ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ДВУМЯ ВЕТРОКОЛЕСАМИ
WIND POWER PLANT WITH TWO WIND WHEELS

Изобретение относятся к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках (ВЭУ) с двумя ветроколесами.
P
Pмах
Известно устройство-аналог (Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии.: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат.1990. На стр. 241 задача 9.7 и ее решение на стр. 242) в виде ветроэнергетической установки с двумя соосными ветроколесами с вращением их в разные стороны. Согласно линейной теории при расположении двух идеальных ветроколес одного диаметра последовательно и удаленно друг от друга удается достичь максимального коэффициента мощности С=0.64. Для одного идеального ветроколеса согласно той же теории максимальный коэффициент мощности равен критерию Жуковского-Бетца, т.е. равен С=16/27=0.593 (по сути, это КПД одного идеального ветроколеса). Таким образом, для двух ветроколес выигрыш по мощности составляет примерно 5%, т.е. использование ветроэнергетической установкой энергии ветра увеличилось тоже на 5%.
Недостатком устройства-аналога является недоиспользование ветроэнергетической установкой энергии ветра.
Известен прототип (Патент РФ №2522256, МПК F03D 7/02, опубликовано 10.07.2014, Бюл.№19), согласно которому способ управления ветроэнергетической установкой (ВЭУ) основан на том, что формируют сигнал о скорости ветра на высоте оси вращения одновременно работающих двух соосных ветроколес с равными числами n лопастей, оба ветроколеса синхронно вращают в одну и ту же сторону, измеряют угол α между продольными осями, например, первых лопастей обоих ветроколес при скорости ветра, когда ветроэнергетическая установка развивает мощность, равную или превышающую номинальную мощность, устанавливают второе ветроколесо по отношению к первому при угле α≈0, при скорости ветра, когда ВЭУ развивает мощность, меньшую номинальной мощности, по мере снижения скорости ветра пропорционально увеличивают значение угла α так, чтобы при минимальной рабочей скорости установилось значение .
При этом ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами, содержащая лопасти ветроколес, ступицы и общий вал ветроколес, электрогенератор, энергосистему, датчик скорости ветра, вал ветроколес соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, дополнительно снабжена блоком управления углом между ветроколесами, расположенным на общем валу ветроколес, а управляющий вход блока управления углом между ветроколесами соединен с выходом датчика скорости ветра.
Кроме того, блок управления углом между ветроколесами выполнен в виде функционального блока формирования сигнала об угле между ветроколесами, вход которого соединен с выходом датчика скорости ветра через управляющий вход блока управления углом между ветроколесами, а выход соединен с первым входом регулятора угла между ветроколесами, второй вход которого соединен с выходом датчика угла между ветроколесами, выход регулятора угла между ветроколесами соединен с управляющим входом полупроводникового преобразователя частоты, силовой вход которого соединен с источником питания, а силовой выход соединен со статорной обмоткой электродвигателя, вал которого соединен с системой передачи "винт - гайка", гайка которого соединена с подвижным элементом датчика угла между ветроколесами и через подшипниковый узел со ступицей второго ветроколеса, образующей с валом винтовую шлицевую пару.
Недостатком прототипа является то, что при использовании в современных ветроэнергетических установках большой мощности лопастей длиной до 50 м. и более, из-за близкого расположении плоскостей вращения ветроколес при α≈0 возможен перехлест лопастей, так как при порывах ветра отклонения концов лопастей от нормальной плоскости вращения составляет до нескольких метров, что снижает надежность работы ветроэнергетической установки.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности работы ветроэнергетической установки при повышенном коэффициенте использования энергии ветра и увеличенной выработке электроэнергии.
Технический результат, заключающийся в обеспечении наибольшей суммарной ометаемой площади ветроколес при повышенном коэффициенте использования энергии ветра, достигается тем, что ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами, содержащими равное число лопастей, ступицы ветроколес с обтекателями, электрогенератор, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, снабжена блоком зубчатых передач, каждое ветроколесо через свой вал соединен со своим входом в блок зубчатых передач, выход которого соединен с электрогенератором, при этом указанные валы расположены под углом δ друг к другу, блок зубчатых передач выполнен с возможностью синхронного вращения указанных валов в разные стороны так, чтобы лопасть одного ветроколеса проходила в середине двух соседних лопастей другого ветроколеса, не задевая его обтекатель ступицы.
Кроме того, в блоке зубчатых передач валы ветроколес соединены между собой конической зубчатой передачей, а выход блока зубчатых передач образует продолжение одного из валов ветроколес.
Кроме того, угол δ между валами равен δ=2arctg [(L/2)/C], где L - расстояние между ступицами ветроколес, С - расстояние между серединой L - расстояния между ступицами ветроколес, и между точкой условного пересечения валов ветроколес.
Предлагаемое устройство схематично представлено на рисунках.
На Фиг. 1 представлена общая схема ветроэнергетической установки с двумя ветроколесами.
