ВЕТРЯНОЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

Аналогами ветряного электрогенератора являются ветровые установки, для выработки электроэнергии, описываемые в книге «Возобновляемые источники энергии». Авторы книги «Возобновляемые источники энергии» Дж. Твайделл и А. Уэйр. Ветровые установки описываются на страницах с 199 по 203. Книга переведена с английского и издана в 1990 году издательством «Энергоатомиздат», город Москва. Ветровые установки, использующие подъемную силу создаваемую потоками ветра на аэродинамических профилях, имеют горизонтальное или вертикальное расположение ротора (ротор Дарье). Плоскости вращения лопастей ветровых установок, для выработки электроэнергии, с вертикальным расположением ротора параллельны потокам ветра. Плоскости вращения лопастей ветровых установок, для выработки электроэнергии, с горизонтальным расположением ротора перпендикулярны потокам ветра.
При отклонении плоскостей вращения описываемых ветровых установок, от указанных положении относительно потоков ветра, снижается их коэффициент полезного действия.
Ветряной электрогенератор имеет конструкцию позволяющую работать только при отклонении от вертикального положения на некоторый острый угол.
Задача, на решение которой направлен ветряной электрогенератор, заключается в расширении арсенала технических средств использующих энергию ветра для выработки электроэнергии.
Ветряной электрогенератор предназначен для использования в условиях морей и океанов без опоры на дно.
Ветряной электрогенератор - это мачта, имеющая подводную и надводную части, на которые устанавливаются и встраиваются остальные элементы ветряного электрогенератора. Решетчатая конструкция мачты, обеспечивает малое сопротивление ветровым нагрузкам.
На надводной части мачты устанавливаются кожуха с входными и выходными окнами, траверсы, сетки, тканевые полосы, штанги, канаты, тросы тянущие штанги вверх, тросы тянущие штанги вниз, тросы обеспечивающие вращение штанг при движении вниз, понтон, рули, валы, муфты, колеса с лопастями закрываемые кожухами. В кожухах имеются направляющие лопатки.
Кожуха с входными окнами и направляюще лопатки, обеспечивают подвод потоков ветра к лопастям на колесах, так чтобы колеса с лопастями под действием потоков ветра вращались в нужном направлении, а потоки ветра не препятствовали вращению колес с лопастями. Выходные окна кожухов отводят потоки ветра после лопастей.
При отсутствии ветра, колеса и кожуха располагаются в горизонтальных плоскостях.
Лопасти располагаются под углом к оси колес, по окружностям колес.
Траверсы располагаются симметрично на двух противоположенных сторонах мачты.
Тканевые полосы устанавливаются между траверсами, установленными на одной стороне мачты. Тканевые полосы также устанавливаются на мачте между кожухами и траверсами. Тканевые полосы отделяют вне кожухов, входные окна кожухов от выходных окон кожухов.
Размещение тканевых полос в мачте и установка тканевых полос на траверсах позволяет увеличить скорость потоков ветра проходящих через окна кожухов.
Под действием потоков ветра на тканевые полосы, мачта ветряного электрогенератора отклоняется от вертикального положения на некоторый острый угол, и опирается на элемент с положительной плавучестью (понтон). Кожуха, встроенные в мачту, отклоняются и поверхности кожухов, в которых располагаются входные окна, разворачиваются под некоторым острым углом к потокам ветра. Потоки ветра направляются тканевыми полосами (играющих также роль концентраторов потоков ветра) в кожуха. Потоки ветра могут напрямую попадать через входные окна на направляющие лопатки внутри кожухов находящиеся напротив лопастей (размещаемых на колесах) и затем, пройдя через лопасти, выходить через выходные окна кожухов с подветренной стороны тканевых полос.
Лопасти ветряного электрогенератора - это аэродинамические профиля в виде крыльев. Потоки ветра, огибая лопасти, создают подъемную силу на лопастях и крутящий момент на колесах.
Колеса с лопастями и ротор электрогенератора связаны в единую механическую цепь с помощью валов и муфт.
