ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РОТОРОМ

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а точнее, к техническим средствам для преобразования кинетической энергии ветра во вращательное движение вала с последующим превращением его в электрическую энергию, и может быть использована в ветроэнергетических установках для электроснабжения потребителей в бытовой, сельскохозяйственной и промышленной сферах в качестве альтернативного источника энергии.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая многолопастное ветроколесо велосипедного типа, установленное на башне на двух опорах эксцентрично относительно вертикальной оси поворота башни. Цельноповоротная башня перемещается по кольцевой направляющей и устанавливается «на ветер» с помощью хвоста с поворотным подпружиненным планом. Вращательный момент передается от внешнего обода ветроколеса через фрикционный ролик с пневматической шиной на вал генератора, который закреплен на башне. В конструкции этой ветроэнергетической установки предусмотрена проточная система охлаждение генератора и устройство для изменения углов установки лопастей [см. патент США №4330714 по классу F03D 7/04 опубликованный 18.05.82 г.].
Основным недостатком этой ветроэнергетической установки является значительный ее вес и большие габаритные размеры, что обусловлено использованием в качестве ветроприемного устройства ветроколеса велосипедного типа, а также спецификой конструкции поворотного узла головки ветродвигателя, которая заключается в следующем. Горизонтальная ось вращения ветроколеса закреплена на двух опорах, выполненных в виде наклонных мачт, одна из которых расположена непосредственно перед ветроколесом. Передняя и задняя опоры ветроколеса вместе образуют объемную ферменную конструкцию значительных габаритных размеров. Вследствие этого возникает техническая необходимость использования в качестве поворотного узла целую платформу, выполненную в виде кольцевой направляющей значительного диаметра. Использование кольцевой направляющей значительных размеров вызвано также тем, что ветроколесо установлено эксцентрично относительно вертикальной оси поворота башни. Именно большой диаметр кольцевой направляющей позволяет уменьшить изгибающий момент, возникающий от ветроколеса во время давления на него воздушного потока. Следовательно, большие габаритные размеры установки обусловлены несовершенством ее конструкции. Следует также отметить, что система охлаждения электрического генератора тоже имеет сложную конструкцию, поскольку генератор установлен на поворотной
части платформы, в результате чего, вращается вместе с опорами во время поворота ветроколеса «на ветер». Это вызывает техническую необходимость принимать меры, исключающие спутывание охлаждающих трубопроводов. Таким образом, использование двухопорного эксцентрично установленного ветроколеса велосипедного типа, а также размещения электрогенератора на поворотной части башни ветродвигателя, в совокупности, приводит к значительному увеличению габаритов и веса известной ветроэнергетической установки, а также к неравномерности давления ветрового потока на ветроколесо из-за частичного его «затенения» передней опорой, расположенной перед ветроколесом.
Этот недостаток устранен в ветроэнергетической установке, содержащей ветроколесо крыльчатого типа с поворотными лопастями, консольные концы которых связаны с центральной втулкой ветроколеса с помощью растяжек. Поворотная головка с ветроколесом установлена на вершине вертикальной башни. Вращающий момент передается из вала ветроколеса через коническую пару и карданный вал на вертикальный вал и, дальше, к фундаменту башни на электрогенератор. Установка ветроколеса «на ветер» осуществляется за помощью хвоста, который установлен на подшипниковых опорах для предупреждения поперечных колебаний. В конструкции установки предусмотрен механизм принудительного складывания хвоста относительно вертикальной оси башни для вывода ветроколеса из-под ветра при его буревых скоростях [см. патент США №43705610 по классу F03D 7/04 опубликованный 13.09.83 г.].
Одним из существенных недостатков известной ветроэнергетической установки является то, что ее работа вызывает значительный аэродинамический шум, появление которого обусловлено наличием растяжек впереди лопастей ветроколеса. К тому же, указанные растяжки нарушают ламинарность воздушного потока, непосредственно перед ветроколесом, а турбулентный поток, как известно, снижает эффективность работы ветроприемного устройства - его мощность снижается, поскольку давление воздуха на лопасти уменьшается и становиться неравномерным.
