ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ
HIGH-DUTY WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэлектрических станциях высокой мощности.
Широкое применение в конструкциях ветроэнергетических установок (ВЭУ) нашли лопастные ветроколеса с горизонтальной осью вращения. Ветроколесо снабжено лопастями, имеющими аэродинамический профиль, обеспечивающий высокий коэффициент использования энергии ветра. Стоимость производимой энергии в таких установках становится достаточно низкой, если от мелких ветродвигателей перейти к крупным - с диаметром колеса в десятки метров. Однако при этом возникает проблема - надежность работы ветроколеса большого диаметра становится недостаточно высокой. Для лопастей с диаметром ветроколеса более 65 м необходимы дорогостоящие материалы, а само колесо имеет сложную конструкцию. Отмечается, что основным фактором, ограничивающим единичную мощность ВЭУ, является технология изготовления лопастей длиной до 50 м (Шефтер Я.И. Ветроэнергетические агрегаты. М.: Машиностроение. 1992 г.)
Известные ВЭУ с ротором (ветроколесом) карусельного типа обеспечивают более широкие возможности увеличения единичной мощности ВЭУ. Такими возможностями обладает, например, ветродвигатель (патент RU 2187017 С1, F03D 3/00 от 2001.03.19). Однако в целом конструкция таких ВЭУ остается технически несовершенной: например, исключается возможность их эксплуатации в автоматическом режиме, кроме того, коэффициент использования энергии ветра в них остается низким.
Задачей изобретения является устранение недостатков известной ВЭУ с ротором карусельного типа и создание на ее основе ветроэлектростанции (далее по тексту ВЭС) повышенной мощности, работающей в автоматическом режиме (без обслуживающего персонала) с высоким коэффициентом использования ветровой энергии.
Поставленная задача достигается тем, что в предложенной ВЭС, включающей: смонтированную в подшипниковых опорах, верхней и нижней, вертикальную ось с лопастями, платформу, дуговой экран, прикрывающий часть лопастей от воздействия ветра, снабженный верхним и нижним ободами и опорными колесами, контактирующими с поверхностью платформы,
платформа смонтирована на опорах, на ней установлены опорные колеса дугового экрана и закреплена нижняя подшипниковая опора вертикальной оси;
верхняя подшипниковая опора вертикальной оси закреплена на дуговом экране,
опорные колеса дугового экрана смонтированы на шасси, снабженном двигателем и трансмиссией, имеющим возможность перемещаться на платформе;
на дуговом экране закреплен датчик параметров ветра, при этом перемещение шасси производится в автоматическом режиме с помощью двигателя, управляемого автоматической системой угловой ориентации дугового экрана по сигналам датчика параметров ветра;
на платформе закреплена цилиндрическая направляющая поверхность, а на шасси смонтированы колеса с вертикальной осью вращения, взаимодействующие с направляющей цилиндрической поверхностью;
направляющая цилиндрическая поверхность снабжена козырьком, ограничивающим перемещение опорных колес по вертикали;
между верхним и нижним ободами дугового экрана закреплены дополнительные обода и вертикальные стержни;
дуговой экран снабжен вертикальным козырьком, расположенным над верхним ободом;
лопасти закреплены растяжками на вертикальной оси и между собой.
Совокупность перечисленных выше существенных признаков при осуществлении предлагаемого изобретения позволяет получить следующие технические результаты:
- расширить возможности увеличения единичной мощности ВЭС, что способствует снижению стоимости производимой электроэнергии;
- повысить коэффициент использования мощности ветра для ВЭС с карусельным ротором;
- обеспечить работу ВЭС с карусельным ротором в автоматическом режиме (без обслуживающего персонала).
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами фиг.1, 2, 3, 4, 5, где приведены проекции конструктивной схемы ВЭС высокой мощности.
На фиг.1 приведено продольное сечение ВЭС с изображением проекции лопастей ротора (сечение Б-Б).
На фиг.2 изображено поперечное сечение ВЭС с изображением проекции лопастей ротора (сечение А-А).
На фиг.3 изображено продольное сечение ВЭС с изображением силового каркаса дугового экрана (сечение Б-Б). Лопасти 2 ротора условно не изображены.
На фиг.4 изображено поперечное сечение ротора и расположение козырька на силовом каркасе дугового экрана (сечение Г-Г).
