ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к конструкциям ветроприемных устройств с осью вращения ротора, перпендикулярной к направлению ветра, и обеспечивающих оптимальный угол разворота лопастей по отношению к направлению ветрового потока.
Известна конструкция ветродвигателя с ветроколесом, содержащая расположенный на фундаменте вертикальный вал с траверсами с установленными на них лопастями со звездочками, связанными в соотношении 1:2 цепной передачей с блоком звездочек, соосно размещенном на валу, и электрогенератор, вертикальный вал с жестко и соосно закрепленными на нем статором электрогенератора и двумя звездочками установлен с возможностью поворота, а траверсы с лопастями и ротором электрогенератора установлены с возможностью вращения на верхнем конце вала, при этом каждая из звездочек вала связана цепью с одной из половин звездочек лопастей (Патент РФ 2030777, МПК F03D 7/06, F03D 3/00, опубликовано: 10.03.1995).
Известное устройство характеризуется невысоким коэффициентом использования энергии ветра, содержит сложную и технологически трудновыполнимую конструкцию механизма ориентирования ветроколеса и механизма разворота лопастей.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является ветроэнергетическая установка (Патент РФ 2392490 С1, МПК F03D3/00, опубликовано: 20.06.2010), содержащая ветроприемное устройство, выполненное в виде ветроколеса, установленного с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и снабженное лопастями, расположенными на ободе ветроколеса и установленными на валах, находящихся на оси симметрии лопастей, причем вал каждой лопасти соединен соосно с валом собственного привода, осуществляющего разворот лопасти.
Данная конструкция обеспечивает удовлетворительное значение коэффициента использования энергии ветра, позволяет устанавливать лопасти любой конструкции. Однако данное техническое решение не способно устранить целый ряд негативных особенностей, присущих в разной степени большинству известных конструкций ветроприемных устройств. К их числу следует отнести:
- ограниченная быстроходность ветроустановки, связанная с тем, что часть лопастей имеют в потоке воздуха галс фордевинд и не могут двигаться быстрее скорости ветра;
- необходимость разворота всего ротора вместе с механизмом вращения лопастей при ориентации на изменение направления ветра;
- необходимость введения дополнительных механизмов для защиты ротора при критических скоростях ветра.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является упрощение конструкции, повышение коэффициента использования энергии ветра, повышение удельной мощности и эксплуатационной надежности, обусловленной защитой ротора при критических скоростях ветра.
Технический результат достигается тем, что известная ветроэнергетическая установка, содержащая  ветроприемное устройство, выполненное в виде ветроколеса, установленного с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и снабженного лопастями, расположенными на ободе ветроколеса и установленными на валах, находящихся на оси симметрии лопастей, причем вал каждой лопасти соединен соосно с валом собственного привода, осуществляющего разворот лопасти, причем ветроколесо ветроприемного устройства выполнено в виде косого сечения цилиндра с максимальной высотой продольного диаметрального сечения не менее удвоенной высоты лопастей.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1а изображен общий вид ветроэнергетической установки, а на фиг.1б - вид на ветроколесо в плоскости косого среза; на фиг.2 изображен разрез опорного узла ветроколеса с коллектором подвода питания к сервоприводам и штангой передачи вращения от ветроколеса к генератору; на фиг.3 показан вид сверху на лопасти ветроколеса, повернутые на заданный угол в процессе вращения ветроколеса; на фиг.4 показана таблица угла поворота лопасти в зависимости от ее положения на ободе ветроколеса и график этой зависимости.
