ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к ветротехнике, в частности, к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ).
Вертикально-осевые ВЭУ должны запускаться при скорости ветра 2-4 м/с. В силу особенностей конструкции ветроколес (ротор с лопастями) с вертикальной осью вращения, использующих подъемную силу лопастей, их пусковой крутящий аэродинамический момент невелик и существенным образом зависит от направления ветра. В то же время, момент сопротивления началу вращения из-за большой нагрузки на опорный подшипниковый узел может быть значительным и даже превышать минимальный крутящий аэродинамический момент, реализующийся при определенных направлениях и силе ветра. В таком случае самостоятельный запуск ветроколеса становится почти невозможным.
Проблему самозапуска при слабой ветровой нагрузке решают известные в технике запатентованные конструкции ВЭУ.
Известна ветроустановка [1] для преобразования энергии ветра, которая может быть использована в широком диапазоне скоростей ветра. Радиальные цилиндры ветроустановки с горизонтальной осью вращения выполнены составными из вращающейся концевой и невращающейся корневой части. Каждый из цилиндров снабжен двумя турбулизаторами. По первому варианту турбулизаторы расположены вдоль цилиндров с угловыми координатами относительно направления ветра φ1=45°, φ2=-90°. По второму варианту турбулизаторы установлены по спирали вокруг оси цилиндров с угловыми координатами относительно направления ветра φ1=(1+k r/R)·30°<45°; φ2=-(1-k/2·r/R)·90°. Причем по первому и второму вариантам турбулизаторы расположены несимметрично относительно направления ветра и с зазором определенной величины относительно поверхности цилиндров. Самозапуск ветроколеса осуществляется за счет аэродинамической силы, создаваемой турбулизаторами на поверхности цилиндров.
Указанной конструкции присущи следующие недостатки:
- сложность конструкции: для самозапуска необходимо устанавливать специальные турбулизаторы.
Известна также конструкция ветроэнергетической установки [2], включающая стойку, вантовые оттяжки и ротор, выполненный в виде вертикального вала и лопастей, связанных траверсами, при этом стойка выполнена в виде опоры и несущей верхней части, а сама установка снабжена рабочими тестируемыми разрушаемыми элементами и противоугонным устройством, выполненным в виде последовательно и соосно связанных фланца, закрепленного на верхней несущей части стойки, аварийного тестируемого разрушаемого элемента и закрепленного на опоре стопорного кольца с закрепленными на нем коаксиально гидроамортизаторами и ограничителями поворота, причем верхняя часть стойки смонтирована на опоре через аварийный разрушаемый элемент с возможностью поворота относительно нее и возможностью взаимодействия фланца с гидроамортизаторами и ограничителями поворота, а диаметрально противоположные лопасти закреплены на концах траверс посредством рабочих разрушаемых тестируемых элементов со смещением вверх и вниз относительно траверс, вал ротора установлен на верхней несущей части стойки, а винтовые оттяжки закреплены одним концом на стопорном кольце, а другие притянуты к земле.
Рабочие и аварийный тестируемые разрушаемые элементы выполнены в виде осей шарниров и трубчатой тонкостенной вставки соответственно. Лопасти выполнены разной длины и закреплены на различном расстоянии от оси вращения, например лопасти большей длины закреплены ближе к валу ротора и наоборот.
Лопасти, закрепленные на концах траверс, смещаются вверх и вниз относительно последних. Таким образом, верхние и нижние сечения ротора имеют низкий коэффициент затенения, а средние сечения ротора имеют вдвое более высокий коэффициент затенения. Известно, что при высоком затенении ортогональные роторы приобретают свойство самозапуска, но имеют низкие энергетические характеристики при слабом ветре. В изобретении часть ротора имеет высокое затенение, что обеспечивает самозапуск, а часть ротора имеет низкое затенение, обеспечивающее более высокую мощность при слабых ветрах.
Указанная ветроэнергетическая установка, обладающая рядом достоинств, имеет следующие недостатки:
- сложность конструкции;
- средняя часть ротора с высоким коэффициентом затенения при больших ветрах становится тормозом, не позволяет ротору достичь больших оборотов, тем самым снижается КПД установки.
Несмотря на указанные недостатки, техническое решение, защищенное патентом RU 2079702 [2], может быть принято за прототип.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание конструкции, обеспечивающей получение технического результата, позволяющего надежно производить самозапуск ВЭУ при слабых ветровых нагрузках.
Этот технический результат достигается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая ротор с лопастями, мачту, оттяжки мачты, гасители вибраций оттяжек мачты, ступицу ротора, установленную на радиальных и упорном подшипниках, снабжена источником микровибраций, установленным на оси ротора в зоне размещения упорного подшипника. В качестве источника микровибраций может быть использован виброгенератор. Такая конструкция ВЭУ позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра за счет снижения момента сопротивления началу вращения ротора, т.к. трение покоя в упорном подшипнике заменяется на трение движения.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется графическими материалами на примере работы ветроэнергетической установки с вертикально вращающимся ротором, где
- на Фиг.1 изображен общий вид ветроэнергетической установки;
- на Фиг.2 показан выносной элемент I на Фиг.1 (ступица ротора в разрезе).
Ветроэнергетическая установка (Фиг.1 и 2) содержит ротор 1 с закрепленными на нем лопастями (на чертежах не показаны), мачту 2, оттяжки мачты 3, гасители вибраций 4 оттяжек мачты 2, ступицу 5 ротора 1, установленную на радиальных подшипниках 6 и упорном подшипнике 7. В зоне размещения упорного 7 подшипника на оси 8 ротора 1 установлен источник микровибраций 9, например, виброгенератор или электродвигатель со смещенным центром масс его ротора.
ВЭУ работает следующим образом.
При минимальных скоростях ветра (2-4 м/с), когда пусковой аэродинамический крутящий момент недостаточен, а момент сопротивления началу вращения (страгивания, запуска) из-за весовых нагрузок ротора на упорный подшипник может быть значительным и превышать аэродинамический момент, необходимо снизить момент сопротивления в упорном подшипнике. Это достигается тем, что источник микровибраций 9, задействуемый от источников электропитания, например, аккумулятора, создает в зоне размещения упорного подшипника 7 микровибрации порядка 10-50 гц, т.е. трение покоя в упорном подшипнике переходит в трение движения, а это позволяет снизить момент сопротивления началу вращения практически до нуля, и произвести самозапуск ВЭУ при минимальных значениях ветровой нагрузки. Затем под действием указанной ветровой нагрузки происходит рабочая раскрутка ротора. Источник микровибраций может быть выключен до следующего необходимого включения.
Патентуемая полезная модель решает проблему самозапуска ВЭУ при слабой ветровой нагрузке и может быть использована в конструкции ВЭУ различного типа и назначения.
Список литературы:
1. Патент RU 2118699. Ветроустановка и способ ее работы, кл. МПК F03D 1/00 (2006.01). Приоритет от 18.06.1996 г.
2. Патент RU 2079702. Ветроэнергетическая установка, кл. МПК F03D 3/00 (2006.01). Приоритет от 04.05.1995 г.