АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
AUTOMATED WIND-DRIVEN PLANT

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электроэнергию.
Известен "Ветроэлектрический агрегат", содержащий неподвижную горизонтальную ось, установленное на ней ветроколесо с лопастями, связанными между собой наружным ободом, контактирующим с роликами, размещенными на основании, и электрогенератор, вал которого кинематически связан с роликами, при этом основание установлено с возможностью поворота вокруг своей оси, для чего использован привод, и снабжено гибкими тягами, связанными с осью ветроколеса, и дополнительными роликами, установленными снаружи обода и подпружиненными к нему (Авторское свидетельство СССР №1231251, кл. P03O 1/00, 1986 г.). Указанный аналог имеет недостатки. В нем применена сложная электромеханическая схема. Большие габариты, металлоемкость и громоздкость снижают его надежность во время ураганов и обильных снегопадов.
Данное устройство хорошо работает только при узкоопределенном диапазоне скорости ветра, имеет низкий коэффициент полезного действия, и насколько известно, техническое решение не востребовано на практике. Маркетинг показал, что до настоящего времени по предложенному принципу не изготовлен ни один агрегат.
Наиболее близким к заявленному изобретению является Автоветроэлектростанция со ступенчатой загрузкой. (Патент РФ №2024783, F03D 7/00, 15.12.1994 г.). Автоветроэлектростанция содержит установленную на неподвижном основании поворотную платформу с размещенным на ней ветродвигателем, по крайней мере, два генератора, связанных приводными валами ветродвигателя и систему ступенчатой загрузки и ориентации на ветер.
Дополнительно автоветроэлектростанция содержит установленный на неподвижном основании электродвигатель привода поворотной платформы, кольцевой коллектор, закрепленный на поворотной платформе и связанный через токосъемник с потребителем, причем генераторы, на приводных валах которых установлены электромагнитные муфты скольжения, размещены на поворотной платформе, а система ступенчатой загрузки и ориентации на ветер ветродвигателя включает в себя блоки переключателей генераторов с контакторами: контакторами, включения электромагнитов муфт скольжения и контакторами включения генераторов, датчик скорости ветра, тахометры, установленные на оси возбудителей тока генераторов, датчик направления ветра с реверсным переключателем, при этом датчик скорости ветра выполнен аэротахометром с лимбом контактора градации скоростей ветра и алидадой на оси редуктора и через контакторы блока переключателей электрически связан с электромагнитами муфт скольжения, тахометрами и генераторами, а датчик направления ветра через реверсный переключатель связан с электродвигателем привода поворотной платформы.
Кроме того, автоветроэлектростанция снабжена аккумуляторной батареей, ячейками высокого и низкого напряжения, повышающим трансформатором, ячейками коммутации. Ветродвигатель установлен на опорах, которые жестко связаны с поворотной платформой.
Автоветроэлектростанция со ступенчатой загрузкой работает следующим образом. Автоветроэлектростанция, установленная на основании поворотной платформы, свободно вращается вокруг своей оси на поворотном круге. Ветротурбинный двигатель самозапускается при скорости ветра до 5 м/с, при этом электрогенератор (один из 6-ти), постоянно находящийся в зацеплении с валом, вырабатывает электроток питающей системы ориентации и загрузки, смонтированных на поворотной платформе, а система ориентации датчиком направления ветра, через реверсный контактор электрически связанным с двигателем, устанавливает станцию на ветер.
При усилении ветра система ступенчатой загрузки датчиком скорости ветра, электрически связанным с аэротахометром, алидадой, на его оси, замыкает контакт, соответствующий скорости ветра, на лимбе, электрически связанного с блоком контакторов n-го генератора, при этом контактором генератор раскручивается до оборотов вала, а тахометр на валу возбудителя тока контактором включит электромагниты скользящей муфты и одновременно контактором включит генератор в сеть станции, разомкнув контактор.
Выработанная электроэнергия передается потребителю через поворотную часть кольцевого коллектора и токосъемником через оборудование подстанции.
При ослаблении ветра алидада разомкнет контакт на лимбе аэротахометра, при этом разомкнется контактор, а контактором будет выведена скользящая муфта из зацепления с валом электромагнитом.
Прототип имеет существенные недостатки.
В нем применена очень сложная электромеханическая схема. Из-за большой громоздкости "Ветроустановка" при скорости ветра от 2 до 5 м/с работает только на самообслуживание. Как показано в описании, "в случае увеличения скорости ветра больше расчетной, ветроколесо с башней поворачивают в горизонтальную плоскость и выводят из-под ветра".
Ввиду сложности конструкции цена «Ветроустановки» будет выше серийно выпускаемых.
Очень высокая удельная металлоемкость агрегата и громоздкость конструкции не спасают его при ураганных ветрах от поломок и вывода из строя, а в зимнее время при обильных снегопадах приводят его к отключению. Коэффициент полезного действия «Ветроустановки» низок.
Наращивание поддержки малого и среднего бизнеса во многих регионах, не охваченных электрическими сетями или охваченных, но планирующих снизить себестоимость продукции, повысило спрос на рынке нетрадиционных источников энергии.