Ветряной электрогенератор имеет цилиндр с положительной плавучестью для придания ветряному электрогенератору положительной плавучести. Нахождение ветряного электрогенератора в воде и наличие положительной плавучести у ветряного электрогенератора позволяет ветряному электрогенератору отклоняться от вертикального положения, а также поворачиваться относительно потоков ветра, но какими средствами достигается положительная плавучесть для достижения результата неважно.
Электрогенератор необходим ветряному электрогенератору для преобразования вращательного движения вала в электроэнергию, а конструкция и размещение электрогенератора могут быть любыми.
К нижней точке подводной части мачты крепится якорный канат с якорем, для удержания на заданном месте ветряного электрогенератора.
Ориентация относительно ветра может осуществляться за счет разворачивания или сворачивания тканевых полос на траверсах с одной из сторон мачты и изменением положения относительно ветра рулей, за счет увеличения или уменьшения сопротивления создаваемого рулями и тканевыми полосами потокам ветра.
Разворачивание и сворачивание тканевых полос обеспечивают сетки, штанги, канаты, тросы тянущие штанги вверх, тросы тянущие штанги вниз, тросы обеспечивающие вращение штанг при движении вниз.
Возможность разворачивать и сворачивать тканевые полосы защищает ветряной электрогенератор от избыточных ветровых нагрузок.
Лопасти ветряного электрогенератора отличаются от лопастей ветровых установок описываемых в книге. Лопасти ветровых установок, описываемые в книге - это лопасти пропеллерного типа (горизонтальное расположение ротора) или тонкие аэродинамические профиля имеющие ось симметрии в поперечном разрезе (вертикальное расположение ротора), в этом случаи зоны пониженного и повышенного давления возникают попеременно с обеих сторон лопасти в зависимости от расположения лопасти к потокам ветра (ротор Дарье). Лопасти ветряного электрогенератора похожи своим профилем на крыло самолета (несимметричный профиль), на котором зона пониженного давления возникает с одной стороны, а зона повышенного давления с противоположенной стороны, и потоки ветра набегают со стороны передней кромки.
У описываемых в книге ветровых установок отсутствуют элементы в виде тканевых полос, понтона, направляющих лопаток, кожухов с окнами, цилиндра с положительной плавучестью или другие элементы того же назначения.
Сетки, штанги, канаты, тросы тянущие штанги вверх, тросы тянущие штанги вниз, тросы обеспечивающие вращение штанг при движении вниз, траверсы, отсутствуют у описываемых в книге ветровых установок, но имеются у ветряного электрогенератора.
У описываемых в книге ветровых установок имеются для ориентации относительно ветра стабилизаторы. Стабилизатор - это неподвижно закрепленная пластина как у флюгера. Ветряной электрогенератор для ориентации относительно ветра имеет рули. Рули - это подвижные пластины.
Мачта ветряного электрогенератора отличается по конструкции от элементов ветровых установок того же назначения, которые описываются в книге. Описываемая в книге мачта (башня) состоит из составленных друг на друга труб образующих одну высокую трубу (башню). Мачта ветряного электрогенератора, состоящая из неподвижно скрепленных между собой решетчатых секций, позволяет встраивать в себя кожуха с окнами и обеспечивает возможность подвода потоков ветра к входным окнам кожухов.
Описываемые в книге ветровые установки для выработки электроэнергии, устанавливаются мачтой (башней) на твердую опору и не нуждаются в элементах якорный канат, якорь или других элементах того же назначения.
Из этого следует, описываемые ветровые установки не являются близкими аналогами ветряного электрогенератора.