Вторым недостатком этой ветроэнергетической установки является достаточно низкий коэффициент использования энергии воздушного потока. Наличие этого недостатка поясняется следующим. Во-первых, поскольку вал ветроколеса расположен горизонтально, а электрогенератор расположен возле фундамента башни, то для передачи вращающего момента от вала ветроколеса к электрогенератору используется коническая пара, карданный вал и вертикальный для изменения направления вращения (с горизонтального на вертикальное). Но передача механической энергии через коническую пару неэффективна, по меньшей мере, из-за низкого коэффициента полезного действия зубчатых конических передач и высокого коэффициента
трения в конической паре, которая, к тому же, при больших скоростях вращения, создает значительный шум.
Этот недостаток, а точнее, необходимость изменения направления вращательного момента, а также недостаток, указанный раньше, а именно, необходимость поворота головки «на ветер», являются общими почти для всех ветроэнергетических установок такого типа, то есть установок с лопастными ветроколесами с горизонтальным валом вращения. Именно такие установки имеют достаточно сложные узлы поворота головки и узел изменения направления вращательного момента, что существенно усложняет их конструкцию, увеличивает габариты и снижает эксплуатационные характеристики, в частности, надежность, коэффициент использования энергии ветра и увеличивает стоимость.
Потому получили распространение ветроэнергетические установки второго типа, которые объединяет то, что они имеют вертикальный вал вращения ветроприемного устройства, в качестве которого могут быть использованные разные конструкции ротора Дарье, ортогональные роторы, роторы Савониуса и обычные многолопастные вертикальные роторы.
Что касается роторов Дарье и ортогональных роторов, то их нужно сначала разогнать до минимальной скорости вращения. Для этого их электрогенераторы, обычно, сначала работают в режиме электродвигателя для разгона ротора, а лишь затем их переключают в режим электрогенератора для выработки электроэнергии. Эта особенность таких ветроэнергетических установок снижает их эффективность, требует определенного обслуживания, а учитывая достаточно высокую конструктивную сложность самого ротора (они имеют аэродинамические профили лопастей), такие ветроэнергетические установки пока не находят широкого распространения.
Среди ветроэнергетических установок с вертикальным валом вращения ветроприемного устройства, в котором лопасти также расположены вертикально, наиболее широкое применение на практике находят установки, в которых ветроприемник выполненный в виде ротора Савониуса или с обычными радиальными лопастями.
Но у всех ветроэнергетических установок с вертикальным ротором есть одна проблема, сущность которой заключается в следующем. Набегающий воздушный поток создает определенное давление на весь ротор, но только лишь одна часть лопастей создает вращающий момент на валу, то есть те лопасти, которые находятся с одной стороны от оси ротора, поскольку лопасти, находящиеся с другой стороны от оси, двигаются навстречу ветру и оказывают сопротивление вращению ротору. Потому эту часть ротору закрывают или «затеняют» различными дополнительными устройствами.
Например, известна ветроэнергетическая установка с вертикальным ротором, содержащим установленное на вертикальном валу ветроколесо, выполненное в виде цилиндрического обода, на внешней поверхности которого радиально закреплены лопасти, и расположенный коаксиально ему направляющий аппарат, выполненный в виде лопаток, закрепленных неподвижно и расположенных относительно ветроколеса таким образом, что их проекции на плоскость сечения ветроколеса по диаметру перекрывают друг друга [см. патент Украины №7315 по классу F03D 1/04 опубликованный 30.06.95 г.].
Основным недостатком этой ветроэнергетической установки является несовершенство конструкции ее направляющего аппарата. Этот недостаток обусловлен наличием в аппарате большого количества лопаток, что увеличивает трудоемкость его изготовления, а расположение этих лопаток под определенным углом увеличивает диаметр ветроприемника на 20%, что приводит к увеличению его габаритов по диаметру и веса в целом. Учитывая, что ротор обычно устанавливают на мачте, увеличение его веса и габаритов, вынуждает использовать более прочную мачту, поскольку возрастает непропорционально изгибающий момент и сопротивление воздушному потоку. Поэтому дальнейшее совершенствование ветроэнергетических установок такого класса пошло по пути уменьшения направляющего аппарата за счет принципиального изменения его конструкции.
