ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к ветроэнергетическим установкам и может быть использована в энерготеплообеспечении загородных усадеб.
Известна ветроэнергетическая установка ВЭА-30-300 с двумя поворотными лопастями (Ю.С.Васильев Н.И.Хрисанов «Экология использования возобновляющихся энергоисточников» Ленинград Издательство Ленинградского университета 1991 стр 251-252), позволяющими расширить диапазон использования ветров от Vном=12 м/сек до V=5 м/сек и до V=25-30 м/сек.
Недостатки первой модели: - конструктивное ограничение размеров (сложностью поворота лопастей); со снижением скорости ветра от Vном=12 м/сек соответствующее снижение частоты вращения ветроколеса и соответственно коэффициента использования энергии ветропотока.
Задачей решаемой предлагаемой полезной модели является создание ветроэнергетической установки, использующей с хорошим коэффициентом энергию средних и слабых ветров и конструктивно могущей иметь большие размеры.
Техническая сущность полезной модели заключается в том, что ветроэнергетическая установка содержащая основание башни и подвижную с двумя консолями башню на нем с многолопастными ветроколесами на башне снабжена цилиндрическим отверстием и дорожками на основании башни, башня снабжена центрирующей трубой и ногами снабженными лыжами и гидроцилиндрами, башня с консолями разделены внутренними пустотами, консоли снабжены шарнирами и регулируемым устройством, а многолопастные ветроколеса снабжены поворотным (для лопастей) устройствами.
Цилиндрическое отверстие и центрирующая труба дают возможность лыжам на ногах башни перемещаться точно по круговой дорожке, а вместе они придают башне устойчивость против опрокидывания. Дорожки дают также возможность штокам гидроцилиндров упираться в них создавая большое толкающее усилие поворачивающее
башню в одну или другую сторону (ориентируя на ветер). Пустоты внутри башни и консолей дают возможность заполнять башню ветроколесами по всей высоте и устанавливать ветроколеса на двухопорных осях, снижая их вес, облегчать сборку конструкции и монтаж, а также жестко соединять осями две части башни и консолей (жесткое соединение еще и внизу и вверху над и за) ветроколесами.
Шарнирное соединение консолей с башней и регулируемое натяжное устройство дают возможность консолям с вращающимися на их концах (на неподвижных осях) ветроколесами при усилении ветра свыше номинального становиться под углом к плоскости ветропотока снижая давление на лопасти и башню, а при сверхветрах параллельность консолей ветропотоку обеспечивает полную остановку ветроколес и минимум давления.
Поворотное устройство лопастей дает возможность расширить диапазон используемых ветров, при ветрах свыше номинального снижать давление на ветроколесо и башню, при сверхветрах останавливать ветроколесо с минимумом давления на всю конструкцию.
На фиг.1. изображена ветроэнергетическая установка в общем виде; на фиг.2. основание башни; на фиг.3. опорная дорожка; на фиг.4. нижняя часть поворотной башни; на фиг.5. поворотное устройство лопастей; на фиг.6. колесо привода стопорных винтов; на фиг.7. кольцо для поворачивания лопастей.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка состоит из (фиг.1): - основания башни 1 с дорожкой (2) (фиг.2) для скольжения опорных лыж (8) (фиг.4); с опорными дорожками (6) (фиг.3) для силовых гидроцилиндров (7) закрепленных на ногах (9) башни, в центре цилиндрическое отверстие (4) для центрующей трубы (10) башни; съемные кронштейны (5) для шарнирного соединения с кронштейнами (11) (фиг.4) башни; - подвижной башни (12) (фиг.1) на опорных лыжах (8) (фиг.4) с консолями (13) (фиг.1) шарнирно закрепленными на башне с растяжками (14), с тяговыми канатами (15) к регулирующему устройству (16) с тяговыми барабанами с электротормозами с приводом от электродвигателя (через редуктор на нижней раме (17), с ветроколесами (18) на осях (20), с дополнительными растяжками (21) от осей нижнего и верхнего ветроколес к раме (17), с центральной направляющей трубой (10) на раме (17), - ветроколеса (18) (фиг.1) (фиг.5) на осях (20) жестко скрепленных с кронштейнами (22) башни (12) со ступицей (23) ветроколеса, с лопастями (24) в спицах ступицы фиксируемых крышками (25) и прижимными винтами (26), с шестерней (27) вращающей шестерню (28) ускорителя, с зубчатым колесом (29) жестко скрепленным с остью (20) для привода коробки скоростей, закрепленной на спицах ступицы, через шестерню (30) на шлицевом валу (31); с шестерней (32) на валу от коробки передач с приводом колеса (33) (фиг.5) (фиг.6) на ступице, с подпружиненными зубчатыми сегментами (34) два привода зубчатых головок винтов (26); с шестерней (35) на валу от коробки передач для привода кольца (36) (фиг.5) (фиг.7) на цапфах (37) поворачивающей лопасть (24).
