра ураганной силы. При подобных ветрах он полностью складывается, минимизируя воспринимаемую аэродинамическую нагрузку.