ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)

Область техники
Полезная модель относится к ветродвигателям карусельного типа и может быть использована, например, в ветроэнергетике.
Уровень техники
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая горизонтальные валы, радиально закрепленные на вертикальном валу, установленном в опорах вращения с возможностью передачи вращающего момента валу электрогенератора, ветронапорные лопасти, каждая из которых закреплена с возможностью поворота на одном из горизонтальных валов, и ограничители поворота ветронапорной лопасти в одну сторону. [RU 2276285 МПК F03D 3/06, 2003 г.] В указанной установке имеются, кроме того, ограничители предельного отклонения лопастей, установленные так, что угол поворота лопасти между двумя такими ограничителями близок к 180 градусам. Фиксации лопастей известная установка не предусматривает.
Недостаток известной ветроэнергетической установки состоит в том, что ее конструкция должна иметь запас прочности, рассчитанный на рабочую нагрузку при максимальной для данной местности скорости ветра (включая штормы и редкие порывы ветра). Это утяжеляет конструкцию и повышает ее металлоемкость.
Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая горизонтальные валы, закрепленные на колесных тележках, которые гибко связаны в непрерывную цепь и установлены на замкнутом рельсовом полотне с возможностью передачи вращающего момента валу электрогенератора, и ветронапорные лопасти, каждая из которых закреплена на горизонтальном валу [RU 2125182 МПК F03D 5/04, 1999 г.]. Эта известная установка также обладает вышеуказанным недостатком.
Сущность полезной модели
Технический результат полезной модели - защищенность ветроэнергоустановки от сильных ветровых нагрузок и, как следствие, облегченность и пониженная материалоемкость конструкции.
Предметом полезной модели являются два варианта полезной модели, каждый из которых обеспечивает получение указанного технического результата.
По первому варианту полезной модели ветроэнергетическая установка содержит, по меньшей мере, три горизонтальных вала, радиально закрепленных на вертикальном валу, установленном в опорах вращения с возможностью передачи вращающего момента валу электрогенератора, ветронапорные лопасти, каждая из которых закреплена с возможностью поворота на одном из указанных горизонтальных валов, ограничители поворота ветронапорных лопастей и фиксаторы ветронапорных лопастей во флюгерном положении, выполненные в виде электромагнитных замков, подключенных к датчику скорости ветра.
По второму варианту полезной модели ветроэнергетическая установка содержит, по меньшей мере, три горизонтальных вала, радиально направленных к вертикальной оси и закрепленных на колесных тележках, которые гибко связаны в непрерывную цепь и установлены на замкнутом рельсовом полотне с возможностью передачи вращающего момента валу электрогенератора, ветронапорные лопасти, каждая из которых закреплена с возможностью поворота на одном из указанных горизонтальных валов, ограничители поворота ветронапорных лопастей и фиксаторы ветронапорных лопастей во флюгерном положении, выполненные в виде электромагнитных замков, подключенных к датчику скорости ветра.
Каждый из приведенных вариантов полезной модели имеет развития, которые состоят в том, что:
- ограничители поворота выполнены с возможностью отклонения ветронапорных лопастей от вертикального положения на угол 80÷90 градусов;
- ветронапорные лопасти выполнены в виде парусов, натянутых на жесткую раму;
- на ветронапорные лопасти, по меньшей мере, с одной стороны нанесены фотоэлектрические покрытия, выводы которых подключены к электрической нагрузке, например, к аккумулятору электроэнергии;
- электрогенератор и выводы фотоэлектрических покрытий ветронапорных лопастей подключены к общей электрической нагрузке, например, к аккумулятору электроэнергии.
Ограничение угла поворота ветронапорных лопастей от вертикального положения величиной, лежащей в пределах 80÷90 градусов, обеспечивает самозапуск установки (подъем лопастей ветром из флюгерного положения) при достижении определенной скорости ветра любого направления.
Выполнение лопастей в виде парусов, натянутых на жесткую раму, дополнительно облегчает конструкцию установки и снижает ее металлоемкость.
Наличие фотоэлектрического покрытия снижает зависимость выходной мощности установки от переменной скорости ветра, а его размещение на вращающихся, поднимающихся и опускающихся лопастях обеспечивает самоочистку покрытия от пылевых наносов за счет встряхивания и воздушного обдува.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитий
Фиг.1 и 2 иллюстрируют пример осуществления полезной модели по первому варианту, фиг.3 - по второму варианту.
На фигурах показаны горизонтальные валы 1, радиально закрепленные на вертикальном валу 2, установленном в опорах 3 и 4 вращения с возможностью передачи вращающего момента валу 5 электрогенератора 6, и ветронапорные лопасти 7, каждая из которых закреплена с возможностью поворота на одном из горизонтальных валов 1. Для каждой из лопастей 7 установка содержит (см. фиг.2) ограничитель 8 поворота лопасти и фиксатор лопасти во флюгерном положении. Фиксатор выполнен в виде электромагнитного замка с пассивной частью 9 и активной частью 10. Активная часть 10, подключена к датчику 11 скорости ветра (см. фиг.1), через пороговый элемент, размещенный, например, в составе датчика 11 или в составе активной части 10 замка. Провода подключения могут быть проложены внутри элементов конструкции и на фигурах не показаны. На фиг.3 также показаны элементы 1, 7, 9, 10 и 11, и, кроме того, колесные тележки 12, гибко (шарнирно) связанные в непрерывную цепь тягами 13 и установленные на замкнутом рельсовом полотне 14. Дополнительно на фиг.3 показан троллей 15 и скользящий по нему контакт 16, связанный с выходом электрогенератора 6, который в этом варианте может быть установлен на колесной оси одной из тележек 12.