Так, например, известна ветроэнергетическая установка с вертикальным ротором, в качестве которого используется ротор Савониуса с вертикальной осью вращения, изготовленный в виде вертикального вала с вертикальными лопастями, причем ротор выполнен двухсекционным с одинаковым направлением вращения каждой секции, а также ротор расположен в центре поворотного цилиндрического концентратора-дефлектора с окнами на боковой поверхности, выполненными симметрично и с углом раскрытия 80-110°, а сам концентратор-дефлектор размещен между верхним и нижним концентраторами ветрового потока, выполненными в виде усеченных конусов с острым углом, которые соединены между собой жесткими вертикальными опорами, расположенными на платформе, а на верхнем концентраторе ветрового потока установлен прибор ориентации по ветру, кинематически связанный с поворотным концентратором-дефлектором [см. патент Украины №35530 по классу F03D 3/00, F03D 3/06 опубликованный 15.03.2001 г.].
Основным недостатком этой ветроэнергетической установки является ее малая установочная мощность, что связано с невозможностью увеличения размеров ротора такого типа (Савониуса). Это обусловлено, по меньшей мере, двумя обстоятельствами. Во-первых, лопасть Савониуса имеет сложный профиль, что вызывает определенные трудности в его изготовлении больших размеров, в частности, большой длины. Именно по этой причине авторы
известной ветроэнергетической установки делают его многосекционным (для уменьшения длины одной лопасти). Также, при изготовленные такой сложнопрофильной лопасти значительной ширины, необходимо использовать нестандартное оборудование. Более того, установки с малым количеством лопастей Савониуса (а их в известной установке всего две), как известно, относятся к быстроходным. Если ротор Савониуса такой установки сделать большим (для увеличения мощности, которая зависит непосредственно от размеров ротора), то непропорционально растет центробежная сила, которая может разорвать ротор, то есть чрезмерное увеличение размеров ротора делает установку опасной. Потому ветроэнергетические установки с ротором Савониуса всегда имеют небольшой размер, что не позволяет получать от них большой мощности. Поскольку сегодня, даже индивидуальный потребитель, нуждается в большом энергоснабжении из-за наличия в собственности мощной бытовой и другой техники, известная ветроэнергетическая установка, из-за небольшой мощности, не привлекательна для приобретения, а это означает, что она нецелесообразна для изготовления в серийном производстве. Указанный недостаток устраняется в ветроэнергетических установках с многолопастными роторами с вертикальной осью вращения различных конструкций.
Наиболее близкой по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемой за прототип, является ветроэнергетическая установка с вертикальным ротором, в которой ротор выполнен в виде двух соосных цилиндров с большим количеством вертикальных пластинчатых лопастей, закрепленных на них с постоянным шагом перпендикулярно радиусу, причем оба цилиндра имеют общую ось вращения, благодаря которой вращаются вместе в одну сторону, а также вал вращения цилиндров связан с электрогенератором через механический повышающий редуктор. В качестве электрогенератора используется обычный электродвигатель постоянного тока. Эта установка имеет секционное направляющее устройство, которое состоит из двух жестко соединенных между собой сегментных обечаек, с одинаковыми направленными углами, которые охватывают ротор и связанны с флюгерным планом, служащим для ориентации направляющего устройства по ветру [см. патент Германии №3734106 по классу F03D 3/06 опубликованный 27.04.1989 г.].