Ветроэнергетическая установка содержит ветроприемное устройство, выполненное в виде ветроколеса 1, установленного с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и имеющего лопасти 2, расположенные на ободе ветроколеса и установлены на валах 3, находящихся на оси симметрии лопастей, вал 3 каждой лопасти 2 соединен с валом 4 собственного сервопривода 5, осуществляющего разворот лопасти 2 в положение, соответствующее изменяющейся уставке управляющего микроконтроллера 5, вертикальная вращающаяся ось 6 ветроколеса через два осевых подшипника опорного узла 7 и 8 и один опорный подшипник 9 соединена с мачтой 10 ветроустановки, с вертикальной вращающейся осью 6 жестко связана ведущая шестерня 11, передающая вращение ведомой шестерне 12 и жестко связанной с ней торсионом 13, соединенным нижним концом через редуктор с электрогенератором 14, на внешней поверхности вращающейся оси 6 закреплены коллекторные кольца 15 с примыкающими подпружиненными щетками 16, осуществляющим передачу питания и управляющих сигналов к следящим сервоприводам 5, над ветроколесом 1 установлены датчики 16 и 17 направления и силы ветра, а на нижнем конце торсиона 13 установлен датчик 18 углового положения ветроколеса 2, в боксе 19 размещены электрогенератор 14, аккумуляторная батарея 20 с блоком силовой электроники и управляющий микроконтроллер 21.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Предположим, в начальный момент времени ветроколесо 1 неподвижно, однако система управления в составе управляющего микроконтроллера 21 с соответствующей программой и следящие сервоприводы 5, задающее угол разворота лопастей 2, активированы и обеспечивают предстартовый режим работы ветроэнергетической установки. В этом режиме управляющий микроконтроллер, воспринимая информацию с датчика направления ветра и с датчика углового положения ротора ветроколеса, вычисляет угловое положение лопастей, соответствующее их флюгерному положению, и передает соответствующие коды углов следящим сервоприводам, которые разворачивают лопасти 2 ребром к ветру. При изменении направления ветра на следящие сервоприводы 5 будет переданы скорректированные коды углов, но положение лопастей 2 ребром к ветру будет сохранено. В таком положении набегающий воздушный поток не создает крутящий момент на лопастях 2 ветроколеса 1, и ветроэнергетическая установка находится в пассивном режиме.
При запуске ветроэнергетической установки управляющий микроконтроллер 21 на основании данных о направлении ветра и угловом положении ротора ветроколеса вычисляет, например, для двух диаметрально противоположных лопастей 2 текущий угол разворота, при котором эти лопасти создают однонаправленный крутящий момент на ободе ветроколеса. Для остальных лопастей вычисляется текущий угол разворота, соответствующий положению ребром к ветру, и передает эти значения сервоприводам. При достижении установившейся скорости вращения ротора 1 управляющий микроконтроллер аналогичным образом вводит «в работу» еще две диаметрально противоположных лопасти 2. И так для всех лопастей ветроколеса.
На виде сверху показано мгновенное положение лопастей 2, обеспечивающее вращение ветроколеса против часовой стрелки при направлении ветра снизу в плоскости рисунка. Указанное положение лопастей обеспечивается управляющим микроконтроллером при алгоритме управления разворотом лопастей, когда на один оборот ротора ветроколеса 1 приходится один оборот лопастей 2. На фиг.4 показан график текущего положения одной лопасти на одном обороте ветроколеса. Такой алгоритм позволяет повысить быстроходность ветроколеса, т.е. отношение абсолютной величины вектора скорости лопасти 2 к скорости ветра, так как отсутствует угловое положение лопасти, перпендикулярное вектору скорости ветра, или галс «фордевинд», при котором лопасть не может иметь скорость больше скорости ветра, - если это происходит, то лопасть фактически является аэродинамическим тормозом. В указанном на фиг.3 положении две диаметрально противоположные лопасти А и Е, двигающиеся по ветру и против ветра, имеют угловое положение на ветроколесе «ребром», что позволяет достичь значения коэффициента быстроходности больше единицы.
Ориентация ветроколеса на направление ветра осуществляется без механического воздействия на ветроколесо. Датчик 16 направления ветра передает информацию о направлении ветра управляющему микроконтроллеру, который вычисляет оптимальное текущее угловое положение лопастей 2 на ободе ветроколеса и передает эти значения сервоприводам. При таком способе ориентации скорость реагирования на изменение направления ветра значительно выше, чем при механическом развороте ветроколеса, что непосредственно сказывается на эффективности использовании энергии ветра.
