ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С УЗЛОМ УПРАВЛЕНИЯ ПОВОРОТОМ ЛОПАСТЕЙ
WIND-DRIVEN PLANT WITH BLADE CONTROL UNIT

Изобретение предназначено для ветроэнергетики и может широко использоваться в установках для выработки электрической или механической энергии. Известен «Ветродвигатель», включающий корпус, вал, снабженный сателлитовыми звеньями, содержащими лопасти, оси которых соединены с шестернями, эксцентрик, платформу и флюгер, связанный с кронштейном, снабженным контактными группами, при этом эксцентрик выполнен центральным, установлен на невращающемся центральном валу, расположенном горизонтально, и кинематически связан с сателлитовыми звеньями, каждое из которых содержит кривошипно-ползунный механизм, состоящий из ползуна-толкателя, с промежуточным роликом, шатуна, а также лопастной редуктор, который состоит из большой и малой цилиндрических шестерен, причем последняя выполняет и функцию кривошипа, а каждая лопасть концами своих осей опирается на кронштейны, укрепленные основаниями на цилиндрическом корпусе.
Патент РФ на изобретение №2190123, МКИ: F03D 7/06; дата публ. 2002.09.27.
Известен «Модульный ветродвигатель», содержащий ротор с вертикальной осью вращения, поворотные лопасти с симметричными профилями, вращающиеся с частотой, вдвое меньшей частоты вращения ротора, связанные для ориентации относительно направления ветра с управляющим механизмом, соединенным с флюгерным устройством, причем ротор ветродвигателя выполнен из модулей, соединенных между собой, каждый из которых состоит из корпуса с размещенным в нем управляющим механизмом, состоящим из кинематической передачи и входных и выходных валов.
Патент РФ на изобретение №2087743, MKИ: F03D 3/00, дата публ. 1997.08.20.
Известен «Ветроагрегат», содержащий ротор с вертикальной осью вращения, жестко связанный с ротором каркас, на котором установлены с возможностью вращения вокруг вертикальных осей лопасти, систему слежения за направлением ветра, связанную с лопастями с возможностью их поворота при изменении направления ветра, при этом каждая лопасть жестко связана со своей осью вращения, которая установлена в каркасе ротора и жестко связана с соответствующей конической шестерней, взаимодействующей через соответствующую пару паразитных шестерен с коническим зубчатым колесом, установленным соосно ротору.
Патент РФ на П.М. №84068, MKИ: F03D 3/00, дата публ. 2009.06.27.
Известна «Автоматически форсированная ветровая турбина», включающая неподвижную часть и подвижную часть-ротор с вертикальным валом, на плечах которого размещены поворотные лопасти и подвижные ограничители поворота лопастей, на роторе имеется устройство для вывода лопастей во флюгерное положение, при этом плечи ротора между собой усилены ребрами жесткости, а также установлены механические или электромагнитные демпферные ограничители разворота парусных лопастей ротора.
Патент РФ на изобретение №2081344, МКИ: F03D 7/06; дата публ. 1997.06.10.
Наиболее близким изобретением к предлагаемому изобретению является «Способ управления частотой вращения ротора ветродвигателя с вертикальной осью вращения и ветродвигатель для его осуществления», включающий вертикальную опору с установленном на нем ротором, состоящим из траверс, содержащий крылья с самоустановкой угла атаки. На ступице смонтирован ротор, состоящий из траверс, выполненных в виде пантографа, состоящего минимум из двух параллельных штанг, одними концами штанги шарнирно смонтированы на ступице с возможностью поворота в вертикальной плоскости, на других концах штанг шарнирно установлены консоли с крыльями. Каждое крыло имеет возможность ограниченного поворота вокруг вертикальных осей и содержит жестко установленный копир, выполненный в виде расположенной соосно оси крыла шайбе с V-образным профильным вырезом.
Патент РФ на изобретение №2364748, МКИ: F03D 3/00; дата публ. 2009.08.20.
К недостаткам вышеописанных технических решений относятся сложность конструкции ветроустановок и низкая эффективность работы установок из-за сложности регулирования углов поворота рабочих лопастей.
К техническому результату относится повышение эффективности работы установки, а именно коэффициента полезного действия установки путем использования узла управления поворотом лопастей и установкой их в оптимальное положение к направлению ветра.
