ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение предназначено для ветроэнергетики и может широко использоваться в установках для выработки электрической или механической энергии.
Известна ветроэнергетическая установка, включающая станину, рабочий агрегат-ротор с лопастями и генератор электрического тока, дополнительно снабжена размещенными на платформе передними и боковыми ветрозаборниками, а также устройством ориентации последних относительно ветропотока. При этом платформа выполнена с возможностью вращения относительно станины.
Патент РФ на изобретение №2169289, МКИ F03D 3/00; дата публ. 2001.01.10.
Известен ветродвигатель, содержащий ветроколесо с вертикальной осью вращения, снабженное не менее чем тремя ветровоспринимающими элементами, скрепленными с радиальными траверсами, закрепленными на вертикальной оси вращения перпендикулярно ей, при этом внешние концы траверс оперты на кольцевую опору, кроме того, ветроколесо установлено с возможностью взаимодействия с генератором электрической энергии.
Патент РФ на изобретение №2283968, MКИ F03D 3/00, дата публ. 2006.09.20.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является ветряной генератор, содержащий приводные лопасти с аэродинамическими поверхностями и генерирующий узел, включающий ротор с постоянными магнитами и вращающийся корпус с обмотками, причем постоянные магниты укреплены на одной из приводных лопастей и взаимодействуют они с обмотками, установленными на другой приводной лопасти, при этом обмотки лопасти связаны с неподвижно установленными токосъемниками.
Патент РФ на ПМ №80516, MКИ F03D 3/00, дата публ. 2009.02.10.
Современные вертикально-осевые ВЭУ состоят из четырех основных частей: рабочих лопастей, воспринимающих энергию ветропотока; силового привода, передающего крутящий момент; генератора, вырабатывающего электроэнергию; блока управления и питания, который обрабатывает вырабатываемый генератором электрический ток.
К недостаткам конструкций приводных устройств, используемых в современных моделях вертикально-осевых ветродвигателях, относятся сложность конструкций и большая нагрузка на оси-опоры генераторов ветроэнергетических установок.
К техническому результату относятся упрощение конструкции установки, уменьшение ее габаритов и массы за счет уменьшения нагрузки на подшипники генератора и уменьшения изгибающего момента на его ось-опору.
Технический результат достигается благодаря тому, что ветроэнергетическая установка содержит установленное на мачту ветроколесо с вертикальной осью вращения. Ветроколесо снабжено рабочими лопастями, взаимодействующими с ротором-индуктором генератора. Внутренняя поверхность ротора-индуктора снабжена системой, индуцирующей магнитное поле с помощью постоянных магнитов. При этом крутящий момент от рабочих лопастей ветроколеса с помощью системы траверс и силового вала передается к генератору.
Установка содержит также блок управления.
Генератор выполнен торцевым, а статор с катушками расположен внутри генератора и закреплен на его оси-опоре. Ротор-индуктор генератора, вращающийся на подшипниках вокруг оси-опоры генератора, образован корпусом и установленными на его наружной части верхним и нижним щитами и размещен между верхними и нижними траверсами. Внутренние концы траверс с помощью элементов крепления установлены на щитах наружной части корпуса ротора-индуктора торцевого генератора. При этом силовым валом служит корпус ротора-индуктора, а величина изгибающего момента оси-опоры генератора находится в следующей зависимости:
Ми=3а·F, где
Ми - величина изгибающего момента оси-опоры;
F - сила потока ветра, воспринимаемая рабочими лопастями установки;
а - расстояние между горизонтальной плоскостью симметрии генератора и горизонтальной плоскостью симметрии одного из подшипников.
Ветроэнергетическая установка включает также блок управления.
Ветроэнергетическая установка поясняется фиг.1 и 2.
На фиг.1 - ветроэнергетическая установка с приводным устройством - схема общего вида в разрезе;
На фиг.2 - ветроэнергетическая установка с приводным устройством (схема крепления траверс к щитам корпуса ротора-индуктора генератора).
Согласно фиг.1, 2 ветроэнергетическая установка содержит траверсы 1, передающие крутящий момент от рабочих лопастей 2 ветроколеса непосредственно к щитам ротора-индуктора торцевого генератора, выполненного по обращенной схеме, то есть имеющий внешний вращающийся ротор-индуктор с возбуждением от постоянных магнитов 9, состоящий из верхнего щита 3, нижнего щита 4 и корпуса 5 и вращающийся на подшипниках 6 вокруг неподвижной оси-опоры 7 генератора. Статор 8 генератора с катушками находится внутри генератора и крепится к его оси-опоре 7. Ротор-индуктор выполнен с постоянными магнитами 9, служащими для создания магнитного поля. Ветроэнергетическая установка закреплена на мачте 10. Траверсы 1 крепятся непосредственно к щитам 3 и 4 ротора-индуктора (см. фиг.2), для чего в их центральной части рядом с подшипниками 6 установлены элементы крепления 11 внутренних концов траверс 1, причем верхние траверсы крепятся к верхнему щиту 3, а нижние траверсы - к нижнему щиту 4, то есть генератор находится между верхними и нижними траверсами, а корпус 5 ротора-индуктора торцевого генератора выполняет функцию силового вала привода установки.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом: предлагаемое устройством (см. фиг.1) выполнено по упрощенно-комбинированной схеме, при которой в силовом приводе отсутствует промежуточный силовой вал, а система траверс 1 крепится непосредственно к щитам 3 и 4 ротора-индуктора торцевого генератора, для чего в их центральной части рядом с подшипниками 6 установлены элементы крепления 11 внутренних концов траверс 1, причем верхние траверсы крепятся к верхнему щиту 3, а нижние траверсы - к нижнему щиту 4, то есть генератор находится между верхними и нижними траверсами 1, а ротор-индуктор генератора выполняет функцию силового вала привода установки.
Техническая эффективность предлагаемого решения определяется следующим образом. Основной силой, действующей на подшипники генератора и изгибающей ее ось-опору, является сила потока ветра «F», воспринимаемая рабочими лопастями ВЭУ. Сила от массы и дисбаланса не превышает 10% и поэтому в расчете не учитывается.
Задавая ориентировочно определяющие размеры силового привода, можно получить величину реакции опор подшипниковых узлов и момент, изгибающий ось-опору генератора. Результаты расчета следующие:
1. Для ВЭУ (известных из уровня техники)
- величина реакции опоры нижнего подшипника -
F×2а=Rн×2а; Rн=F,
- величина реакции опоры верхнего подшипника -
Rв=F+Rн=2 F; Rв=2 F.
- величина изгибающего момента оси-опоры -
Ми=F×(2a+2a+2a); Ми=6а·F.
2. Для ВЭУ - предлагаемого технического решения (фиг.1)
- величина реакции опор верхнего и нижнего подшипников -
Rв=Rн=0,5 F
- величина изгибающего момента оси-опоры -
Ми=F×(а+2а); Ми=3а·F.
Применение предложенной в качестве изобретения ветроэнергетической установки с приводным устройством способствует созданию легкого, надежного и простого в эксплуатации изделия, и, как доказывают расчеты, применение предлагаемого технического решения ориентировочно уменьшит нагрузку на верхний подшипник генератора в 4 раза, на нижний подшипник в 2 раза, а момент, изгибающий ось-опору, в 2 раза. Это позволяет улучшить массогабаритные характеристики установки, ее ресурс и надежность.