Достижение результата ветряным электрогенератором обеспечивается тем, что ветряной электрогенератор располагается в воде, положительной плавучестью ветряного электрогенератора, наличием якоря, наличием якорного каната, наличием ротора и статора электрогенератора. Достижение результата ветряным электрогенератором также обеспечивается тем, что имеется мачта решетчатой конструкции несущая в надводной части понтон, кожуха с входными и выходными окнами, колеса с лопастями размещенные в кожухах, тканевые полосы между кожухами и траверсами, направляющие лопатки размещенные в кожухах, валы и муфты связывающие колеса с лопастями и ротор электрогенератора в единую механическую цепь, траверсы расположенные симметрично на двух противоположенных сторонах мачты, между траверсами расположенными на одной стороне мачты устанавливаются тканевые полосы, тканевые полосы отделяют вне кожухов входные окна от выходных окон, выходные окна в кожухах выходят на подветренную сторону тканевых полос, входные окна в кожухах выходят на наветренную сторону тканевых полос, лопасти имеют несимметричный профиль.
На Фиг. 1 показан общий вид ветряного электрогенератора.
На Фиг. 2 показан разрез «А-А» обозначенный на Фиг. 1.
На Фиг. 3 показан разрез «Б-Б» обозначенный на Фиг. 2.
На Фиг. 4 показан вид «В» обозначенный на Фиг. 2.
На Фиг. 5 показан выносной элемент «Г» обозначенный на Фиг. 3.
На Фиг. 6 показан выносной элемент «Д» обозначенный на Фиг. 4.
На Фиг. 7 отдельно показан разрез кожуха.
На Фиг. 8 показан разрез «Е-Е» обозначенный на Фиг. 6.
На Фиг. 9 показан вид «Ж» обозначенный на Фиг. 6.
На Фиг. 10 показано колесо в сборе с лопастями.
На Фиг. 11 показан вид «3» обозначенный на Фиг. 6.
На Фиг. 1 показан ветряной электрогенератор, который имеет мачту 1 состоящую из неподвижно скрепленных между собой решетчатых секций. Мачта 1 несет остальные элементы ветряного электрогенератора. Мачта 1 имеет ватерлинию мачты 5. Ватерлиния мачты 5, разделяет мачту 1 на подводную и надводную части. В надводную часть мачты 1 встроен понтон 32. Понтон 32 ограничивает отклонение мачты 1 от вертикального положения под действием сил ветра. В подводную часть мачты 1 встроен цилиндр 2. Цилиндр 2 - это круглый цилиндр из экструдированного пенополистирола. Экструдированный пенополистирол придает цилиндру 2 положительную плавучесть. Цилиндр 2 имеет сквозное отверстие, через которое проходит вал 6.
Цилиндр 2 обеспечивает положительную плавучесть ветряного электрогенератора.
Снизу к цилиндру 2 примыкает отсек для размещения генератора 29 встроенный в подводную часть мачты 1. Снизу, к отсеку для размещения генератора 29 примыкает отсек для токоприемника 30 встроенный в подводную часть мачты 1.
Ротор генератора 8, представляет собой цилиндрический стакан. Ротор генератора 8 закреплен на одном из валов 6. Статор генератора 9 и ротор генератора 8 располагаются в полости отсека для размещения генератора 29. В роторе генератора 8 имеется линия допустимого уровня воды в генераторе 33. Линия допустимого уровня воды в генераторе 33 определяет допустимый уровень воды в роторе генератора 8, оставшееся пространство в роторе генератора 8 заполнено воздухом, для предотвращения намокания электрических цепей генератора. Валы 6 поддерживаются упорными подшипниками 10 и радиальными подшипниками 28 располагающимися в кожухах для установки подшипников 23. Кожуха для установки подшипников 23 встраиваются в мачту 1. Один из упорных подшипников 10, расположен в статоре генератора 9.
На роторе генератора 8 закреплен тор 35. Материал тора 35 - это экструдированный пенополистирол, придающий тору 35 положительную плавучесть. Тор 35 уменьшает нагрузку на упорный подшипник 10, расположенный в статоре генератора 9.
Отсек для размещения генератора 29 встроенный в подводную часть мачты 1 полностью заполняется водой.
Расположение цилиндра 2 с положительной плавучестью и отсека для размещения генератора 29 в подводной части решетчатой мачты позволяет уменьшить волновую нагрузку на мачту 1.
