ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к области возобновляющихся источников энергии, а именно к ветроэнергетическим установкам.
Известен ветродвигатель с вертикальным валом и плоскими лопастями, ориентация которых меняется в зависимости от направления ветра [Алиев А.С., Челябов И.М., Чумаков С.А. Устройство для преобразования энергии текучей среды. Патент RU №4897566, F03D 3/00, 1990 г.].
Для изменения ориентации лопастей используется диск с профильной поверхностью, кинематически связанный с флюгером. Лопасти имеют горизонтальные оси вращения, в корневой части которых установлены катки, которые взаимодействуют с профильной поверхностью диска и изменяют ориентацию лопастей. Лопасти, которые создают положительный момент вращения на вертикальном выходном валу, ориентируются перпендикулярно ветру. Остальные лопасти принимают горизонтальное положение и не препятствуют вращению ветроколеса.
Известный ветродвигатель имеет сложную конструкцию, и в нем не предусмотрена синхронизация скорости вращения выходного вала при изменении скорости ветра.
Известен также ветродвигатель [Алиев А.С. Ветродвигатель. Патент RU №4915384, F03D 3/00, 1993 г.], в котором предусмотрена синхронизация скорости вращения выходного вала, который может быть указан в качестве прототипа данного технического решения.
В прототипе высота профильного диска меняется в зависимости от скорости ветра и регулирует эффективную площадь лопасти. Чем больше скорость ветра, тем меньше эффективная площадь лопастей. При этом лопасти устанавливаются под углом к горизонтальной плоскости.
Недостатком прототипа является сложность конструкции ветродвигателя, связанная со сложностью конструкции узла взаимодействия флюгера с профильным диском и изменением эффективной площади лопастей.
Технической задачей данного изобретения является упрощение конструкции ветродвигателя.
Данная техническая задача решается путем разработки принципиально новой конструкции ветроэнергетической установки, которая содержит ветроколесо с вертикальным валом, нижний конец которого снабжен конической парой шестерен, ведомая из которых установлена на входном валу мультипликатора, сообщенного с гидронасосом, выход которого подключен к гидромотору, приводящему во вращение электрогенератор, при этом ветроколесо выполнено в виде жесткого каркаса, образованного из N-го количества веерообразных горизонтальных ребер, установленных эквидистантно в N-е количество ярусов, периферийные концы ребер соединены друг с другом соответствующими вертикальными ребрами, а на каждом горизонтальном ребре, кроме нижнего яруса, шарнирно установлены плоские лопасти с возможностью свободного поворота на 90 градусов и прижатия к соответствующим нижним горизонтальным ребрам. На валу гидронасоса установлены маховик и ступица обгонной муфты, обойма которой взаимодействует с выходным валом мультипликатора. Кроме того, горизонтальные ребра выполнены полыми и наполовину заполнены жидкостью.
На фиг.1 представлен вид сбоку на конструкцию ветроэнергетической установки, где:
1 - упорная втулка;
2 - ось вращения;
3 - вертикальный вал;
4 - горизонтальные ребра;
5 - вертикальные ребра;
6 - шарниры;
7 - лопасти левые;
8 - лопасти правые;
9 - ведущая и ведомая конические шестерни;
10 - мультипликатор;
11 - маховик;
12 - гидронасос;
13 - гидромотор;
14 - электрогенератор;
15 - подставка.
На фиг.2 представлен вид сверху на конструкцию ветроколеса, где позиции 2-8 те же, что на фиг.1.
Принцип работы ветроэнергетической установки заключается в следующем.
Ветроэнергетическая установка состоит из ветроколеса, вращающегося вокруг вертикальной оси 2, установленной на опорной втулке 1. Каркас ветроколеса состоит из вертикальной стойки 3, к которой через равные промежутки веерообразно приварены N-e количество горизонтальных ребер 4. В данной конструкции N=6 (см. фиг.2). Периферийные концы горизонтальных ребер связаны друг с другом вертикальными ребрами 5. Горизонтальные ребра 4 установлены по одной вертикали в N-e количество ярусов. На фиг.2 количество ярусов равно четырем. Таким образом, неподвижно связанные со стойкой 3 горизонтальные 4 и вертикальные 5 ребра образуют жесткий каркас ветроколеса, подобный "беличьему колесу". Ветроколесо установлено на вертикальной оси 2 с возможностью свободного вращения. Это возможно обеспечить с помощью радиально-упорных подшипников, установленных на оси вращения 2.
