ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается ветроэнергетических агрегатов, в которых механическая энергия снимается с обода ветроколеса.
Известен ветродвигатель, где сложный и многоступенчатый редуктор заменен устройством, содержащим установленное на башне и закрепленное на горизонтальной оси ветроколесо с ободом, каретку с колесами, взаимодействующими с внутренней поверхностью обода, и закрепленный на площадке каретки генератор, на валу которого установлен ролик, контактирующий с наружной поверхностью обода ветроколеса (а.с. SU 1307080 А1).
Недостаток таких ветродвигателей заключается в том, что ролик прижат к ободу ветроколеса с постоянной силой, соответствующей максимальной передаваемой мощности. Это приводит к излишним износу ролика и потерям энергии на трение при малых скоростях ветра и, следовательно, уменьшенной снимаемой с обода мощности.
От этого недостатка свободна ветроэлектрическая станция, принятая за прототип, содержащая закрепленное на горизонтальной оси ветроколесо с ободом, каретку с электрогенератором, приводной вал которого снабжен роликом, контактирующим с поверхностью обода ветроколеса, при этом каретка связана с неподвижным основанием шарнирно, обеспечивая возможность перемещения ролика относительно обода ветроколеса в направлении контактирующих поверхностей (патент RU 2269027 C1, F03D 1/00, 2004).
Недостатком такой ветроэнергетической станции является то, что ее ветроколесо при работе с генератором переменного тока должно вращаться с постоянной скоростью, а следовательно, будет иметь максимальный коэффициент использования энергии ветра только при одной определенной скорости ветра. С учетом того, что скорость ветра постоянно изменяется, в среднем энергия ветра ветроколесом не будет использоваться по максимуму.
Задача изобретения - повышение эффективности использования ветроэлектрической станции за счет более полного использования энергии ветра. Технический результат достигается тем, что в ветроэлектрической станции, содержащей закрепленное на горизонтальной оси ветроколесо с ободом, каретку с электрогенератором, приводной вал которого снабжен роликом, контактирующим с поверхностью обода ветроколеса, при этом каретка связана с неподвижным основанием шарнирно, обеспечивая возможность перемещения ролика относительно обода ветроколеса в направлении контактирующих поверхностей, ролик выполнен в виде конуса, образующая которого, контактирующая с ободом ветроколеса, перпендикулярна его плоскости. Ступица ветроколеса насажена с возможностью вращения и осевого перемещения на расположенную горизонтально полую ось, в которой концентрически установлен на упорных подшипниках имеющий отверстие с резьбовой нарезкой вал, на одном из концов которой жестко закреплена ветротурбина, при этом отверстие с резьбовой нарезкой образует винтовую пару вместе с валом, жестко связанным со ступицей ветроколеса. Частота вращения холостого хода ветротурбины при заданной скорости ветра равна оптимальной по максимуму коэффициента использования энергии ветра частоте вращения ветроколеса. Все это при постоянной частоте вращения генератора обеспечивает работу ветроколеса с оптимальной по критерию максимума коэффициента использования энергии ветра частоте вращения, соответствующей фактической скорости ветра.
На чертеже (Фиг.1) схематично показан пример выполнения заявляемой ветроэлектрической станции.
Она состоит из головки 1, ветроколеса 2 велосипедного типа, ветротурбины 3 и синхронного генератора 4.
1
1
Головка 1 закреплена на опоре ветроагрегата (не показана) с возможностью поворота на ветер вокруг вертикальной оси O-O. В верхней части головка заканчивается расположенной горизонтально полой осью 5, на которую насажена с возможностью вращения и осевого перемещения ступица 6 ветроколеса 2. В нижней части головки на подпружиненной каретке 7 закреплен генератор 4. На его приводном валу установлен конический фрикционный ролик 8 так, что образующая его боковой поверхности, прижатая пружиной 9 к обрезиненному ободу 10 ветроколеса 2, перпендикулярна плоскости ветроколеса.
