ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель предназначена для преобразования энергии ветра в электрическую энергию и может быть использована в ветровых электрических станциях.
Известна ветроэнергетическая установка (Европейский пат. №0236036 от 09.09.1987 г.), содержащая ветровое колесо с лопастями, ось вращения которого совпадает с направлением ветра, мачту, в верхней части которой посредством подшипникового узла закреплен вал ветрового колеса, и закрепленную с возможностью поворота на мачте платформу с регулирующими номинальную скорость вращения ветрового колеса генераторами электрической энергии. Ветровое колесо представляет собой смонтированную на его валу форменную конструкцию, включающую кинематически связанный с генераторами обод колеса, радиальные элементы, расположенные между ободом и ступицей колеса, осевые элементы, стропила для закрепления тех концов лопастей, что расположены ближе к ободу, и поперечные элементы, на которых совместно с радиальными элементами закреплены лопасти.
Ферменная конструкция ветрового колеса обеспечивает надежное его крепление на валу, а выполнение на мачте платформы, несущей генераторы электрической энергии, обеспечивает саморегулирование ветрового колеса по ветру так, что колесо всегда принимает на себя его «прямой удар». Ветровое колесо состоит из гибких лопастей, в предпочтительном варианте исполнения - парусов. Генераторы связаны с колесами типа резиновых шин, приводимых во вращение от непосредственного контакта с ободом ветрового колеса. Пары шести генераторов, рассчитанные на различную мощность генерации электрической энергии, от 50 до 10 кВт, обеспечивают посредством
различных возможных комбинаций их включения в работу производить от 20 до 200 кВт электрической энергии, оставляя при этом относительно постоянной (10 об/мин) угловую скорость вращения ветрового колеса.
Выполнение лопастей ветрового колеса из гибких (мягких) лопастей с предусмотрением для них устройств для их сворачивания (разворачивания) позволяет в идеале получить такую суммарную площадь поверхности лопастей, контактирующих с ветром, которая будет близка к площади описываемого лопастями при вращении колеса круга. Поскольку мощность ветроэнергетической установки растет в прямо пропорциональной зависимости от площади контакта ветра с лопастями, желательно наличие в такой установке такой площади лопастей, которая бы превышала площадь так называемой сметаемой (ометаемой) лопастями поверхности. При этом, при таком увеличении упомянутой площади контакта снижается пусковой момент на валу ветрового колеса. Описанная известная конструкция не предусматривает такого желательного исполнения.
Ветроэнергетическая установка - предмет нижеописываемой полезной модели - решает вопрос расширения площади контакта лопастей с ветром, следствием чего в настоящей полезной модели, в сравнении с известным устройством, является достижение заявляемого ею технического результата - снижения пускового крутящего момента на валу ветрового колеса и обеспечения выхода на номинальную мощность установки при низких скоростях ветра.
Сущность полезной модели заключается в том, что для достижения упомянутого технического результата в ветроэнергетической установке, содержащей ветровое колесо с лопастями, ось вращения которого совпадает с направлением ветра, мачту, в верхней части которой посредством подшипникового узла закреплен вал ветрового колеса, и закрепленную с возможностью поворота на мачте платформу с
регулирующими номинальную скорость вращения ветрового колеса генераторами электрической энергии, причем ветровое колесо представляет собой смонтированную на его валу форменную конструкцию, включающую кинематически связанный с генераторами обод колеса, радиальные элементы, расположенные между ободом и ступицей колеса, осевые элементы, стропила для закрепления тех концов лопастей, что расположены ближе к ободу, и поперечные элементы, на которых совместно с радиальными элементами закреплены лопасти, согласно настоящей полезной модели, радиальные элементы проходят посередине вдоль лопастей и закреплены в ступице так, что общая площадь поверхности всех лопастей превышает площадь описываемого лопастями при вращении колеса круга.