На фиг.5 изображена конструктивная схема колесного шасси дугового экрана.
Позициями обозначены:
1 - вертикальная ось ротора;
2 - лопасть;
3 - элемент крепления лопасти - растяжка;
4, 5 - верхние, нижние подшипниковые опоры;
6 - дуговой экран;
7 - козырек;
8 - колесное шасси;
9 - колесо с горизонтальной осью вращения;
10 - колесо с вертикальной осью вращения;
11 - цилиндрическая направляющая поверхность (бордюр);
12 - козырек бордюра;
13, 14 - верхний и нижний обод экрана;
15, 16 - обод и стержень силового каркаса;
17 - платформа;
18 - опора платформы;
19 - фундамент платформы;
20 - электрогенератор;
21 - датчик параметров ветра.
На фиг.2, 4 стрелками показано направление движения ветра.
Ветроэлектрическая станция содержит ротор с вертикальной осью 1 и закрепленными на ней лопастями 2. Вертикальная ось 1 установлена с возможностью вращения в подшипниковых опорах 4 и 5.
Подшипник 5 закреплен на горизонтальной платформе, подшипник 4 закреплен на дуговом экране 6 с помощью вспомогательной фермы.
Дуговой экран 6 предназначен для устранения действия ветра на лопасти 2 ротора в момент их перемещения навстречу ветру.
Дуговой экран 6 размещен на колесных шасси 8, снабженных колесами 9, 10, двигателем, трансмиссией и системой управления, устанавливающей экран 6 "по ветру". Система управления функционирует по сигналам датчика направления ветра 21, закрепленного на дуговом экране 6 с помощью вспомогательной фермы.
Шасси 8 дугового экрана 6 установлены на платформе 17, снабженной бордюром 11 с козырьком 12.
Вертикальная ось 1 ротора кинематически связана с валом электрогенератора 20.
ВЭС работает следующим образом.
При появлении рабочей скорости ветра датчик 21 формирует сигнал в систему автоматического управления положением дугового экрана 6. Включается в работу двигатель шасси 8 и с помощью шасси экран 6 поворачивается в положение, при котором происходит оптимальное взаимодействие лопастей 2 с ветром (т.е. экран 6 располагается «по ветру»).
Необходимая легкость вращения оси 1 ротора достигается за счет установки оси 1 в шарикоподшипниковых опорах 4 и 5.
Необходимое перемещение дугового экрана 6 на платформе 17 при силовом воздействии ветра достигается взаимодействием колес 10 с бордюром 11. При нарушении контакта колес 9 с поверхностью платформы 17 необходимое расположение экрана 6 в пространстве сохраняется за счет взаимодействия колес 9 с козырьком 12 бордюра, при этом силовой привод на колеса 9 автоматически отключается.
Между верхним 13 и нижним 14 ободами дугового экрана закреплены дополнительные обода 15 и вертикальные стержни 16, образующие силовой каркас дугового экрана 6. Дуговой экран 6 снабжен вертикальным козырьком 7, образующим зону разрежения над ротором, что способствует повышению коэффициента использования энергии ветра, действующего на лопасти 2.
Ветер, воздействуя на лопасти 2, создает крутящий момент, который передается осью 1 на вал электрогенератора 20.
Система управления обеспечивает также перемещение экрана 6 для устранения избытка мощности на роторе от действия ветрового потока. При увеличении скорости ветра выше допустимой система управления перекрывает экраном 6 доступ ветра на лопасти 2.
Конструкция тепловой защиты элементов ротора и экрана от обледенения здесь не рассматривается.
Горизонтальная платформа 17 смонтирована на опорах 18. Это позволяет, за счет удаления лопастей ротора от поверхности земли, повысить эффективность воздействия ветрового потока на лопасти 2 ротора и оборудовать помещение для монтажа блока электрогенераторов с широким диапазоном изменения величины воспринимаемой мощности.
Совокупность перечисленных выше существенных признаков при осуществлении предлагаемого изобретения позволяет получить следующие технические результаты:
- устранить технологические трудности, возникающие при повышении единичной мощности ВЭС;
- увеличить единичную мощность ВЭС по сравнению с величиной единичной мощности, достигнутой в мире;
- обеспечить полную автоматизацию работы ВЭС;
- обеспечить производство мощных ВЭС на располагаемой технологической базе РФ.