Основным недостатком известной ветроэнергетической установки является то, что она модулирует низкочастотную вибрацию, которая, как известно, опасна для человека, причем указанная вибрация возникает, невзирая на присутствие или отсутствие направляющего устройства любой конструкции, поскольку ее появление обусловлено работой самого ротора. При этом не имеет значения, какой ротор используется: ротор Савониуса, или многолопастный ротор. Это связано с тем, что ветровой поток нагружает лопасть по-разному, в зависимости от угла ее наклона к ветровому потоку. Поскольку лопасти постоянно вращаются вокруг
вала, то они, естественно, каждое мгновение оказываются под разным углом к направлению воздушного потока. При этом одна часть потока толкает лопасть, а вторая составляющая давления действует по направлению к валу, вызывая в нем появление изгибающего момента, из-за которого вал постоянно находится в циклическом режиме изгибающей нагрузки, что и вызывает появление низкочастотной вибрации. Амплитуду колебаний вала можно снизить путем увеличения количества лопастей, но это не устраняет саму вибрацию. Циклические колебания вала быстро приводят к усталости металла, из которого он изготовлен, что уменьшает ресурс безопасной работы ветроэнергетических установок роторного типа. Следовательно, вторым недостатком известной ветроэнергетической установки является ограниченность ресурса ее безопасной эксплуатации из-за возможности поломки вала, что, в свою очередь, вызывает необходимость постоянного контроля технического состояния установки, связанного со сложным измерением изменения свойств металла вала. Все перечисленные недостатки делают известную ветроэнергетическую установку опасной, особенно при порывах ветра и при буревых ветрах, неудобной в эксплуатации.
В основу полезной модели поставлена задача повышения срока безопасной эксплуатации ветроэнергетической установки роторного типа с одновременным устранением низкочастотной вибрации за счет создания уравновешивающих колебаний давления одинаковых по величине, но противоположных по знаку (по направлению действия) путем изменения направления вращения одного из двух цилиндров ротора на противоположный.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в ветроэнергетической установке с вертикальным ротором, в которой ротор выполнен в виде двух соосных цилиндров с большим количеством вертикальных пластинчатых лопастей, установленных с постоянным шагом, а также вал вращения ротора связан с электрогенератором через механический повышающий редуктор, согласно с предложению, указанные цилиндры вращаются в противоположных направлениях, для чего в нижнем цилиндре лопасти повернуты на угол, противоположный углу установки лопастей в верхнем цилиндре, а также вал нижнего цилиндра выполнен пустотелым и сквозь него пропущен вал верхнего цилиндра, связанный через редуктор с электрогенератором. Благодаря противоположному направлению вращения цилиндров ротора появляется возможность отказаться от механического повышающего редуктора, поскольку относительная скорость вращения цилиндров возрастает в два раза и ее достаточно для работы электрогенератора без механического редуктора, если ротор генератора присоединить к валу одного цилиндра, а статор генератора присоединить к валу другого цилиндра. Это позволяет повысить коэффициент использования энергии ветрового потока установкой. Благодаря противоположному направлению вращения цилиндров ротора, возможен и другой
вариант получения электрического тока: к валу каждого цилиндра подключить независимый электрогенератор, и именно так удовлетворять потребности одновременно двух потребителей. Кроме того, для упрощения конструкции генератора, его ротор (или статор) можно выполнить в виде набора радиальных парных постоянных магнитов, установленных с чередующейся магнитной полярностью в осевом направлении, а статор (или ротор) - в виде набора такого же количества ферромагнитных сердечников с катушками индуктивности, выводы которой соединены согласно-последовательно.
Поскольку оба цилиндра отличаются один от другого лишь углом установки лопастей, то они уравновешивают друг друга при вращении и компенсируют изгибающий момент на валу, что позволяет эксплуатировать установку при любой силе ветра без вибраций. Кроме того, вращение цилиндров в разных направлениях позволяет расширить технические возможности установки в целом путем отказа от механического редуктора, или использовать одновременно два электрогенератора, пусть и с механическими редукторами: при этом все равно коэффициент использования энергии ветра возрастает.