В полости отсека для токоприемника 30 имеется линия допустимого уровня воды в отсеке токоприемника 34 и располагается токоприемник 11. Линия допустимого уровня воды в отсеке токоприемника 34 определяет допустимый уровень воды в отсеке для токоприемника 30, оставшееся пространство в отсеке для токоприемника 30 заполнено воздухом, для предотвращения намокания электрических цепей токоприемника 11. Токоприемник 11 соединен с кабелем 12. Кабель 12 предназначен для передачи электричества вырабатываемого ветряным электрогенератором. Токоприемник 11 предотвращает запутывание и наматывание кабеля 12 при возможных поворотах ветряного электрогенератора.
Оба конца якорного каната 13 закреплены в нижней точке мачты 1.
Ветряной электрогенератор имеет якорь 14 в виде груза. Якорь 14 удерживает ветряной электрогенератор на заданном месте. В якорь 14 встроена серьга 31. Якорный канат 13 пропускается через серьгу 31.
В надводную часть мачты 1 встроены несколько траверс 3, рулей 4 и кожухов 24, количество и размер которых определяется условиями эксплуатации.
Рули 4 располагаются внутри мачты 1.
Рули 4 необходимы для ориентации или удержания ветряного электрогенератора относительно ветра. Рули 4 - это прямоугольные пластины. Рули 4, связанные в единый механизм, изменяя свое положение относительно потоков ветра, разворачивают или наоборот препятствуют изменению положения ветряного электрогенератора относительно потоков ветра.
Траверсы 3 располагаются на разных уровнях по высоте и симметрично с двух противоположенных сторон мачты 1. Между соседними траверсами 3 установленными на разных уровнях по высоте, на одной стороне мачты 1, установлены сетки 15 и располагаются тканевые полосы 16. Траверсы 3, сетки 15 и тканевые полосы 16 располагаются симметрично с двух противоположенных сторон мачты 1. Кожуха 24 установлены друг над другом и встроены в мачту 1, с некоторым шагом по высоте. Величина шага по высоте для кожухов 24 и траверс 3 определяется в зависимости от условий будущей эксплуатации. К мачте 1 и траверсам 3 неподвижно крепятся щиты 17. Щиты 17 - это прямоугольные пластины, закрывающие зазоры между тканевыми полосами 16. Тканевые полосы 16 - это синтетические ткани. Размеры тканевых полос 16 зависят от условий будущей эксплуатации. Тканевые полосы 16 являются искусственными препятствиями, которые способствуют отклонению от вертикального положения ветряного электрогенератора и направляют потоки ветра в кожуха 24. Колеса 25 и лопасти 26 располагаются внутри кожухов 24. Валы 6 и муфты 7 служат для соединения в единую механическую цепь колес 25 и ротора генератора 8.
На Фиг. 2 показан разрез «А-А» обозначенный на Фиг. 1. На Фиг. 2 дополнительно графически поясняется устройство ветряного электрогенератора.
Траверсы 3 представляют собой неподвижные решетчатые секции в виде треугольников. Траверсы 3 симметрично и неподвижно прикреплены на двух противоположенных сторонах мачты 1. Размеры траверс 3 могут изменяться в зависимости от высоты установки и определяются исходя из условий будущей эксплуатации.
Кожуха 24 встроены в мачту 1.
Рули 4 располагаются внутри мачты 1.
На Фиг. 3 показан разрез «Б-Б» обозначенный на Фиг. 2. Траверсы 3 неподвижно и симметрично закрепляются на двух противоположенных сторонах мачты 1. На одном уровне по высоте, в горизонтальной плоскости имеется по две траверсы 3 симметричные по конструкции и расположению. Между соседними траверсами 3 установленными на разных по высоте уровнях, на одной стороне мачты 1, установлены сетки 15, тканевые полосы 16 и штанги 18. Между соседними траверсами 3 установленными на разных уровнях по высоте, на одной стороне мачты 1, имеются по две пары канатов 19. Первая пара канатов 19 расположена на свободных концах траверс 3. Вторая пара канатов 19 установлена с отступом от мест крепления траверс 3 к мачте 1. Канаты 19 служат направляющими для штанг 18. Штанги 18 служат для сворачивания и разворачивания тканевых полос 16 и передвигаются между соседними, установленными на разных уровнях по высоте траверсами 3. Траверсы 3, сетки 15, тканевые полосы 16, штанги 18 и канаты 19 располагаются симметрично на двух противоположенных сторонах мачты 1. Внутри мачты 1, между кожухами 24 и траверсами 3, аналогичным образом установлены сетки 15, тканевые полосы 16, штанги 18 и канаты 19 закрепляемые к секциям мачты 1. К мачте 1 и траверсам 3 неподвижно крепятся щиты 17.
