ВЕТРОГЕНЕРАТОР И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ
WIND GENERATOR AND METHOD TO CONTROL IT

Уровень техники
Из существующего уровня техники известен карусельный ветродвигатель (Патент RU 2 426 005 С1), содержащий установленное на вертикальном валу рабочее колесо, выполненное в виде размещенных между верхним и нижним ободами поворотных лопастей, закрепленных на кронштейнах, связанных с валом, сочлененным с электрогенератором, отличающийся тем, что лопасти закреплены на поворотных валах консольно, а валы лопастей установлены между верхними и нижними кронштейнами и зафиксированы в подшипниках скольжения, при этом нижний опорный подшипник имеет шариковый подпятник, ширина поворотной лопасти больше расстояния между осями валов, которые служат ограничителями поворота лопастей, вертикальный вал рабочего колеса выполнен полым и зафиксирован на оси подшипниками качения, ось закреплена на неподвижном основании и служит опорой ветродвигателя.
Ветродвигатель имеет следующие недостатки: в известном карусельном ветродвигателе лопасти под действием ветра самостоятельно устанавливаются в нужном направлении, однако лопасти при свободном движении в результате порывов и завихрений ветра могут беспорядочно колебаться и ударяться о кронштейны. Отсутствует регулировка скорости вращения ротора, кроме того, ветродвигатель не защищен от бури.
Из существующего уровня техники известен ветроагрегат (Патент РФ 2008517 С1), содержащий установленный на опоре и кинематически связанный с генератором полый вертикальный вал с закрепленными на нём
нижней и верхней крестовинами, расположенные между последними на вертикальных осях поворотные лопасти, устройство поворота лопастей, механизм ориентации лопастей с флюгерным устройством, связанным токосъемными щетками с преобразователем электрической энергии и с контактными секторами, закрепленными со сдвигом относительно друг друга на 90° и электрически связанными с первым и вторым реле, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД вертикальные оси лопастей установлены со смещением относительно продольных осей симметрии лопастей, флюгерное устройство выполнено в виде ветроколеса с горизонтальной осью вращения, кинематически связанного с преобразователем электрической энергии, устройство поворота лопастей в виде установленных на вертикальных осях лопастей подпружиненных кулачковых муфт и электромагнитов, штоки которых контактируют с муфтами, а обмотки параллельно подключены к контактам первого реле, электрически связанным через токосъемные щетки и контактные секторы с преобразователем электрической энергии, при этом катушка первого реле связана с контактами второго реле, подключенными к генератору при помощи переменного резистора.
Ветроагрегат имеет следующие недостатки: механизм поворота лопастей и рамы усложнен, поскольку он содержит дополнительные ветроколесо и вспомогательное к нему оборудование. Часть оборудования размещена на верху опоры, что затрудняет его обслуживание. Разблокированная лопасть при повороте ее вдоль ветра будет беспорядочно колебаться. При сильном ветре напряжение на выходе генератора не стабильно из-за периодических разгонов и торможений ветроколеса. Лопасти не защищены от бури.
Наиболее близким по сущности к заявляемому изобретению является поливиндроторный энергокомплекс материкового назначения (Патент RU 2504686 С1), состоящий из несущей мачты, на вершине которой имеется поворотный узел с радиально и противоположно направленными траверсами
равной длины, отличающийся тем, что на упомянутых траверсах установлены, по меньшей мере, две идентичные опорные решетки, в равновеликих ячейках которых находятся виндроторы с одинаковыми массогабаритными данными, их ортогональные турбины объединены в блоки на вертикальных валах, передающих вращение через 1-2-ступенчатые мультипликаторы; решетки симметрично мачте сходятся в вертикальных плоскостях под острым углом, их центры тяжести в сборе с виндроторами отбалансированы относительно оси вращения поворотного узла. Энергокомплекс отличающийся тем, что в одном из горизонтальных ярусов опорных решеток от оси их вертикальной симметрии и в подветренную сторону установлены плоские ориентирующие элементы выступающими за контур базовой конструкции.