Маркетинг рынка на ближайшие 10-15 лет показал, что спрос на покупку и строительство ветроэлектростанции может значительно вырасти при следующих условиях: снижение цены в 2-2,5 раза, упрощение обслуживания конструкции, расширение диапазона использования скоростных потоков ветра, снижение риска вывода из строя ветроустановок от ураганных ветров, которые, как показывает практика, наблюдаются везде.
Техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является увеличение зоны обхвата воздушного потока, повышение коэффициента использования воздушных масс при малом расходе материалов, снижение шума при повышении эффективности работы турбины, исключение забивания заборной части снегом и обледенения узлов ветродвигателя в зимнее время. И самое главное, повышение надежности работы и коэффициента полезного действия.
Заявленный технический результат достигается тем, что в автоматизированной ветроэлектростанции со ступенчатой загрузкой, содержащей установленную на неподвижном основании поворотную платформу с размещенным на ней ветродвигателем, генераторы, связанные приводными валами с ветродвигателем, систему ступенчатой загрузки и ориентации на ветер, электродвигатель привода поворотной платформы, коллектор, закрепленный на поворотной платформе, связанный через токосъемник с потребителем, датчики скорости и направления ветра, с реверсным переключателем, в отличие от прототипа ветродвигатель выполнен в виде турбины и установлен в напорной части удлиненного пирамидального кожуха, закрепленного на неподвижном основании центральной осью, связанной через звездочки приводными цепями с электроприводом, снабженным механизмом для ручного перемещения поворотной платформы, и с вертикальными стойками, которые закреплены на направляющем рельсе роликами с двойным обхватом, а нижняя плоскость заборной части удлиненного пирамидального кожуха снабжена задвижкой с электроприводом, при этом перед заборной частью симметрично установлены направляющие щиты воздушного потока, а
внутри напорной части, на валу турбины, установленном в подшипниках, на концах закреплены конусы, при этом один конец вала турбины механически соединен с генераторами через обгонные муфты.
Сущность технического решения предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена автоветроэлектростанция, вид в плане.
На фиг.2 изображена автоветроэлектростанция, вид с боку.
На фиг.3 изображен вид монтажа турбины, генератора и опорно-приводных механизмов, закрепленных на неподвижной платформе.
На фиг.4 изображена схема сопряжения опор с рельсом.
Устройство автоветроэлектростанции фиг.1 со ступенчатой загрузкой содержит установленную на неподвижном основании 1; поворотную платформу 2 с размещенным на ней ветродвигателем 3, генераторы 4, связанные приводными валами 5 (фиг.2) с ветродвигателем 3. Система ступенчатой загрузки и ориентации на ветер 6 и электропривод 7 привода поворотной платформы 2 установлены на неподвижном основании 1.
Коллектор 8, закрепленный на поворотной платформе, связан через токосъемник с потребителем 9, а система ступенчатой загрузки 6, датчики скорости и направления ветра 10 электрически связаны с реверсным переключателем. Ветродвигатель 3 выполнен в виде турбины 11, установленной в напорной части 12 удлиненного пирамидального кожуха 3, закрепленного на неподвижном основании 1 центральной осью 13, связанной через звездочки 16 приводными цепями 15 с электроприводом 7, и с вертикальными стойками 14, которые закреплены на направляющем рельсе 18 роликами с двойным обхватом 17. В заборной части 19 пирамидального кожуха 2 выполнена задвижка 20 с электроприводом 21. На определенном расстоянии перед заборной частью 19 симметрично установлены направляющие щиты 22 воздушного потока. Внутри напорной части 12 на валу турбины 11, установленном в подшипниках, на концах закреплены конусы 23. Один конец вала турбины 11 механически соединен с генераторами 4 через обгонные муфты 24. У удлиненного пирамидального кожуха 3 площади заборной 19 и напорной 12 частей выполнены в соотношении, обеспечивающем потребные напор и расход воздушного потока. Электропривод 7 снабжен механизмом 25 для ручного перемещения платформы 2.
Платформа 2 через ось 13 опирается на упорный подшипник 26, находящийся в корпусе 27, наглухо посаженном в неподвижную бетонную плиту 28, в которой прочно установлена ось 29, упорный подшипник 26 и ось 13. Самопроизвольное смещение подвижной платформы 2, или под воздействием потоков ветра, блокируется червячной парой в электроприводе 7. Запас прочности червячной пары, приводных цепей и роликов с обратным обхватом допускает тройное превышение усилия ураганного ветра.
Автоветроэлектростанция монтируется с учетом ряда особенностей местности. Потоки ветра в большинстве регионов, где используются ветроэлектростанции, как показала практика, в основном движутся системно и, как правило, в двух противоположных направлениях, увязанных по времени. К примеру, в горных районах потоки воздушных масс движутся днем в одну сторону, ночью в другую. Также на прибрежных участках морей и во многих равнинных участках. С учетом изложенного, автоветроэлектростанция монтируется на специально выбранной площадке согласно схемам, изложенным на фиг.1, 2, 3, 4.