Кожуха 24 встроены в мачту 1. Лопасти 26 располагаются внутри кожухов 24. Выходные окна 37 кожухов 24 выходят на подветренную сторону тканевых полос 16.
На Фиг. 4 дополнительно графически поясняется конструкция ветряного электрогенератора, показан вид «В» обозначенный на Фиг. 2.
На Фиг. 5 показан выносной элемент «Г» обозначенный на Фиг. 3 и поясняется устройство систем тросов и канатов для сматывания и разматывания тканевых полос 16.
Показан фрагмент одной из штанг 18, взаимное расположение и крепление элементов обеспечивающих движение штанги 18 вверх и вниз, а также сворачивание и разворачивание тканевой полосы 16. Штанга 18 - это цилиндр, имеющий ступенчатое изменение диаметра по длине. Штанга 18 имеет одну канавку в средине для намотки тканевой полосы 16 и еще по три канавки на обоих концах. Пара канатов 19 проходит через крайнюю канавку штанги 18, охватывая штангу 18 между собой, играя роль направляющих. Рядом в соседней канавке штанги 18 закреплены трос тянущий вверх 20 и трос тянущий вниз 21. Трос тянущий вверх 20 и трос тянущий вниз 21 закреплены за штангу 18 незатягивающимися петлями, позволяющими штанге 18 вращаться вокруг своей оси. Трос обеспечивающий вращение при движении вниз 22 закреплен за штангу 18, в канавке рядом с канавкой для намотки тканевой полосы 16. Трос обеспечивающий вращение при движении вниз 22 неподвижно закреплен за штангу 18 и имеет возможность наматываться в канавку штанги 18.
Тканевая полоса 16 неподвижно закреплена за штангу 18 в канавке для намотки тканевой полосы 16 и при этом намотка тканевой полосы 16 противоположна намотке троса обеспечивающего вращение при движении вниз 22.
Тросы тянущие вверх 20 обеспечивают движение вверх штанги 18. При движении вверх, тросы тянущие вниз 21 беспрепятственно разматываются. Тросы тянущие вниз 21 обеспечивают движение вниз штанги 18. При движении вниз, тросы тянущие вверх 20 беспрепятственно разматываются. Одновременно с движением вниз происходит намотка тканевой полосы 16 за счет размотки тросов обеспечивающих вращение при движении вниз 22 и, наоборот, при движении вверх размотка тканевой полосы 16 и намотка тросов обеспечивающих вращение при движении вниз 22. Сетка 15, располагается с подветренной стороны тканевой полосы 16, выравнивает и предотвращает выпучивание тканевой полосы 16.
Противоположенный конец штанги 18 устроен аналогичным образом.
На Фиг. 6 показан выносной элемент «Д» обозначенный на Фиг. 4. Лопасти 26, направляющие лопатки 27 и колесо 25 размещены внутри кожуха 24. Лопасти 26 крепятся на колесо 25 неподвижно закрепленное на валу 6. Вал 6 проходит через кожух 24. Лопасти 26, колесо 25 и вал 6 способны свободно вращаться внутри кожуха 24 вокруг оси вала 6. Показаны в разрезе входное окно 36 и выходное окно 37.
На Фиг. 7 отдельно показан разрез кожуха 24. Лопасти 26, колесо 25, направляющие лопатки 27 и вал 6 показаны пунктирными линиями. Стрелками показано движение потоков ветра через кожух 24, лопасти 26, колесо 25, направляющие лопатки 27, входное окно 36, выходное окно 37 и вал 6.