Расположение радиальных элементов посередине вдоль лопастей позволяет при соответствующем закреплении их в ступице ветрового колеса заложить одну лопасть за другую, если смотреть на ветровое колесо в направлении его оси (оно же - направление ветра). При таком расположении лопастей возможно достижение такой суммарной площади поверхностей лопастей, которое будет превышать площадь описываемого лопастями при вращении колеса круга. Такое увеличение упомянутой площади увеличивает площадь контакта лопастей с ветром и, следовательно, при прочих равных условиях, ветровое колесо с такой увеличенной площадью лопастей будет запускаться с более низким крутящим моментом на валу ветрового колеса, нежели известное (см. вышеупомянутый европейский патент) ветровое колесо, хотя и аналогичной ферменной конструкции закрепления колеса на его валу, но допускающее зазоры между лопастями по всей их длине. Достижение меньшего пускового крутящего момента на валу ветрового колеса обеспечивает выход ветроэнергетической установки на номинальную мощность при меньших (низких) скоростях ветра.
Установка, согласно настоящей модели, снабжена смонтированным на платформе шкивом, связанным с генераторами посредством клиноременных передач, при этом обод колеса на своей наружной поверхности имеет клиновидную выемку для взаимодействия со шкивом посредством клиновидного ремня. Такое исполнение кинематической связи ветрового колеса с генераторами допускает в сравнении с известным устройством использование типичной для генераторов вообще клиноременной передачи.
Установка, согласно настоящей модели, с целью снижения вероятности скручивания радиальных элементов под давлением ветра, оказываемом на лопасти, снабжена дополнительными элементами жесткости, по два на каждую лопасть, отходящими ветвеобразно от радиальных элементов к концам поперечных элементов на разной высоте по длине лопасти.
Установка, согласно настоящей модели, для обеспечения возможности автоматического регулирования номинальной мощности снабжена также электромагнитными муфтами для обеспечения связи генераторов со шкивом.
Полезная модель поясняется графическими материалами, на которых показаны:
на фиг.1 - вид сзади на ветроэнергетическую установку,
на фиг.2 - кинематическая схема связи ветрового колеса с генераторами,
на фиг.3 - вид сверху на ветроэнергетическую установку,
на фиг.4 - лопасть ветрового колеса с дополнительными элементами жесткости.
Ветроэнергетическая установка, согласно настоящей полезной модели, содержит ветровое колесо 1 с лопастями 2, ось вращения которого совпадает с направлением ветра, мачту 3, в верхней части
которой посредством подшипникового узла 4 закреплен вал 5 ветрового колеса, и закрепленную с возможностью поворота на мачте 3 платформу 6 с регулирующими номинальную скорость вращения ветрового колеса 1 генераторами 7 электрической энергии. Ветровое колесо 1 представляет собой смонтированную на его валу 5 форменную конструкцию, включающую кинематически связанный с генераторами 7 обод 8 колеса, радиальные элементы 9, расположенные между ободом 8 и ступицей 10 колеса, осевые элементы 11, стропила 12 для закрепления тех концов 13 лопастей, что расположены ближе к ободу 8, и поперечные элементы 14, на которых совместно с радиальными элементами 9 закреплены лопасти 2.
Радиальные элементы 9 проходят посередине вдоль лопастей 2 и закреплены в ступице 10 так, что общая площадь всех лопастей превышает площадь описываемого лопастями 2 при вращении колеса 1 круга.
На платформе 6 смонтирован шкив 15, связанный с генераторами 7 посредством клиноременных передач 16. Обод 8 колеса на своей наружной поверхности имеет клиновидную выемку 17 для взаимодействия со шкивом 15 посредством клиновидного ремня 18.
Форменная конструкция может снабжаться дополнительными элементами 19 жесткости, по два на каждую лопасть 2, отходящими ветвеобразно от радиальных элементов 9 к концам поперечных элементов 14 на разной высоте по длине лопасти.
Связь генераторов 7 со шкивом 15 обеспечивается электромагнитными муфтами 20.
