ВЕТРОТУРБИНА
WIND TURBINE

Область техники
Настоящее изобретение имеет отношение к имеющим вертикальную ось ветротурбинам для выработки электроэнергии.
Уровень техники
Имеющие вертикальную ось ветротурбины хорошо известны и содержат одно или несколько крыльев или лопастей, которые установлены с возможностью вращения относительно вертикальной оси. Вращение крыльев за счет ветра побуждает ротор электрической машины вращаться и вырабатывать электрическую энергию.
Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается специфическая конструкция имеющей вертикальную ось ветротурбины, которая обеспечивает преимущества по сравнению с существующими ветротурбинами, в том числе с такими, в которых лопасти турбины вращаются относительно горизонтальной оси, а электрическая машина установлена на вершине вертикальной опорной башни.
Более конкретно, в соответствии с настоящим изобретением предлагается имеющая вертикальную ось ветротурбина, содержащая опорную башню, по меньшей мере одно крыло, установленное с возможностью вращения относительно опорной башни, и электрическую машину, которая содержит роторный узел и статорный узел, причем роторный узел расположен радиально снаружи от статорного узла и по меньшей мере одно крыло прикреплено к роторному узлу, так что вращение крыла относительно опорной башни вызывает вращение роторного узла относительно статорного узла.
Настоящее изобретение позволяет получить определенные преимущества по сравнению с существующими ветротурбинами за счет того, что электрическая машина преимущественно расположена у нижней части опорной башни. Таким образом, масса электрической машины объединяется с нижней частью опорной башни. Это обеспечивает большую устойчивость, так как центр тяжести опорной башни будет расположен ниже, и позволяет упростить конструкцию самой опорной башни.
За счет установки электрической машины у нижней части опорной башни может быть обеспечен более легкий доступ для технического обслуживания и ремонта, что является особенно важным для морских ветротурбин. Силовые соединения для передачи электрической энергии, выработанной за счет действия электрической машины, в питающую электрическую сеть или в единую энергосистему, силовые преобразователи, фильтры и т.п., также являются более легко доступными. Ремонтная платформа может быть предусмотрена вокруг опорной башни, в непосредственной близости от электрической машины.
Специфическое расположение роторного узла и статорного узла в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает дополнительные преимущества. Следует иметь в виду, что внешний диаметр статорного узла для некоторых типов электрических машин соответствующей номинальной мощности (в частности, для генераторов на постоянных магнитах) может приблизительно соответствовать внешнему диаметру опорной башни. Поэтому статорный узел может быть образован как элемент конструкции опорной башни. ' Другими словами, статорный узел может быть физически встроен в структуру опорной башни и, возможно, может нести нагрузку.
Статорный узел может образовывать часть прохода доступа через опорную башню.
В соответствии с наиболее предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, статорный узел образован как в основном цилиндрическая конструкция, которая физически встроена в структуру опорной башни и которая имеет внутреннее пространство, через которое может быть обеспечен доступ к верхним частям опорной башни и/или к компонентам самого статорного узла. Внутреннее пространство может быть совмещено (объединено) с общим проходом доступа, который идет через опорную башню и может образовывать часть указанного внутреннего пространства.
Верхний конец по меньшей мере одного крыла может быть прикреплен к кольцу или к другой подходящей конструкции, которая установлена с возможностью вращения относительно опорной башни. Кольцо преимущественно расположено у верхней части опорной башни.
Роторный узел и статорный узел смещены друг от друга за счет радиального воздушного зазора, причем может быть предусмотрено средство (например, роликовая опора или распорная деталь) для поддержания радиального воздушного зазора во время вращения роторного узла относительно статорного узла. Средство для поддержания радиального воздушного зазора и роторный узел могут быть экранированы от атмосферных (погодных) влияний при помощи подходящей крышки.
Электрической машиной может быть генератор на постоянных магнитах, в котором роторный узел содержит множество постоянных магнитов (типично расположенных на его радиально внутренней поверхности), а статорный узел содержит множество статорных обмоток. Однако следует иметь в виду, что могут быть использованы и другие типы электрических машин, в зависимости от специфических требований.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано сечение морской (находящийся на некотором расстоянии от берега) ветротурбины в соответствии с настоящим изобретением.