В описываемых примерах осуществления установки возможность поворота лопасти 7 на валу 1 обеспечивается при помощи втулки 17 и подшипников 18. Во втулке 17 выполнена прорезь 19 (см. фиг.2), которая совместно с штифтом 20, зафиксированным на валу 1, образует ограничитель 8. При этом ограничитель 8 выполнен так, чтобы штифт 20 упирался в соответствующий край прорези 19 в двух положениях лопасти 7, одно из которых рабочее - вертикально, а другое флюгерное - близко к горизонтальному.
Лопасти 7 могут быть выполнены в виде парусов, натянутых на жесткую раму 21.
На лопасти 7 (с одной или с обеих сторон) может быть нанесено фотоэлектрическое покрытие, выполненное, например, из выпускаемой японским производителем Tokyo Ohka Kogyo тонкой пленки типа CIGS, которую можно наносить как на плоские, так и на криволинейные поверхности. Выводы фотоэлектрического покрытия через токосъемник 22 подключены к нагрузке и к аккумулятору 23 (см. фиг.1). Электрогенератор 6 и фотоэлектрическое покрытие лопастей 7 могут быть подключены своими выводами к общей нагрузке, как показано на фиг.1. При этом, если электрогенератор 6 - генератор переменного тока (например, синхронный), то он подключается к общей нагрузке через выпрямитель 24.
В варианте устройства, показанном на фиг.3, вышеописанное соединение электрогенератора 6 и фотоэлектрического покрытия с нагрузкой выполняется с использованием троллея 15.
Устройство работает следующим образом.
При отсутствии ветра все лопасти 7 находятся во флюгерном положении, близком к горизонтальному (с отклонением от вертикального положения на 80÷90 градусов), и удерживаются ограничителями 8. Пассивная часть 9 электрозамка, закрепленная на лопасти 7 (например, на раме 21), находится при этом вблизи активной части 10, но не притянута к ней. Вал 2 (см. фиг.1) не вращается, тележки 12 (см. фиг.3) не движутся по полотну 14.
При появлении ветра та из лопастей 7, которая при данном его направлении воспринимает наибольший ветровой напор, поднимается ветром, поворачиваясь вокруг своего вала 1. По мере выхода этой лопасти 7 из горизонтального положения увеличивается поднимающая ее составляющая ветрового напора и лопасть 7 переходит в вертикальное положение. Другие лопасти 7 ветром данного направления либо прижимаются к ограничителям 8 во флюгерном (близком к горизонтальному) положении, либо не получают ветрового напора, достаточного для подъема в вертикальное положение.
Момент вращения, созданный напором ветра в поднятую лопасть 7, передается вертикальному валу 2 через соответствующий вал 1, радиально закрепленный на валу 2 (см. фиг.1). При вращении вала 2 лопасти 7 попеременно оказываются в положении наибольшего ветрового напора и попеременно поднимаются в вертикальное положение, в котором удерживаются напором ветра на ограничителе 8 (штифт 20 упирается в нижний край прорези 19), и опускаются в близкое к горизонтальному флюгерное положение, в котором также удерживаются напором ветра на ограничителе 8 (штифт 20 упирается в верхний край прорези 19). Вал 2, вращаясь в опорах 3 и 4, вращает вал 5 электрогенератора 6.
Постоянный ток, вырабатываемый фотоэлектрическим покрытием, нанесенным на лопасти 7, поступает через токосъемник 22 (см. фиг.1) в нагрузку и заряжает аккумулятор 23. Туда же поступает ток от выпрямителя 24, питаемого электрогенератором 6.
Аналогичным образом поочередно поднимаются и опускаются лопасти 7, закрепленные с возможностью поворота на валах 1, радиально направленных к вертикальной оси и установленных, согласно второму варианту полезной модели, на колесных тележках 12 (см. фиг.3). При этом, колесные тележки 12 перемещаются по замкнутому рельсовому полотну 14 под ветровым напором, воздействующим на поднятые лопасти 7. Установленный на колесной оси одной из тележек 12 электрогенератор 6 через скользящий контакт 16 выдает вырабатываемое напряжение на троллей 15, к которому подключена нагрузка, например, аккумулятор 23.
Датчик 11 измеряет скорость ветра и выдает соответствующий электрический сигнал на пороговый элемент (на фигурах не показан), управляющий катушкой электромагнитного замка в составе активной части 10. Если скорость ветра превышает предельно допустимую, пороговый элемент подает ток в активную часть 10. Когда лопасть 7, вращающаяся вокруг вала 2, оказывается в положении, близком к горизонтальному, ее электромагнитный замок срабатывает (часть 10 притягивает часть 9, укрепленную на раме 21) и в дальнейшем удерживает лопасть 7, препятствуя ее подъему, до тех пор, пока скорость ветра не снизится до допустимой.