ВЕТРОАГРЕГАТ С СИСТЕМОЙ ОРИЕНТАЦИИ И ОГРАНИЧЕНИЯ МОЩНОСТИ ВЕТРОТУРБИНЫ
WIND-POWER UNIT WITH WIND TURBINE ORIENTATION AND POWER LIMITATION SYSTEM

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для энергоснабжения бытовых и производственных потребителей энергии.
Известны ветроэнергетические агрегаты с горизонтальной осью вращения ветротурбины, ограничение мощности в которых при возрастании скорости ветра сверх установленной величины осуществляется выводом ветротурбины из под ветра с помощью жестко связанной с головкой ветроагрегата боковой лопаты (Е.М.Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки. Государственное издательство сельскохозяйственной литературы. Москва - 1957, стр.166, рис.108, рис.156, ветродвигатель ТВ-8).
Недостатком данного устройства является то, что боковая лопата действует непосредственно на головку массивной быстро вращающейся ветротурбины. Это требует применения громоздкой боковой лопаты, по размерам сопоставимой с размерами ветротурбины, а быстрый поворот плоскости ветротурбины под действием такой лопаты вызывает опасные для целостности ветроагрегата гироскопические моменты.
От указанного недостатка в значительной степени свободен ветроэнергетический агрегат, принятый за прототип (патент на изобретение № RU 2430265 С2, авторы Петько В. Г., Пугачёв В. В.). Однако и в нём действие гироскопических моментов на боковую лопату, хотя и существенно меньших по величине, сохраняется. Кроме того, на положение боковой лопаты сказывается и момент сопротивления, который оказывает боковой лопате головка ветроагрегата при её повороте. Всё это в совокупности снижает точность стабилизации мощности ветротурбины при скоростях ветра выше расчётных.
Задачей настоящего изобретения является повышение работоспособности и надёжности ветроагрегата за счёт устранения указанных недостатков.
Технический результат достигается в ветроагрегате с системой ориентации и ограничения мощности ветротурбины, имеющем опору с цевочной шестерней и вертикальной осью с насаженной на ней головкой ветроагрегата, устройство, реагирующее на направление ветра, насаженное на выполненную полой вертикальную ось в головке ветрорагрегата с возможностью поворота не менее чем на 90°, связанное жёстко с боковой лопатой, вертикальный вал, проходящий через выполненную полой вертикальную ось в головке ветроагрегата и имеющий установленную на нижнем конце ведущую шестерню, кинематически связанную с цевочной шестернёй, а также силовой противодействующий механизм с точками приложения силы между головкой ветроагрегата и боковой лопатой, в котором согласно изобретению в качестве устройства, реагирующего на направление ветра, использована шторка, расположенная по ветру перед насаженной на верхний конец вертикального вала крыльчаткой.
Работа заявляемого устройства поясняется кинематической схемой, изображенной на фиг. 1 (вид сбоку) и фиг. 2 и 3 (вид сверху).
Ветроагрегат состоит из ветротурбины (на чертеже не показана) с горизонтальной осью в головке 1 ветроагрегата, насаженной с возможностью поворота на 360° на вертикальную ось 2 опоры 3. Верхняя часть опоры снабжена жестко связанной с опорой цевочной шестерней 4, соосной с осью опоры 3. Цевочная шестерня 4 кинематически связана с ведущей шестерней 5, насаженной на нижний конец вала 6, пропущенного через выполненную полой вертикальную ось 7 головки 1 ветроагрегата. На этой же оси установлена шторка 8 с возможностью поворота не менее чем на 90°, жёстко связанная с боковой лопатой 9. Боковая лопата под действием силового противодействующего механизма, в качестве которого в данном варианте исполнения устройства использована пружина 10 с точками приложения силы между боковой лопатой и головкой 1 ветроагрегата, прижата с силой F к скрепленному с головкой 1 упору 11. При этом боковая лопата и шторка 8 находятся в положении, перпендикулярном оси ветротурбины. На верхнем конце вала 6 закреплена крыльчатка 12.
Работает заявляемое устройство следующим образом.
Если скорость ветра не превышает установленную для данного агрегата величину, боковая лопата и скреплённая с ней шторка 8 пружиной 10 прижаты к упору 11 и находятся в положении, перпендикулярном оси ветротурбины (Фиг. 2). При отклонении направления ветра от направления, перпендикулярного плоскости ветротурбины (плоскость А-А), воздушный поток, набегая на крыльчатку с той или другой стороны шторки 8, приводит крыльчатку во вращение в том или ином направлении. За счет механической передачи через вал 6 и ведущую шестерню 5 на цевочную шестерню 4 головка 1 ветроагрегата будет поворачиваться в сторону ветра до тех пор, пока шторка не установится в положение, при котором задувание ветра на лопасти крыльчатки станет одинаковым с той и другой сторон шторки и вращение крыльчатки прекратится. Таким образом, плоскость ветротурбины всегда будет устанавливаться перпендикулярно направлению ветра.
,
При увеличении скорости ветра сверх установленной величины боковая лопата под действием напора набегающего на нее потока воздуха, преодолевая сопротивление пружины, повернется на уголγ тем больший, чем больше скорость ветра. На этот же угол по отношению к направлению ветра и плоскости ветротурбины повернется и шторка 8, крыльчатка 12 начнет вращаться и установит в конечном итоге головку 1 в такое положение, при котором линия, соединяющая центр шторки и ось крыльчатки, будет совпадать с направлением ветра. При этом на уголγ по отношению к направлению ветра будет повернута теперь ось ветротурбины. Это скомпенсирует влияние повышенной скорости ветра на развиваемую ветротурбиной мощность. Она будет сохраняться на постоянном установленном уровне при всех скоростях ветра, выше расчётной величины, если силовой противодействующий механизм рассчитан таким образом,
чтобы закон изменения угла поворота боковой лопаты от скорости ветра (γn=f(V)) совпадал с законом изменения угла поворота ветротурбины от скорости ветра при условии постоянства развиваемой ветротурбиной мощности (γr=f(V) при Рт - const). Данное условие технически вполне реализуемо.
Таким образом, поскольку боковая лопата в заявленном устройстве действует на шторку, не подверженную воздействию гироскопических моментов и моментов сопротивления повороту головки ветроагрегата, повышается точность стабилизации мощности ветротурбины, упрощается кинематика, а это, в свою очередь, повышает работоспособность и надежность работы ветроагрегата в целом.