Автоматизированная ветроэлектростанция работает следующим образом.
После завершения всех строительно-монтажных работ, апробации пускорегулирующих схем и механизмов поворотная платформа 1 в автоматическом режиме, определяемым датчиком скорости и направления ветра 10, подводится заборной частью 19 пирамидального кожуха к оси воздушных потоков. Воздушные потоки в зоне охвата направляющих щитов 22 подворачиваются щитами 22 и шибером 20 в зону заборной части 19. Воздушные потоки концентрируются, уплотняются в пирамидальном кожухе, а перед напорной частью 12 и конусом 23 под определенным углом направляются на лопасти турбины 11.
Таким образом, общий удельный расход воздушных масс, проходящих в единицу времени через сечение ветродвигателя - турбины 11, в сравнении с конструктивными решениями в аналогах и прототипе, увеличивается в сотни раз.
Турбина 11 раскручивается воздушными потоками, которые конусом 23 фиг.3 (показано в сечении) на выходе из ветродвигателя 3 плавно направляются в разные стороны.
Объем воздушных масс, проходящих через турбину, в единицу времени, резко возрастает ввиду их сбора с большого пространства и концентрации перед турбиной 11. Возрастает также и скорость потока воздуха в зоне турбины 11. Наращиваются ее обороты, и разгонные муфты 24 начинают вращать все генераторы 4, подключая их последовательно. Электрический ток, вырабатываемый генераторами 4, через коллектор 8 и токосъемник передается потребителю 9.
Конструкция автоветроэлектростанции рассчитана выдерживать любые скорости движения воздушных потоков, ураганов и смерчей. В конструкции предусмотрена возможность ручного корректирования вращения пирамидального кожуха 3 по рельсу 18 на электроприводе 7 посредством механизма 25.
Техническая сущность в заявленном изобретении решается следующими признаками.
Ветродвигатель выполнен в виде турбины 11 и установлен в напорной части 12 удлиненного пирамидального кожуха 3.
Данный признак в сравнении с прототипом и конструкциями ветродвигателей ведущих компаний-производителей позволяет, в первую очередь, уменьшить габариты и металлоемкость в 2-2,5 раза. Уменьшить количество узлов и упростить конструкцию. Все это вместе взятое позволит снизить себестоимость конструкции в 2-2,5 раза и повысить её надежность.
Конструкция пирамидального удлиненного кожуха 3, закрепленного через центральную ось 13, и вертикальные стойки 14 с приводными цепями 15, связанными с электроприводом 7, звездочками 16 и роликами 17 с двойным обхватом на направляющем рельсе 18 позволяет:
снизить габариты по высоте ветроэлектростанции в 8-10 раз и крепить его роликами 17 с двойными обхватом к рельсу 18, который сам крепится прочно к бетонному основанию по всему периметру. Такая конструкция повышает надежность работы даже в период ураганных ветров, обеспечивая бесперебойную работу.
Здесь следует отметить, что у прототипа и фирм-производителей ветроэлектростанции, установки ветроэлектростанции снабжены системой автоматизации, которая переводит их в период урагана в определенное положение и снижает риск сваливания установок. Однако практика показывает, что они все равно валятся. Кроме того, прототип в зимнее время в горных условиях и даже на равнине во время снегопадов может выходить из строя.
Признак - выполнение нижней плоскости заборной части удлиненного пирамидального кожуха 3 с задвижкой 20, снабженной электроприводом 21, позволяет с одной стороны, дополнительно увеличить зону обхвата воздушного потока и повысить коэффициент использования воздушных масс, а с другой, в зимнее время исключает риск забивания снегом.
Признак - установление симметрично направляющих щитов 22 воздушного потока на определенном расстоянии от заборной части 19 позволяет дополнительно увеличить коэффициент использования воздушных потоков при крайне небольшом расходовании материалов.
Признак - закрепление на концах вала турбины конусов 23 позволяет повысить эффективность работы турбины 11, так как потоки воздуха перед входом рассекаются, закручиваются и подаются на лопасти турбины в наиболее оптимальной плоскости на входе, а конус 23 на выходе позволяет снизить шум и оберегает узлы ветродвигателя от обледенения в зимнее время.
Признак - один конец вала 5 соединен с генераторами через обгонные муфты 24 позволяет уменьшить количество узлов, используемых в известных конструкциях, для автоматизации подключения генераторов в зависимости от силы воздушных потоков.
Обгонные муфты 24 известны в технике как простые узлы, работающие надежно с большим ресурсом эксплуатации.
Таким образом, техническая задача, поставленная к реализации в заявленном изобретении, предложенными техническими решениями реализуется полностью.
Из описания конструкции автоветроэлектростанции и ее работы видно, что для заявителя изготовить ее несложно, так как он имеет опыт производства конструкций такого уровня исполнения.
Рентабельность ее производства в целом по расчетам составляет 40-50% ниже цены аналогов.
Учитывая изложенное, установку планируется производить совместно с инвестором собственными силами.