К каждому горизонтальному ребру 4, кроме нижнего яруса, на шарнирах 6 подвешены плоские прямоугольные лопасти 7 и 8. Лопасти должны иметь возможность свободного поворота на 90 градусов вокруг соответствующих горизонтальных ребер. Лопасти должны быть достаточно легкими, чтобы под воздействием ветра на правой половине их траектории вращения принимали горизонтальное положение. При таком положении лопасти не создают отрицательный момент при их движении против ветра (см. фиг.2). На левой половине траектории движения лопасти 7 опускаются вниз и прижимаются к соответствующим нижним горизонтальным ребрам. Вертикально ориентированные левые лопасти 7 под воздействием ветра создают положительный момент вращения вала 3 ветроколеса. Этот момент равен
M=S×P×R×cosα.
Где: Р - сила давления ветра, S - площадь лопасти, R - расстояние от центра лопасти до оси вращения ветроколеса, α - угол между направлением ветра и рычагом R (прямая, соединяющая центр лопасти с осью вращения), α меняется от 0 до 180 градусов. Средний момент за полупериод вращения лопасти равен
M=0.6×S×P×R.
В отличие от прототипа в данной конструкции отпадает необходимость во флюгере. Граница раздела активного и пассивного участков траектории движения лопасти в данной конструкции автоматически меняется при изменении направления ветра.
Вертикальный вал 3 каркаса ветроколеса является выходным валом ветроэнергетической установки. На нижнем конце вала неподвижно установлена ведущая коническая шестерня 9. Ведомая коническая шестерня 10 установлена на входном валу мультипликатора 11, которая повышает скорость вращения вала до номинальной скорости вращения гидронасоса 13. Для повышения синхронности на выходном валу мультипликатора 11 может быть установлен маховик 12. Выходной вал мультипликатора соединен с валом гидронасоса 13. Выход гидронасоса подключен к гидромотору 14, который приводит во вращение электрогенератор 15. Мультипликатор, гидронасос, гидромотор и электрогенератор установлены на подставке 16. Для увеличения выходной мощности установки можно параллельно включить N-e количество ветроэнергетических установок, каждый модуль которых выполнен по конструкции, представленной на фиг.1 и 2. Выходы гидронасосов подключаются к единой гидромагистрали, излишнее давление в которой вытравливается. К стабилизированному давлению масла подключается гидромотор 14, который приводит во вращение электрогенератор 15. Они должны быть рассчитаны на суммарную мощность ветроэнергетической установки.
Для синхронизации скорости вращения ветроколеса горизонтальные ребра должны быть полыми. Полости горизонтальных ребер заполняются наполовину жидкостью, например водой, или круглыми шариками из стекла или металла.
При увеличении скорости вращения ветроколеса под воздействием центробежных сил жидкость или шарики перемещаются к периферии. Это приводит к перемещению центра масс заполняемой среды и увеличению радиуса вращения, что способствует снижению скорости вращения.
Синхронизация скорости вращения ветроколеса основана на законе сохранения момента импульса
Jω=const
0
0
1
1
2
J×ω=J×ω, где J - момент инерции, равный ½ mR, где ω - угловая скорость вращения ветроколеса.
1
1
1
При повышении скорости вращения ветроколеса под воздействием центробежных сил жидкость или шарики перемещаются к периферии. Это приводит к увеличению радиуса вращения К и, следовательно, к увеличению момента инерции J. В соответствии с законом сохранения момента импульса увеличение J приводит к увеличению угловой скорости вращения ветроколеса ω. Таким образом происходит синхронизация скорости вращения ветроэнергетической установки.
Конструкция ветроэнергетической установки позволяет использовать ее и для преобразования энергии реки, а также энергии потока газа и нефти в магистральных газопроводах и нефтепроводах в электрическую энергию. Для установки в реке позиции 3-8 должны быть погружены в реку. А позиции 9-16 должны быть в надводном положении. Для этого установка должна быть установлена на понтонах, обеспечивающих ее положительную плавучесть, или она должна быть подвешена над рекой.
При использовании установки в магистральных газопроводах и нефтепроводах позиции 3-8 должны быть установлены внутри герметичной камеры, через которую пропускается ответвленный поток газа или нефти. Вал 3 пропускается наружу через сальник. Позиции 9-16 устанавливаются вне магистральной трубы.