Сборка поворотной части установки из готовых узлов и деталей на земле (на подставках) с помощью серийного автокрана (типа Ивановец).
Установка на основание (1) с помощью этого же крана и двух лебедок. Автокран поднимает нижнюю часть установки до шарнирного соединения кронштейнов (5) (фиг.2) и (11) (фиг.4), далее автокран поднимает переднюю часть до высоты когда ее сможет тянуть лебедка, лебедка же с другой стороны удерживает установку от падения. (аналогично устанавливается буровая вышка двумя тракторами, но здесь меньше вес, меньше усилия). После установки на основании кронштейны (5) снимаются.
Позиционирование башни на ветер двумя установленными на противоположных ногах (9) (фиг.4) гидроцилиндрами (7) (фиг.3), штоки которых упираются в опорную часть дорожки (6) (фиг.2) (фиг.3), когда шток втягивается, то он скользит по дорожке. В другую сторону два других гидроцилиндра на двух других ногах, упираясь в другую круговую дорожку с другим направлением уступов: башня (12) (фиг.1) опирается своими ногами (9) (фиг.4) на лыжи (8), которые скользят по гладкой бетонной дорожке (2) основания (1);
точность кругового движения обеспечивается трубой (10) (на башне) вращающейся в соответствующем цилиндрическом отверстии (4) основания (1) (фиг.2).
Позиционирование на ветер ветроколес на консолях (13) (фиг.1) следующим образом: - перпендикулярность плоскости вращения ветроколес ветропотоку обеспечивается натяжением тяговых канатов (15) (фиг.1) консолей (13) до их упора в башню барабанами (16) (фиг.4) с приводом от двигателя через редуктор, а удержание в этом положении электротормозами на барабанах; - другое крайнее положение (параллельно) плоскости лопастей ветропотоку, когда ветроколесо останавливается и давление на него и на консоль минимально отпусканием канатов до упора консолей в упоры башни; промежуточные положения с приводом на канаты, а удержание в этом положении электротормозами; в этих положениях ветроколесо воспринимает часть ветропотока другая скользит по нему и соответственно уменьшается давление (такое позиционирование имеет аналогию в малой ветроэнергетике, но там меньше размеры и усилия и поворачивание в иной плоскости).
Механизм поворота лопастей работает, при вращении ветроколеса. Для этого на неподвижной оси (20) (фиг.5) закреплено неподвижно колесо (29) с зубчатым венцом, когда (при вращении) в зацепление с ним (перемещаясь по шлицевому валу) входит шестерня (30), то она будет перекатываться по зубьям венца и шлицевым валом (31) передавать вращение на коробку передач, закрепленную на спицах ступицы (23) ветроколеса. Коробка передач имеет два выходных вала с шестернями с передачей вращения в одну или другую сторону. Шестерня (32) находится в зацеплении с зубчатым колесом (33), а колесо имеет шарнирно закрепленные подпружиненные зубчатые сегменты (34) (фиг.6), находящиеся в зацеплении с шестеренчатой головкой стопорного винта (26) (фиг.5, фиг.6). Когда включается привод шестерни (32), то сегменты (34) вращают винты в ту или иную сторону (в зависимости от включения), при этом закручиваться они могут неравномерно, поэтому шарнирно закрепленный и подпружиненный сегмент первого закрученного винта приподнимется и проскользит по зубьям.