Σ
2
На Фиг. 2 представлены график отношения суммарной ометаемой площади двумя ветроколесами предлагаемого устройства к ометаемой площади одного ветроколеса S/(π⋅R)=f(δ) в относительных единицах [о.е.] и график расстояния между ступицами ветроколес L[м]=f(δ).
Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами 1 и 2, содержащими равное число лопастей (например, по три лопасти), ступицы 3 и 4 с обтекателями соответственно ветроколес 1 и 2, электрогенератор 5, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме (на Фиг. 1 не показана). Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами снабжена блоком 6 зубчатых передач. Каждое ветроколесо 1 и 2 через свой вал 7 и 8 соответственно соединен со своим входом в блок 6 зубчатых передач, выход которого соединен с электрогенератором 5. При этом указанные валы 7 и 8 расположены под углом 6 друг к другу. Блок 6 зубчатых передач выполнен с возможностью синхронного вращения указанных валов 7 и 8 в разные стороны так, чтобы лопасть одного ветроколеса проходила в середине двух соседних лопастей другого ветроколеса, не задевая его обтекатель ступицы. При этом плоскости вращения ветроколес 1 и 2 также расположены под углом δ друг к другу. В блоке 6 зубчатых передач валы 7 и 8 ветроколес 1 и 2 соединены между собой конической зубчатой передачей 9, а выход блока 6 зубчатых передач образует продолжение одного из валов ветроколес. Угол δ между валами 7 и 8 равен δ=2arctg [(L/2)/C], где L - расстояние между ступицами 3 и 4 ветроколес 1 и 2 (на Фиг. 1 - это отрезок прямой АВ), С - расстояние между серединой расстояния L между ступицами 3 и 4 ветроколес 1 и 2 и между точкой условного пересечения валов 7 и 8 ветроклес 1 и 2 (на Фиг. 1- это отрезок прямой NK). На Фиг. 1 приведена гондола 10 ветроустановки (вид сверху).
Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами работает следующим образом. Ветровой поток вращает ветроколеса 1 и 2, содержащие равное число лопастей (например, по три лопасти). Через ступицы 3 и 4, валы 7 и 8 и блок 6 зубчатых передач это вращение передается на вал электрогенератора 5, который вырабатываемую электроэнергию отдает в энергосистему. При вращении указанные валы 7 и 8, расположенные под углом 6 друг к другу, обеспечивают наибольшую суммарно ометаемую площадь ветроколес 1 и 2. А блок 6 зубчатых передач (1. Машиностроение. Энциклопедия. / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. 2. Детали машин. Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. T.IV-1 / Д.Н. Решетов, А.П. Гусенков и др. Под общ. ред. Д.Н. Решетова. 864 с: ил.) благодаря конической зубчатой передаче 9 обеспечивает синхронное вращение указанных валов 7 и 8 в разные стороны так, что лопасть одного ветроколеса проходит в середине двух соседних лопастей другого ветроколеса (аналогично зубцам в шестеренчатой паре), не задевая его обтекатель ступицы. При этом плоскости вращения ветроколес 1 и 2 расположены также под углом 6 друг к другу.
Σ
Σ
Р
Рмах
2
На Фиг. 2 представлены графики расчетов для ветроустановки с радиусом ветроколеса R=24 м (как у отечественной ветроустановки «Радуга-1») для трех значений С=10; 5; 3 м расстояния между серединой расстояния L между ступицами 3 и 4 ветроколес 1 и 2 и между точкой условного пересечения валов 7 и 8 ветроколес 1 и 2. При этом графики 1; 2; 3 (соответственно при С=10; 5; 3 м) представляют графики отношения суммарной ометаемой площади S двух ветроколес предлагаемого устройства к ометаемой площади одного ветроколеса S/(π⋅R)=f(δ) в относительных единицах [о.е.]. Как следует из графиков, ометаемые ветроколесами площади увеличились соответственно на 14% при δ=55°; на 4% при δ=30° и на 2% при δ=20°. Так как мощность ветроустановки прямо пропорциональна площади, ометаемой ветроколесом, то на соответствующий процент возрастает и вырабатываемая предлагаемой установкой энергия. График 4; 5 и 6 представляют графики L[м]=f(δ) соответственно при С=10; 5; 3 м. Например, как следует из графика 5 (при С=5 м), при 8=30° расстояние между ступицами 3 и 4 ветроколес 1 и 2 равно L=2.8m. В целом из-за увеличения ометаемой ветроколесами площади и из-за близости плоскостей вращения ветроколес суммарный коэффициента мощности ветроустановки достигает значения С=0.83, т.е. на ~24% больше, чем С=0.593 идеального ветроколеса.
Таким образом, предлагаемая ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами при повышении эффективности ветроэнергетической установки повышает и надежность в целом, так как плоскости вращения ветроколес пересекаются так, что лопасть одного ветроколеса проходит в середине двух соседних лопастей другого ветроколеса, не задевая его обтекатель ступицы при порывах ветра.