Поливиндроторный энергокомплекс имеет следующие недостатки: опорные решетки с турбинами располагают под острым углом к ветру, в результате этого площадь используемого потока ветра меньше суммарной площади траверс с турбинами. Поток ветра ослабевает после первой и последующими за ней турбинами. Движение лопастей двух рядом стоящих турбин противоположны, что также снижает скорость потока ветра в рабочей зоне турбины. Лопасть турбины виндротора, двигающаяся против ветра, испытывает тормозящее противодействие ветра. Все это снижает эффективность использования энергии ветра, омывающего турбины. Кроме того, мультипликатор, подключенный к генератору, содержится в каждом блоке, что также усложняет конструкцию энергокомплекса.
При исследовании отличительных признаков аналогов изобретения не выявлены решения, позволяющие достаточно просто поддерживать стабильность работы генератора, осуществлять эффективную работу ветрогенератора и осуществлять защиту ротора от бурь при достаточно простой конструкции ветрогенератора.
Сущность
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка ветрогенератора и способа его управления, позволяющих достаточно просто поддерживать стабильность напряжения на выходе генератора, наиболее полно использовать энергию ветра и осуществлять защиту ротора от бури.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение достигается за счет того, что ветрогенератор, содержащий опору, роторы ветрогенератора с лопастями, раму, отличающийся тем, что дополнительно содержит редуктор, выход которого подключен к входу генератора, а вход через систему шестерен подключен к валам роторов, расположенными на плоской раме; реверсивный электродвигатель, установленный предпочтительно на раме, через червячно-шестеренчатую передачу соединенный с опорой, вход которого подключен к выходу блока управления, входы которого подключены к выходам генератора и датчикам направления и силы ветра; щитки, расположенные по бокам рамы, перед крайними турбинами; обтекатели, расположенные с наветренной и подветренной сторон роторов, причем роторы содержат поворотные лопасти, охваченные закрепленными на раме направляющими, в рабочей зоне ротора направляющие отстоят от поверхности ротора на максимальную величину раскрытия лопасти, а в зоне движения лопастей против ветра направляющие отстоят от ротора на расстоянии, необходимом для прохода прижатой к ротору лопасти.
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение достигается за счет того, что по другому варианту ветрогенератор, отличающийся тем, что в качестве поворотных лопастей на роторе используют гибкий материал, предпочтительно парусину, ось ротора выполнена в виде коленвала, закрепленного на раме, на шатунных шейках коленвала вращается первый ротор, на коренных шейках коленвала вращается второй ротор, диаметр которого больше диаметра первого ротора на высоту
раскрытой лопасти и высоту прижатой к ротору лопасти; к свободно вращающейся втулке на боковом стержне одного из роторов крепится полоса парусины, второй конец которой крепится к втулке на стержне другого ротора, причем эта втулка может быть соединена со стержнем ротора спиральной пружиной или на втулке могут быть закреплены колеса, которые в зоне закрытия лопасти катятся по направляющим.
Сущность изобретения поясняется на чертежах ветрогенератора с вертикальной осью вращения, которые приведены в качестве примеров для пояснения работы ветрогенератора.
На фиг. 1 представлена кинематическая схема ветрогенератора, содержащего роторы с направляющими, вид с боку.
На фиг.2 представлена кинематическая схема ветрогенератора, содержащего роторы с направляющими, обтекателями и щитками, вид с верху.
На фиг. 3 представлена схема ротора с лопастями из парусины, вид с боку.
Ветрогенератор содержит неподвижную вертикальную опору 1, внутри которой вращается вал 2 плоской рамы 3, в подшипниках 4 которой вращаются установленные в ряд роторы 5 с лопастями 6, вращение которых синхронизируют с помощью промежуточного вала 7 и шестерен 8. Вал одного из роторов 5 подключен через редуктор 9 ко входу генератора 10, выход которого через токосъемники подключен к потребителям (на схеме не показан). Раму 3 поворачивают с помощью реверсивного электродвигателя 11, закрепленного на раме 3 и соединенного с опорой 1 через, предпочтительно червячно-шестеренчатую пару 12. Управляющие сигналы на реверсивный электродвигатель 11 поступают из блока управления 13, входы которого подключены к выходу генератора 10 и выходам датчиков скорости ветра и его
направления (на схеме не показаны). На раме установлены обтекатели 14, направляющие потоки воздуха на лопасти 6 роторов 5, и щитки 15, прикрывающие роторы 5 от бокового ветра. Ротор 5 содержит поворотные лопасти 6, охваченные закрепленными на раме направляющими 16, в рабочей зоне ротора направляющие 16 отстоят от поверхности ротора 5 на максимальную величину раскрытия лопасти 6, а в зоне движения лопастей против ветра направляющие 16 отстоят от ротора на расстоянии, необходимом для прохода прижатой к ротору лопасти.