Когда стопорные винты (26) ослаблены, то оси лопастей (24) могут поворачиваться в спицах ступицы (23) (фиг.5) (от продольного перемещения их удерживают крышки (25)) и для этого служит зубчатое кольцо (36) поворачивающееся на цапфах (37) (фиг.5, фиг.6), к кольцу (36) с боковой стороны прикреплены зубчатые сегменты, находящиеся в зацеплении с зубчатыми сегментами, закрепленными на осях лопастей (24); когда включается вал шестерни (35), то она вращает кольцо (37), а кольцо зубчатым зацеплением сегментов поворачивает лопасть (24), после этого предыдущие описанный механизм стопорит ось лопасти. Так как лопасть поворачивается на 90° (максимум), то сегмент на оси не много более четверти окружности оси лопасти и соответствующий сегмент на кольце.
Три верхних ветроколеса четырехлопастные - с высоким коэффициентом использования энергии ветра 8-9 м/сек (достаточно обычный верхний предел в прогнозах для обжитой России), при этом при сопоставимых с ВЭА-30-300 ветроколесах скорость вращения будет примерно вдвое ниже; при этом же высокий коэффициент с повышением скорости ветра будет сохранятся до начала поворота лопастей (консолей), далее его понижение будет компенсироваться возрастающей мощью ветропотока, при этом же при снижении скорости ветра будет снижаться скорость вращения ветроколес и также будет снижаться соответственно и коэффициент использование энергии ветропотока. Поэтому нижнее ветроколесо 6-ти-10-ти лопастное (в зависимости от местности) хорошо использующее и слабые ветры с соответствующим снижением скорости вращения; при этом лопасти жестко закреплены на ступице, так как ветропоток нижней части слабее и опрокидывающий момент минимален (даже при сильных ветрах). Для разных условий можно использовать набор из разных по диаметру ветроколес от D=15 м до 30 м (если больше, то появляются конструктивные трудности, если меньше, то экономическая целесообразность). При этом набор из 2х ветроколес D=15 м и 2-х D=20 м дает площадь обметания в 960 м.кв. (D=15 м - Fобмет = 170 мкв.; D=20 м - 310 м;) против 700 м кв. (при D=30 м). Ветроколеса имеют свойства разбрасывать «ветротень», но у предлагаемой модели скорости
вращения не велики, да и ветры ограничены, к тому же в местах сближения можно поставить направляющие перегородки. На ступицах (23) ветроколес (18) (фиг.1) закреплены зубчатые колеса (27) (фиг.5), находящиеся с ними в зацеплении шестерни (28) передают вращение на ускоряющие коробки, закрепленные на башне. От коробок трансмиссионными валами вращение передается в машинный зал, находящийся на нижней раме (17) (фиг.4). В зале вращение передается на вариаторы, от них на маховики и от них на электрогенераторы. Которых может быть два (для слабых и средних ветров) или три (еще и для сильных ветров).
В предлагаемой модели электрогенераторы работают в стационарных условиях, поэтому вместо них можно ставить серийные асинхронные электродвигатели, (снижая стоимость установки).
Технико-экономическая или иная эффективность.
1. Повышение коэффициента использования энергии ветропотока на средних и слабых ветрах одной башней за счет заполнения высоты башни и увеличения количества лопастей на колесах.
2. Использование сильных ветров за счет поворота лопастей на колесах.