Ветроэнергетическая установка

Полезная модель относится к ветроэнергетике, в частности к конструкциям ветроэнергетических установок, и может быть использована для выработки электроэнергии в отдаленной от электрических сетей местности или в качестве привода к различным механическим устройствам.
Ветровая энергия, наряду с солнечной и водной, принадлежит к числу постоянно возобновляемых и, в этом смысле, вечных источников энергии, обязанных своим происхождением деятельности Солнца. К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает к установленному на его пути ветродвигателю, что особенно важно для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т.п.) районов, удаленных от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 кВт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах.
В то же время существуют и недостатки ветроэнергетических установок, которые затрудняют их внедрение. Одним из главных недостатков является низкий коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), который теоретически может достигать величины 0,593 от мощности ветрового потока, однако, существующие ветряки имеют КИЭВ от 0,197 до 3,5. Серьезной проблемой является необходимость аккумулировать энергию избыточной ветровой нагрузки для поддержания рабочего режима установки при снижении или в отсутствие ветровой нагрузки.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.
Известен ветроагрегат, содержащий рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на котором установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенный с осью поворота лопасти, см. патент РФ №2119094. Однако указанная конструкция является достаточно сложной, а связь между флюгером и механизмом поворота лопасти постоянно нагружена, что можно отнести к недостаткам известной конструкции.
Известен ветродвигатель, содержащий установленное на вертикальном валу рабочее колесо с верхними и нижними спицами, между которыми на их концах размещены поворотные балансировочные лопасти, валы которых через муфты связаны цепной передачей с общим флюгером, см. А.с. №1483081. Выполнение лопастей поворотными позволяет оптимально ориентировать их в процессе работы, что обеспечивает оптимальную аэродинамику лопастей при движении по потоку ветра и против. Однако общий механизм поворота лопастей, представляющий собой цепную передачу, связывающую флюгер с каждой лопастью, сложен, что снижает надежность работы устройства.
Известен более совершенный ветроагрегат, содержащий рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на которой установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенного с осью поворота лопасти, причем верхний конец каждой лопасти выполнен с возможностью отклонения в плоскости лопасти симметрично относительно вертикальной оси на расстояние не более В/5,27, где В - максимальное значение ширины лопасти, см. патент РФ №2193688. Каждый флюгер кинематически соединен с осью поворота лопасти посредством механизма разгрузки, который выполнен в виде предохранительной муфты. Известная конструкция ветроагрегата является достаточно сложной и не предотвращает нежелательных и нерегулируемых колебаний лопастей во время работы установки, что снижает надежность работы установки.
Известны ветроэнергетические установки с электрическими, механическими, пневматическими и гидравлическими приводами поворота лопастей, см. Учебное пособие издат. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор Р.А. Янсон. Ветроустановки. 2007 г., гл. 7.3. - регулирование горизонтально-осевого ветродвигателя поворотом лопасти.
Известна ветроэнергетическая установка по патенту РФ №144415 с горизонтально расположенной осью генератора и лопастями, установленными с возможностью поворота, отличающаяся тем, что она снабжена двумя независимыми группами лопастей, вращающихся в одну или в разные стороны вокруг одной горизонтально расположенной оси генератора, при этом лопасти выполнены с поперечным сечением в виде аэродинамического крылового профиля с закругленной передней и острой задней кромкой, закреплены на держателях с возможностью поворота на угол до 90° и подпружинены относительно держателей, при этом места крепления на держателях лопастей одной группы смещены относительно мест крепления лопастей другой группы на величину, достаточную для отсутствия перекрывания лопастями разных групп друг друга в плоскости, перпендикулярной оси генератора, который выполнен с двумя группами постоянных магнитов, каждая из которых закреплена на оси вращения соответствующей группы лопастей.
Известна ветроэнергетическая установка по патенту РФ №172055 с горизонтально расположенной осью генератора и двумя независимыми группами лопастей, установленных на держателях с возможностью поворота относительно горизонтальной оси генератора и со смещением мест крепления одной группы лопастей от другой их группы, характеризуется тем, что генератор выполнен в виде двух дисков с закрепленными на них магнитами и диска с обмотками и токосъемниками, при этом диски с магнитами приводятся во вращение одной группой лопастей, а диск с обмотками токосъемниками приводится во вращение другой группой лопастей, вращающихся в разные стороны вокруг одной горизонтально расположенной оси генератора, причем диски с магнитами и диск с обмотками и токосъемниками укреплены с возможностью независимого вращения в разные стороны. Магниты и обмотки генератора в этой установке вращаются вокруг одной неподвижной оси навстречу друг другу, вследствие чего частота вращения магнитов относительно обмоток генератора равна сумме частоты вращений магнитов относительно неподвижной оси и частоты вращения обмоток относительно той же неподвижной оси.
Недостатком данного технического решения, принятого за прототип, равно как и всех известных ветроэнергетических установок, является недостаточно высокая выработка электроэнергии.
Цель полезной модели - создание ветроэнергетической установки с увеличенной выработкой электроэнергии.
Сущность полезной модели выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения поставленной задачи.
Согласно полезной модели ветроэнергетическая установка с горизонтально расположенной осью генератора и двумя независимыми группами лопастей, установленными на держателях с возможностью поворота относительно горизонтальной оси генератора и со смещением мест крепления одной группы лопастей от другой их группы, характеризуется тем, что генератор выполнен дисковым трехфазным, обмотки каждой фазы трехфазного генератора размещены на отдельных трех дисках, которые неподвижно соединены между собой, причем начала обмоток смещены относительно друг друга на 30 градусов, диски с обмотками размещены между четырьмя дисками с магнитами, которые также неподвижно соединены между собой, диски с магнитами и диски с обмотками расположены на одной оси трехфазного генератора, при этом диски с магнитам приводятся во вращение одной группой лопастей, а диски с обмотками приводятся во вращение другой группой лопастей в противоположные стороны.
Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации заявленных совокупностей признаков, заключается в увеличении мощности генератора практически в три раза.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид заявленной установки, на фиг. 2 - продольный разрез по оси генератора.
Ветроэнергетическая установка включает генератор 1 с горизонтально расположенной осью и две независимые группы лопастей 2 и 3, установленные на держателях 4 с возможностью поворота относительно горизонтальной оси генератора 1 и со смещением мест крепления группы лопастей 2 от мест крепления группы лопастей 3. Генератор 1 выполнен в виде четырех дисков 4, 5, 6, 7 с закрепленными на них магнитами и трех размещенных между ними дисков 8, 9 и 10 с обмотками.
Диски 4-7 с магнитами приводятся во вращение группой лопастей 2, а диски 8, 9 и 10 с обмотками приводится во вращение группой лопастей 3, вращающихся в разные стороны вокруг одной горизонтально расположенной оси генератора 1. Заявленное выполнение генератора позволяет значительно эффективнее использовать воздействие магнитов на обмотки генератора, поскольку полюса второго диска 5 с магнитами одновременно воздействуют на обмотки 8 и 9 дисков, а полюса 6 диска с магнитами одновременно воздействуют на обмотки 9 и 10 дисков, что увеличивает эффективность работы генератора. Кроме того за счет размещения обмоток одной фазы трехфазного генератора на отдельном диске достигается увеличение длины проводника и площади его сечения, тем самым увеличивается напряжение и сила тока, выдаваемого каждой фазой генератора, что приводит к увеличению мощности трехфазного дискового генератора на постоянных магнитах, используемого для выработки электроэнергии в ветроустановках.