Технический результат достигается благодаря тому, что ветроэнергетическая установка с узлом управления поворотом лопастей содержит генератор, имеющий вертикальную ось вращения, траверсы, поворотные лопасти, расположенные с возможностью изменения их положения относительно направления ветра. Поворотные лопасти выполнены в виде верхней и нижней полулопастей и связаны между собой валом, ось вращения которого параллельна вертикальной оси вращения генератора установки. Установка содержит также мачту и блок управления установкой. Узел управления поворотом лопастей содержит электродвигатели, связанные через редукторы с кинематическими узлами вращения вала полулопастей. Кинематические узлы выполнены в виде корпусных элементов, установленных на концах траверс. Во внутренней полости корпусных элементов с помощью подшипников размещены валы полулопастей, на каждом из которых установлен редуктор. Электродвигатели в свою очередь расположены на боковой наружной части корпусных элементов кинематических узлов. Питание электродвигателей осуществляют через токосъемник, установленный на верхнем щите генератора. Узел управления поворотом лопастей связан с блоком управления установкой, который в каждый момент движения лопастей по траектории, после обработки полученной информации об оборотах установки, скорости и направлении ветра в данный период времени, выдает сигнал оптимального углового положения лопастей относительно направления ветра.
Ветроэнергетическая установка с узлом управления поворотом лопастей поясняется фиг.1, 2, 3 и 4.
Фиг.1 - ветроэнергетическая установка с узлом управления поворотом лопастей - схема общего вида в разрезе;
Фиг.2 - ветроэнергетическая установка с узлом управления поворотом лопастей (схема движения лопастей при разгоне);
Фиг.3 - ветроэнергетическая установка с узлом управления поворотом лопастей (схема движения лопастей при торможении);
Фиг.4 - ветроэнергетическая установка с узлом управления поворотом лопастей (схема установки лопастей при остановке (положение «флюгер»).
Согласно фиг.1, 2, 3 и 4 ветроэнергетическая установка с узлом управления поворотом лопастей содержит генератор 1, имеющим вертикальную ось вращения, траверсы 2, поворотные лопасти 3, расположенные с возможностью изменения их положения относительно направления ветра, мачту 4, а также блок управления установкой 5. Лопасти 3 выполнены из верхней и нижней полулопастей, связанных между собой валом 6, который вращается с помощью подшипников 7, установленных в корпусах 8 кинематического узла вращения вала 6 полулопастей. Корпусный элемент 8 в свою очередь крепится к траверсам 2 между верхней и нижней полулопастью. Ось вращения валов 6 параллельна оси вращения установки. Рабочие лопасти 3 механически и газодинамически отбалансированы до безразличного состояния относительно своей оси вращения. Их профиль имеет две взаимно перпендикулярные плоскости симметрии. Вращение рабочих лопастей 3 на заданное угловое положение в каждый момент движения обеспечивают электродвигатели 9, связанные с кинематическими узлами редукторами 10, каждый из которых установлен внутри корпусного элемента 8 кинематического узла на валу 6, соединяющем полулопасти. Электрический ток, питающий электродвигатели 9, подводится через токосъемник 11, находящийся на верхнем щите генератора 1. Величину оптимального углового положения рабочей лопасти 3 относительно направления ветра в каждый момент движения по траектории определяет блок управления 5, получая информацию об оборотах генератора 1 установки, скорости и направлении ветра и выполняя требуемые технические параметры установки. Принцип работы ветроэнергетической установки с узлом управления поворотом рабочих лопастей состоит в том, что возможность устанавливать лопасти 3 в оптимальное угловое положение в каждый момент движения на любом режиме работы установки обеспечивает получение максимально высокого КПД и надежную ветрозащиту. Главным исполнителем этого действия является блок управления 5, получающий и обрабатывающий непрерывно информацию об оборотах установки, скорости и направлении ветра. В его память заложены величины оптимальных углов установки лопастей для каждой ситуации. Его задача оперативно и точно командовать электродвигателями поворота лопастей.
Фактически используются четыре основных режима работы:
1 режим - режим запуска установки. Он может начинаться при скорости ветра 3…5 м/сек. Лопасти из положения «остановка» (положение «флюгер») (см. фиг.4) переводятся в положение «разгон» (см. фиг.2).
2 режим - режим рабочий. Лопасти находятся в режиме «разгона» (см. фиг.2) при полной нагрузке генератора для фактической скорости ветра или периодически переходят на режим «торможения» (см. фиг.3), если нагрузка на генератор уменьшается или нужны постоянные обороты генератора.
3 режим - режим ветрозащиты. Когда скорость ветра превышает допустимый предел (20…25 м/сек), лопасти переводят в положение «остановка» (см. фиг.4), а если обороты генератора превысят допустимый предел, лопасти переводятся в положение «торможение» (см. фиг.3).
4 режим - режим остановки. Он может быть вынужденным или необходимым. Лопасти переводятся сначала в положение «торможение» (см. фиг.3), а потом в положение «остановка» (см. фиг.4).
Применение управляемых лопастей обеспечивает ветроэнергетической установке максимально возможный КПД и надежную ветрозащиту. Наиболее перспективно применение данного изобретения для ВЭУ средней и большой мощности.