Дальнейшая сущность полезной модели объясняется иллюстрационным материалом, на котором изображено следующее: фиг.1 - общий вид сбоку на предлагаемую ветроэнергетическую установку. Вариант, когда нижний цилиндр не используется для выработки энергии, а только стабилизирует работу установки; фиг.2 - сечение верхнего цилиндра ротора; фиг.3 - сечение нижнего цилиндра ротора; фиг.4 - общий вид сбоку на предлагаемую ветроэнергетическую установку. Вариант, когда нижний цилиндр используется отдельно для выработки энергии; фиг.5 - общий вид сбоку на предлагаемую ветроэнергетическую установку. Вариант, когда верхний цилиндр связан с ротором, а нижний цилиндр - со статором; фиг.6 - схема предлагаемого электрогенератора, вид сверху.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка содержит опорную ферму 1, на которой вертикально установлен многолопастный ротор, состоящий из соосных верхнего цилиндра 2 и нижнего цилиндра 3. Указанные цилиндры 2 и 3 имеют одинаковую конструкцию и состоят из торцевых колец 4, между которыми вертикально расположены пластинчатые вогнутые лопасти 5. Лопасти 5 установлены с постоянным шагом и под определенным углом. Каждый из цилиндров 2 и 3 имеют одинаковое количество одинаковых по размерам лопастей 5, а также они на обоих цилиндрах 2 и 3 установленные с одинаковым шагом и под одинаковым углом. Разница лишь в том, что в нижнем цилиндре 3 лопасти 5 повернуты на угол, противоположный углу, под которым лопасти 5 установлены на верхнем цилиндре 2, что и обеспечивает вращение цилиндров 2 и 3 в противоположных направлениях. Благодаря этому, изгибающие силы, возникающие во время вращения верхнего цилиндра 2, полностью компенсируются
изгибающими силами, возникающими во время вращения нижнего цилиндра 3, поскольку изгибающие силы, возникающие в обоих цилиндрах 2 и 3 абсолютно одинаковы по величине, но абсолютно противоположны по направлению действия, и поэтому полностью и уравновешиваются.
Вертикальный вал 6 вращения нижнего цилиндра 3 выполнен пустотелым (трубчатым, полым) и сквозь него проходит вертикальный вал 7 верхнего цилиндра 2, что обеспечивает соосность обоих цилиндров 2 и 3 и вращение независимо друг от друга. Вертикальный вал 7 верхнего цилиндра 2 связанный с электрогенератором 8 через механический повышающий редуктор, который схематически изображен в виде зубчатой передачи 9. В этом варианте исполнения ветроэнергетической установки нижний цилиндр 3 не используется для выработки энергии, поскольку не связан с электрогенератором 8. В этом случае он предназначен лишь для стабилизации работы установки (фиг.1).
Поскольку нижний цилиндр 3 вращается независимо от верхнего цилиндра 2, он может быть самостоятельно снабжен аналогичным электрогенератором 8 и связанный с ним через аналогичную зубчатую передачу 9. В этом варианте исполнения ветроэнергетической установки нижний цилиндр 3 уже используется одновременно и для выработки электроэнергии и для стабилизации работы установки (фиг.4). В этом случае одна ветроэнергетическая установка может удовлетворять потребности уже двух потребителей, или одного с удаленными источниками энергопотребления.
Вращение цилиндров 2 и 3 в разных направлениях позволяет отказаться от механического повышающего редуктора, поскольку относительная скорость вращения цилиндров 2 и 3 возрастает в два раза и такой скорости уже достаточно для работы электрогенератора 8 без механического редуктора. Для этого ротор электрогенератора 8 присоединяют, например, к вертикальному валу 7 верхнего цилиндра 2, а статор электрогенератора 8 - к вертикальному валу 6 нижнего цилиндра 3 (фиг.5).
Во всех перечисленных вариантах исполнения установки один из цилиндров 2 или 3 всегда выполняет функцию стабилизатора ее работы, а в последних двух вариантах выполнения - еще и повышается коэффициент использования энергии ветра, поскольку нижний цилиндр 3 также принимает участие в выработке электроэнергии.
Для упрощения конструкции электрогенератора 8, его ротор 10 можно выполнить в виде набора радиальных парных постоянных магнитов 11, установленных с чередованием магнитной полярности в осевом направлении, а статор 12 - в виде набора такого же количества ферромагнитных сердечников 13 с катушками индуктивности 14, выводы которых соединены согласно-последовательно для суммирования их электродвижущий силы.
Дальнейшая сущность полезной модели поясняется совместно с принципом работы предложенной ветроэнергетической установки при оснащении ее электрогенератором 8 магнитной конструкции, о которой сказано выше, поскольку работа с обычным электрогенератором 8 или двигателем постоянного тока хорошо известна и неоднократно описана.