На Фиг. 8 показан разрез «Е-Е» обозначенный на Фиг. 6. На Фиг. 8 дополнительно поясняется конструкция и взаимное расположение кожуха 24, лопастей 26, колеса 25, направляющих лопаток 27, выходного окна 37 и вала 6.
На Фиг. 9 показан вид «Ж» обозначенный на Фиг. 6. На Фиг. 9 показаны: кожух 24, колесо 25, вал 6 и мачта 1. Показаны входные окна 36, через которые потоки ветра попадают внутрь кожуха 24. На Фиг. 6 и Фиг. 7 входные окна 36 показаны в разрезе.
На Фиг. 10 показано колесо 25 в сборе с лопастями 26 и поясняется их конструкция и взаимное расположение. Лопасти 26 - это аэродинамические профиля в виде крыльев с несимметричным профилем. Потоки ветра, огибая лопасти 26, создают подъемную силу на лопастях 26. Лопасти 26 располагаются по окружности колеса 25, под углами к оси колеса 25. Углы определяются индивидуально для каждого случая эксплуатации.
На Фиг. 11 показан вид «3» обозначенный на Фиг. 6. Кожух 24 показан со стороны выходного окна 37. Потоки ветра после прохождения лопастей 26 выходят из кожуха 24 через выходное окно 37.
Показана мачта 1.
При отсутствии потоков ветра мачта 1 как показано на Фиг. 1 находится в вертикальном положении. Мачта 1 погружается в воду до ватерлинии мачты 5.
Ветряной электрогенератор может наклоняться, при воздействии ветра на тканевые полосы 16, в направлении понтона 32 (имеющего положительную плавучесть) и опираться на него. Понтон 32 располагается выше ватерлинии мачты 5.
Уровень воды, в роторе генератора 8, не превышает линии допустимого уровня воды в генераторе 33, как в вертикальном положении мачты 1, так и при отклонении мачты 1 от вертикального положения.
Уровень воды в отсеке для токоприемника 30, не превышает линии допустимого уровня воды в отсеке токоприемника 34, как в вертикальном положении мачты 1, так и при отклонении мачты 1 от вертикального положения.
При отклонении мачты 1 от вертикального положения, возникает ситуация когда кожуха 24 разворачиваются под некоторым острым углом к потокам ветра, как показано на Фиг. 7. При отклонении мачты 1 ветряного электрогенератора от вертикального положения, входные окна 36 и выходные окна 37 кожухов 24, обеспечивают возможность прохождение потоков ветра через кожуха 24 без крутых поворотов. Оптимальный острый угол отклонения кожухов 24 зависит от размеров лопастей 26 и колес 25.
Тканевые полосы 16 также являются концентраторами для потоков ветра.
Потоки ветра, направляемые тканевыми полосами 16, входят в кожуха 24 через входные окна 36, показанные на Фиг. 9 и Фиг. 6, далее потоки ветра попадают на направляющие лопатки 27 и затем на лопасти 26. Лопасти 26 двигаются под действием потоков ветра создающих на лопастях 26 зоны пониженного и повышенного давления. Далее потоки ветра выходят через выходные окна 37 в кожухах 24 с подветренной стороны тканевых полос 16. Лопасти 26 прикреплены к колесам 25. Лопасти 26 создают крутящий момент на колесах 25. Колеса 25 неподвижно установлены на валах 6. Крутящие моменты от нескольких колес 25 складываются с помощью валов 6 и муфт 7. Валы 6 и муфты 7 передают суммарный крутящий момент ротору генератора 8.
Ориентация относительно ветра может осуществляться за счет разворачивания или сворачивания тканевых полос 16 на одной из сторон мачты 1 и изменением положения относительно ветра рулей 4, за счет увеличения или уменьшения сопротивления создаваемого рулями 4 и тканевыми полосами 16 потокам ветра.
Возможность разворачивать и сворачивать тканевые полосы 16 защищает ветряной электрогенератор от избыточных ветровых нагрузок.