ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к конструкциям ветроэнергетических установок с осью вращения турбины перпендикулярной направлению потока ветра и может быть использовано для сооружения ветроэнергетических установок (ВЭУ) большой единичной мощности.
Известны и широко распространены крыльчатые ветроэнергетические установки, имеющие ветродвигатели с одним, двумя, тремя и более лопастями (Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. 2-е изд., перераб. и доп. М. Энергоатомиздат, 1983, с.72-73)
Общим недостатком указанных ВЭУ является их высокая стоимость, а также ограниченность максимальной единичной мощности (порядка 2-3 МВт) из-за недостаточной прочности существующих материалов лопастей.
Известны ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра и воздуховодом в виде параллелепипеда с открытыми торцами-окнами (RU 2248465 2001.06.13).
Недостатком данной конструкции является ее постоянная ориентация в преобладающем направлении ветра и неиспользовании других направлений, что ограничивает возможность ее работы значительное время, так как в большинстве районов, за исключением морских побережий и горных ущелий, "роза ветров" достаточно равномерна.
Кроме того, данная конструкция с закрытым воздуховодом не позволяет выполнить установку большой мощности (порядка нескольких МВт).
Известна также ветроэнергетическая установка с силовым колесом, выполненным в виде мельничного водяного колеса (RU 2171397, 26.02.1997).
Основным недостатком ее является постоянная ориентация в преобладающем направлении ветра, что также снижает возможность использования установки во многих районах значительное время.
Известна также парусная ветроэнергетическая установка, выполненная в виде диффузора и продольной многолопастной турбины с горизонтальным расположением вала, устанавливаемых на круговой поворотной конструкции и постоянно поворачивающихся навстречу ветру (заявка PCT/BY 2007/000005).
По совокупности совпадающих признаков данная установка принята в качестве прототипа.
Недостатком данной установки является низкий коэффициент использования энергии ветрового потока в связи с потерей напора ветра на трение о стенки диффузора.
Задачей предлагаемого изобретения является создание такой конструкции установки, которая бы обеспечивала возможность сооружения ВЭУ большой единичной мощности даже при небольших скоростях ветра и при этом наиболее эффективно использовала энергию ветрового потока.
Задача решается следующим образом:
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) выполняется в виде продольной многолопастной турбины с горизонтальной осью вращения и радиальными спиралевидными лопастями, устанавливаемой на определенной высоте от поверхности земли, при этом ось турбины всегда направлена перпендикулярно направлению ветра, для чего турбина устанавливается на поддерживающих фермах, поворачивающихся по круговым конструкциям, выполненным, например, из монорельса или из рельсового пути.
Для снижения потерь ветровой энергии по торцам турбины устанавливают крышки.
Для придания жесткости всей конструкции турбины, по меньшей мере в одном месте, по ее длине устанавливают поперечные дисковые ребра жесткости.
Электрические генераторы устанавливают по торцам турбины и/или, по меньшей мере в одном месте, по ее длине и соединяют с валом турбины с помощью муфты, редуктора, цепной, ременной или зубчатой передачи.
С целью защиты установки от опрокидывания к поддерживающим фермам крепят кронштейны с вращающимися роликами, перемещающимися по внутренним сторонам монорельсов, при этом сами монорельсы жестко крепят к соответствующим фундаментам.
Для этой же цели по центральной вертикальной оси ветроэнергетической установки на поддерживающей ферме устанавливают анкер, ограничивающий вертикальное перемещение фермы.
Для защиты от разрушения установки при ураганных скоростях ветра ветроэнергетическая установка поворачивается в этом случае по круговой конструкции таким образом, чтобы спиралевидные лопасти располагались параллельно ветровому потоку или под некоторым углом к нему, чтобы даже при максимальных скоростях ветра ВЭУ оставалась в работе.
Поворот ВЭУ может осуществляться автоматически от датчиков скорости (напора) и направления ветра или по команде оператора, основанной на данных метеослужбы.
Для максимального использования крутящего момена за счет устранения мертвой зоны вблизи оси турбины и, таким образом, более полного использования кинетической энергии воздушного потока спиралевидные лопасти могут крепиться к полому продольному цилиндру диаметром от 0,1 до 0,6 диаметра ветроколеса.
В этом случае многополюсный электрический генератор может встраиваться внутрь цилиндра, при этом его ротор (подвижная часть) жестко крепится к внутренней стороне цилиндра, а статор закрепляется на неподвижном валу турбины.
С целью использования фактора увеличения скорости ветра в зависимости от высоты над землей, тем более что мощность ВЭУ зависит от скорости ветра в третьей степени, диаметр ветроколеса может быть в несколько раз больше его длины (определяется технико-экономическим расчетом).
Для снижения потерь напора ветра необходимых для преодоления сопротивления ветру лопатками турбины движущимися навстречу ветру (расположенными ниже оси турбины) на несущих фермах устанавливают ветрозащитный кожух в виде сегмента цилиндра.
Для более полного использования приземного потока воздуха, а также более полного использования несущих конструкций, в пространстве от нижнего края ветроколеса до земли может дополнительно устанавливаться парусная ветроэнергетическая установка по заявке PCT/BY 2007/000005.
При большой длине ветроколеса несущих конструкций может быть больше двух.
Действие установки по настоящей полезной модели происходит по аналогии с водяным колесом, сходно с его принципом действия и конструктивного исполнения.
На фиг.1 показана ветроэнергетическая установка в плане.
На фиг.2 показан разрез А-А.
На фиг.3 показан узел С.
На фиг.4 показана ВЭУ с цилиндром.
На фиг.5 показана ВЭУ, совмещенная с парусной ветроэнергетической установкой, вид сбоку.
На фиг.6 показан электрогенератор, встроенный в цилиндр.
Ветроэнергетическая установка включает в себя многолопастную продольную спиралевидную турбину 1 и электрический генератор 2, установленные на круговую поворотную направляющую конструкцию 3 через поддерживающую ферму 4, имеющую торцевое ребро жесткости 5 и промежуточное ребро жесткости 6. Механическая связь турбины 1 с генератором 2 может осуществляться через ременную (клиноременную) передачу 7 или соединительные муфты (не показаны) при установке генераторов 2 по торцам турбины 1. Направляющие колеса 8 и направляющее колесо с приводом для передвижения 9 служат для вращения круговой поворотной направляющей конструкции 3. Датчик направления ветра 10 и система автоматики 11 обеспечивают необходимую круговую ориентацию ветроэнергетической установки. Кронштейны 12 с роликами обеспечивают защиту ВЭУ от опрокидывания, многолопастная продольная спиралевидная турбина 1 содержит защитный кожух 13. Предусмотрено исполнение ВЭУ, при котором турбина 1 содержит цилиндр 14 со встроенным электрогенератором, включающим в себя ротор 15, жестко прикрепленный к цилиндру 14 и статор 16, смонтированный на неподвижном валу 17. На заявляемую ВЭУ может быть установлена также парусная ветроэнергетическая установка 18.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка работает следующим образом:
Датчик направления ветра 10 через систему автоматики 11 воздействует на привод направляющего колеса 9 таким образом, что ось турбины и ее вал всегда направлены перпендикулярно потоку ветра и таким образом ветер приводит во вращение турбину и связанные с ней электрические генераторы для выработки электрической энергии.