Ветровой поток обдувает лопасти 5 верхнего цилиндра 2 и нижнего цилиндра 3. Под воздействием давления воздуха цилиндры 2 и 3 вращаются в противоположных направлениях и превращают кинетическую энергию ветра во вращательное движение вертикальных валов 6 и 7, которые также вращаются в противоположных направлениях. Вращение отмеченных узлов установки в противоположных направлениях полностью устраняет низкочастотную вибрацию и стабилизирует работу установки. Поскольку один или оба вертикальных вала 6 и 7 связаны с электрогенератором 8, последний производит электрический ток, который поступает к потребителям. Если электрогенератор 8 выполнен в виде набора магнитов, то он работает следующим образом. Вращающий момент от вертикального вала 7 передается к ротору 10 с закрепленными на его лучах постоянными магнитами 11, например, керамическими или ферритовыми. Магниты 11 на основе феррита имеют широкое распространение, из-за их низкой стоимости и достаточно простой технологии изготовления. Поскольку постоянные магниты 11 на диаметрально противоположных лучах имеют ярко выраженную разноименную полярность, образуется мощное магнитное поле возбуждения, которое замыкается на ферромагнитные сердечники 13, радиально закрепленные на статоре 12. При этом образуется магнитная цепь возбуждения с минимальным магнитным сопротивлением. При вращении магнитное поле возбуждения, образованное постоянными магнитами 11, пересекает катушки индуктивности 14 и наводит в них электродвижущую силу. Поскольку катушки индуктивности 14 соединены согласно-последовательно, возникающая них электродвижущая сила суммируется и передается дальше потребителю в качестве источника электроэнергии.
Существенное отличие заявляемого технического решения, от ранее известных, заключается в том, что ротор ветроэнергетической установки выполнен в виде двух цилиндров одинаковой, но зеркально отображенной конструкции, вращающихся в противоположных направлениях, вертикальные валы которых, один или оба, связаны с электрогенератором, выполненным в виде набора магнитов. Указанные отличия, в совокупности, позволяют стабилизировать роботу установки независимо от силы ветра и устранить низкочастотную вибрацию, а благодаря противоположным направлениям вращения цилиндров, расширить варианты получения электрической энергии с одновременным повышением коэффициента использования энергии ветра. Ни одна из известных ветроэнергетических установок роторного типа не могут обладать отмеченными свойствами, поскольку их роторы либо сплошные, либо
секционные, но вращаются в одну сторону, что вообще не позволяет получить указанные свойства. При этом сущность предложения не изменяется при использовании направляющих или «затеняющих» устройств и электрогенераторов любой известной конструкции, поскольку принцип, на котором осуществляется стабилизация работы, гашение вибраций и расширения технических возможностей посредством увеличение вариантов использования, от этого не зависит и всегда сохраняется.
К техническим преимуществам предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:
- повышение срока эксплуатации за счет уменьшения усталости металла из-за уменьшения циклической нагрузки на узлы установки;
- устранение низкочастотной вибрации за счет компенсации давления, действующего на лопасти одного цилиндра, давлением, действующим на лопасти второго цилиндра;
- упрощение конструкции за счет использования многолопастных цилиндров с простыми лопастями;
- расширение технических возможностей за счет возможности использования каждого цилиндра как отдельного источника энергии;
- стабилизация работы установки за счет противоположного вращения цилиндров;
- упрощение конструкции электрогенератора за счет использования в нем постоянных магнитов и катушек индуктивности для создания электродвижущей силы.
Социальный эффект от внедрения полезной модели, по сравнению с использованием прототипа, получают за счет повышения безопасности установки, как для пользователей, так и для окружающей среды за счет снижения низкочастотной вибрации и за счет снижения вероятности разрушения узлов установки, а также получения одновременно двух источников электроснабжения.
Экономический эффект от использования предложенной ветроэнергетической установки, в сравнении с прототипом, получают за счет снижения стоимости установки в результате упрощения конструкции лопастей, уменьшение стоимости электрогенератора и исключения (в некоторых вариантах) механического редуктора.