Ветротурбина 3 жестко закреплена на одном из концов вала 11. Она имеет частоту холостого хода при данной скорости ветра, равную частоте вращения ветроколеса 2 при его оптимальной по максимуму коэффициента использования энергии ветра загрузке (для большинства ветроколес оптимальная частота вращения примерно в два раза меньше частоты вращения холостого хода и, таким образом, указанное выше соотношение частот вращения обеспечивается за счет того, что ветротурбина изготовлена с быстроходностью, примерно в два раза меньшей быстроходности ветроколеса). Вал 11 концентрически установлен в полой оси 5 на упорных подшипниках 12 и 13 и с противоположной стороны имеет отверстие с резьбовой нарезкой. Отверстие вместе с валом 14, жестко связанным со ступицей 6 ветроколеса, образует винтовую пару.
Генератор 4 непосредственно нагружен на потребители электрической энергии со свободным графиком нагрузки, включение и отключение которых осуществляется независимо от состояния ветроустановки, и нагружен через автоматическое устройство 15 (догружатель) на потребители энергии, включение-отключение которых может быть смещено во времени в зависимости от избытка-недостатка ветровой энергии. В качестве таких потребителей могут быть электронагреватели, работающие параллельно с другими нагревательными устройствами, установки с аккумулированием энергии или вырабатываемого продукта или просто балластные резисторы.
Работает заявляемое устройство следующим образом.
При мощности ветроколеса 2 (пропорциональной кубу скорости ветра), превышающей мощность потребителей со свободным графиком нагрузки, догружатель 14, регулируя мощность балластных потребителей, поддерживает частоту вращения генератора, а следовательно, и частоту вырабатываемого им тока на постоянном (стандартном) уровне. Если генератор работает на централизованную электрическую сеть, то частота вращения генератора и частота вырабатываемого им тока задается сетью. Надобность в догружателе в этом случае отпадает. Допустим, что обод ветроколеса занимает положение относительно конического ролика, обеспечивающее оптимальную для данной скорости ветра частоту вращения ветроколеса. Эта скорость, как было показано выше, равна скорости холостого хода ветротурбины 3. При этом валы 11 и 14 вращаются с одинаковой скоростью и, следовательно, осевого перемещения вала 14 и связанной с ним ступицы 6 ветроколеса 2 не происходит. Сохраняется оптимальное передаточное отношение между валами ветроколеса 2 и генератора.
При увеличении скорости ветра пропорционально увеличится оптимальная частота вращения ветроколеса, увеличится и развиваемая им мощность. Однако она будет меньше максимальной для возросшей скорости ветра, так как действительная частота вращения ветроколеса останется на прежнем уровне в связи с тем, что догружатель, поддерживая частоту вращения генератора постоянной, не даст возрасти и частоте вращения ветроколеса. В то же время ветротурбина 3, работая практически вхолостую, увеличит частоту вращения до величины частоты вращения холостого хода, равной оптимальной частоте вращения ветроколеса 2. В результате разности частот вращения валов 14 и 11 вал 14 начнет вкручиваться в полость вала 11, перемещая обод ветроколеса по ролику в сторону его большего диаметра. Это приведет при постоянной частоте вращения генератора к увеличению частоты вращения ветроколеса 2. И, когда его частота вращения сравняется с частотой вращения ветротурбины, т.е станет равной оптимальной частоте вращения, перемещение ветроколеса прекратится. При этом установится оптимальное передаточное отношение между роликом и ободом ветроколеса и максимальная для данной скорости ветра мощность ветроколеса, соответствующая максимальному коэффициенту использования энергии ветра.
При уменьшении скорости ветра процесс установки оптимального передаточного отношения будет осуществляться в обратном порядке.
Таким образом, ветроэлектрическая станция будет работать с максимальным коэффициентом использования энергии ветра при любой его скорости, отдавая в электрическую сеть максимальное количество электрической энергии с постоянной величиной напряжения и частоты. За счет этого повышается эффективность ее использования, что выражается в сокращении срока окупаемости станции, большая величина которого является в настоящее время сдерживающим фактором для широкого внедрения существующих ветроэнергетических установок.