Лопасти 2 представляют собой жестяные листы трапециевидной формы, к которым с тыльной стороны на клепках крепятся радиальные элементы 9 и поперечные элементы 14, к которым для усиления жесткости могут быть добавлены дополнительные элементы 19. С целью
исключения загибания лопастей как вперед (во время штиля), так и назад (во время сильного ветра), используются стропила 12, которые представляют собой стержни, с одной стороны скрепленные с радиальными элементами 9, а с другой - прикручены под углом к выдающейся вперед площадке 21. Эта площадка прикручена к валу 5 ветрового колеса. Обод 8 расположен с тыльной стороны ветрового колеса 1. На валу 5 смонтирована ступица 10 ветрового колеса, которая составлена из двух дисков 22, зажимающих подобно тискам посредством множества болтов радиальные элементы 9, которые являются основными держателями лопастей 2. Длина окружности обода 8 почти равна длине окружности всего ветрового колеса 1. Таким образом, наряду с передачей крутящего момента обод 8, также как и осевые элементы 11, создает дополнительную жесткость лопастям 2 в сильный ветер, связывая их по периметру и исключая взаимные колебания. Благодаря описанной форменной конструкции все лопасти ветрового колеса вращаются как единое целое и могут противостоять очень сильным ветрам, при этом площадь поверхностей лопастей, контактирующих с ветром, может достигать от 120 до 180% от всего описываемого ветровым колесом круга в зависимости от его диаметра.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Благодаря тому, что вся конструкция находится в подвешенном состоянии и удерживается в строго вертикальном положении мачтой 3 и в подшипниковом узле 4 закреплен поворотно вал 5, ветровое колесо 1 автоматически поворачивается перпендикулярно направлению ветра. Ветер приводит во вращение ветровое колесо 1, и вместе с ним - обод 8 с клиновидной выемкой 17, посредством которой осуществляется связь обода с клиновидным ремнем 18, передающим вращение ветрового колеса 1 шкиву 15. Шкив 15 посредством клиноременных передач 16 и электромагнитных муфт 20 передает вращение шкивам генераторов 7,
коих может быть установлено до четырех штук на платформе 6. Выработка электроэнергии происходит на номинальной скорости вращения валов генераторов 7. Система из нескольких генераторов 7, каждый из которых подключен через электромагнитную муфту 20, управляемую электроникой, позволяет стабилизировать скорость вращения ветрового колеса 1 с выработкой энергии в широком диапазоне скорости ветра с обеспечением номинальной скорости вращения генераторов 7 в зависимости от скорости ветра. Происходит это следующим образом: как только ветер усиливается, увеличивается скорость вращения генераторов. Когда скорость вращения генераторов подходит к максимальной, к работающим генераторам подключается дополнительный генератор, который одновременно является тормозом для ветрового колеса. В случае ослабевания ветра описанная система работает в обратном порядке. Используемое крепление лопастей 2 в ступице 10 ветрового колеса 1 позволяет варьировать количество лопастей от 8 до 24 шт. в зависимости от количества установленных на платформе 6 генераторов 7 и диаметра ветрового колеса 1. Чем больше устанавливается лопастей, тем выше угол атаки лопасти к ветру и меньше давление ветра на саму лопасть, а чем выше угол атаки к ветру, тем мощнее ветровое колесо.
Описанная установка позволяет получать 1 кВт уже при скорости ветра в 1 м/с при диаметре ветрового колеса всего 2,5 м. Выход на номинальную мощность - уже при скорости ветра 2-3 м/сек. Использование нескольких генераторов обеспечивает постоянно медленную скорость вращения лопастей, обеспечивая отсутствие воздушных турбулентных завихрений, возникающих при быстрых вращениях лопастей, что позволяет установить на одну установку большее число лопастей, повышая ее мощность на выходе.
Данная модель крайне проста как в производстве, так и в сборке на месте установки, надежна при длительной эксплуатации и позволяет использовать низкие мачты (высотой от 3-х метров).