При штормовых скоростях ветра, создающих опасные для ветроэнергетической установки режимы работы, по сигналу от датчика 17 скорости ветра управляющий микроконтроллер переводит все или часть лопастей в «положение ребром» к ветру. Так же, как и ориентация к направлению ветра, переход в режим защиты от перегрузок не требует дополнительных механизмов, утяжеляющих ветроколесо.
Поскольку ветроколесо имеет вертикальную ось вращения, то при традиционной конструкции ветроколеса в виде прямого цилиндра ближайшая к набегающему потоку ветра часть лопастей загораживает остальные лопасти, снижая эффективность использования энергии ветра. Уменьшить влияние «затенения» позволяет конструкция ветроколеса в виде косого сечения цилиндра с максимальной высотой продольного диаметрального сечения не менее удвоенной высоты лопастей. В этом случае ближайшие к ветру лопасти и дальние лопасти находятся на разной высоте и не загораживают друг друга. Два раза за оборот предлагаемого ветроколеса возникает кратковременная ситуация, когда лопасти в средней части перекрывают друг друга, однако в этом случае на ближнюю к ветру лопасть действует набегающий поток, а на дальнюю - не потерявший скорости невозмущенный объем воздуха внутри ветроколеса.
2
В конструкции ветроустановки используются типовые сервоприводы, содержащие высокооборотный электродвигатель, понижающий редуктор и энкодер, формирующий цифровое значение угла поворота выходного вада редуктора. Кроме того, в состав элктропривода входит блок управления, воспринимающий входные управляющие сигналы и формирующий выходные цифровые сигналы. Входные и выходные информационные сигналы имеют две составляющие: адресную и кодовую. Адресная составляющая определяет номер сервопривода, а кодовая задает угол разворота лопасти, соединенной с сервоприводом по заданному адресу. Питание сервоприводов осуществляется по двум шинам, подключенным к сервоприводам через подпружиненные щетки 16 и коллекторные кольца 15. Информационный канал с последовательной передачей информации может быть совмещен с подводом питания или выполнен отдельно по третьему подвижному контакту между подпружиненной щеткой и кольцевым коллектором. Выходной вал 4 сервоприводов соединен соосно с валом 3 лопасти 2, находящимся на оси симметрии лопасти 2, поэтому при ее вращении необходимо преодолевать только силы аэродинамического трения, которые при угловых скоростях до двух-трех оборотов в секунду и площади лопасти до 5 м требуют крутящего момента от сервопривода менее 1 Н*м, что достижимо при мощности сервопривода в 20 Вт, при этом общие затраты мощности на питание восьми сервоприводов составляют 160 Вт, что меньше потерь на трение в механических системах вращения лопастей.
Таким образом, за счет установки сервоприводов, осуществляющих управляемое и независимое вращение лопастей как вычисляемой функции текущего угла поворота отдельной лопасти от аргументов: направления ветра, силы ветра и текущего углового положения ветроколеса, достигается существенное упрощение конструкции. В предлагаемой ветроэнергетической установке отсутствуют громоздкие и металлоемкие механические системы передачи вращения ветроколеса на отдельную лопасть, отсутствует механическая система ориентации ветроколеса к направлению ветра, а также система защиты ветроустановки от критических ветровых нагрузок. Если принять во внимание, что механическая система привода лопастей должна располагаться на ветроколесе, а оно находится на мачте, то увеличение вращающейся массы повлечет за собой значительное повышение жесткости мачты и, как следствие, вызовет существенное повышение металлоемкости конструкции.
За счет того, что лопасти, двигающиеся против ветра и по ветру, занимают «положение ребром» к ветру, они не создают аэродинамического торможения и позволяют лопастям иметь модуль вектора скорости больше скорости ветра. В совокупности с конструкцией ветроколеса, когда лопасти занимают разную высоту при вращении ветроколеса, и небольшой массой ветроколеса эти факторы позволяют с максимальной эффективностью использовать энергию ветра даже при небольших скоростях ветра.
Использование изобретение позволяет повысить удельную мощность ветроустановки при номинальной скорости ветра.