Ветрогенератор работает следующим образом:
Блок управления 13 выдает управляющие сигналы на реверсивный электродвигатель 11, зависящие от знака разности между заданным напряжением и напряжением на выходе генератора 10. По этим сигналам поворот рамы 3 осуществляют в ту сторону, в которой эта разница сигналов уменьшается. При повороте рамы 3 поперек направления ветра обороты роторов 5 возрастают. При повороте рамы 3 вдоль направления ветра поток воздуха на роторы 5 уменьшается и напряжение на выходе генератора 10 тоже уменьшается. При установке рамы 3 вдоль потока ветра огибатели 14 и боковые щитки 15 прикрывают роторы 5 от ветра, обороты роторов практически прекращаются и напряжение на выходе генератора 10 уменьшается до нуля.
По другому варианту в качестве поворотных лопастей 17 на роторе используют гибкий материал, предпочтительно парусину, ось ротора выполнена в виде коленвала 18, закрепленного на раме 3. На шатунных шейках 19 коленвала 18 вращается первый ротор 20, на коренных шейках коленвала вращается второй ротор 21, диаметр которого больше диаметра первого ротора 20 на высоту раскрытой лопасти 17 и высоту прижатой к ротору лопасти. К свободно вращающейся втулке 22 на боковом стержне одного из роторов крепится полоса парусины, второй конец которой крепится к втулке 22 на стержне другого ротора, причем втулка на первом роторе или на втором роторе может быть соединена со стержнем ротора спиральной пружиной (на схеме не показана) или на втулке могут быть закреплены колеса (на схеме не показаны), которые в зоне закрытия лопасти катятся по неподвижным направляющим (на схеме не показаны), наматывая на втулку парусину.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного результата по предлагаемому ветрогенератору:
при относительно большом количестве роторов на раме боковая нагрузка на ось рамы и на опору может быть уменьшена установкой с двух или с трех сторон рамы стоек с колесами. При этом поворот рамы может быть осуществлен с помощью реверсивного электродвигателя, закрепленного на оси колеса одной из стоек. Противоположное вращение соседних роторов в ряду позволяет более эффективно использовать энергию ветра, поскольку лопасти соседних роторов движутся в одну и туже сторону. Использование реверсивного электродвигателя для поворота рамы вместо киля позволяет уменьшить нагрузку на вал рамы, позволяет более плавно поворачивать раму вслед за хаотическим изменением направления ветра, позволяет сделать более компактной конструкцию ветрогенератора. Механизмы, осуществляющие ориентацию рамы по ветру по конструкции достаточно просты и компактны, поэтому они могут быть размещены в доступной нижней части рамы и герметично упакованы.
Применение направляющих для поворота на определенный угол лопастей на роторе при движении их по кругу позволяет уменьшить противодействие воздуха вращению ротора, уменьшить вибрации лопастей ротора, вызванных изменением силы и направления ветра. На концах лопастей, скользящих по внутренней поверхности направляющих, предпочтительно должны быть закреплены подпружиненные ролики. Использование направляющих, огибателей и противоположное вращение соседних роторов повышают эффективность использования энергии ветра как виндроторов, так и роторов с поворотными лопастями. Гибкие, например, парусиновые, лопасти могут быть использованы, когда предпочтительны лопасти сравнительно большой длины. Долговечность работы парусины может быть увеличена за счет крепления ее боковых краев к ремням.
Источники информации
1. Патент RU2426 005 С1, Карусельный ветродвигатель, МПК F03D 3/06, F03D 11/04.
2. Патент РФ 2008517 С1, Ветроагрегат, МПК F03D 5/02.
3. Патент RU 2504686 С1, Поливиндроторный энергокомплекс материкового назначения, МПК F 03D 3/02.