Как это показано на фиг.1, морская ветротурбина с вертикальной осью содержит вертикальную опорную башню 2, имеющую базовую часть 2а, которая закреплена на морском дне, типично при помощи фундамента (не показан), который идет на некоторую глубину в морское дно.
Пара крыльев 4 установлена с возможностью вращения относительно опорной башни 2. Легко можно понять, что может быть использовано любое подходящее число крыльев, в зависимости от обстоятельств. Каждое крыло 4 имеет верхний конец 4а, который прикреплен к кольцу 6, и нижний конец 4b, который прикреплен к роторному узлу 8. Кольцо 6 установлено с возможностью вращения относительно опорной башни 2, при помощи любого подходящего средства, такого как, например, радиальный подшипник.
Роторный узел 8 содержит множество постоянных магнитов (не показаны) на своей радиально внутренней поверхности. Роторный узел 8 расположен радиально снаружи от статорного узла 10, который содержит множество статорных обмоток (не показаны). Радиально внешняя поверхность 10а статорного узла смещена от роторного узла 8 за счет небольшого радиального воздушного зазора 12, который для пояснения на фиг.1 показан преувеличенным. Воздушный зазор 12 поддерживается при помощи роликовой опорной конструкции 14, которая установлена на роторном узле 8 и которая взаимодействует с кольцевой опорной поверхностью (не показана) на внешней поверхности опорной башни 2. Таким образом, роторный узел 8 установлен с возможностью вращения относительно опорной башни 2 и относительно статорного узла 10. Могут быть использованы и другие средства для поддержания воздушного зазора.
Роторный узел 8 и роликовая опорная конструкция 14 экранированы от атмосферных (погодных) влияний при помощи угловой крышки 16, которая прикреплена к внешней поверхности опорной башни 2.
Ремонтная платформа 18, которая предусмотрена вокруг нижней части опорной башни 2, обеспечивает легкий доступ к роторному узлу 8 для технического обслуживания и текущего ремонта.
Статорный узел 10 физически встроен в стенку 2b опорной башни 2 и представляет собой конструкционный и несущий нагрузку компонент опорной башни. На практике это обеспечено за счет того, что внешний диаметр 10а статорного узла 10 может быть сделан таким же, или практически таким же, как внешний диаметр опорной башни 2 в специфическом осевом местоположении. Статорный узел 10 имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность 10b, которая ограничивает внутреннее пространство 10с.
Общий проход 2с для доступа проходит вертикально через опорную башню 2, причем внутреннее пространство 10 с статорного узла 10 совмещено с этим проходом доступа и образует его часть. Проход доступа позволяет рабочему или инженеру добраться до верхних частей опорной башни 2 с использованием внутренней структуры (не показана), например, такой как трапы и помосты. Проход доступа также позволяет поднимать материалы и оборудование через опорную башню 2 с использованием лебедки или подъемника (не показаны). Рабочий или инженер, которые используют общий проход 2 с доступа для входа внутрь опорной башни, проходят через внутреннее пространство 10с статорного узла 10. Это упрощает ремонт или техническое обслуживание статорного узла 10, так как доступ к различным компонентам статорного узла может быть обеспечен из внутреннего пространства 10с, например, через соответствующие панели или отверстия во внутренней цилиндрической поверхности 10b.
Несмотря на то, что на фиг.1 внутренняя цилиндрическая поверхность 10b, которая ограничивает внутреннее пространство 10с, показана как имеющая такой же диаметр, что и остальной общий проход 2с доступа, легко можно понять, что в некоторых случаях несколько ограниченных проходов доступа могут быть предусмотрены через статорный узел 10. Другими словами, средство для обеспечения доступа через статорный узел 10 может быть уже чем остальная часть общего прохода 2с доступа, в зависимости от размера и конфигурации статорного узла.
Общий проход 2с доступа также может иметь конец у статорного узла 10 или непосредственно над ним, если его основной функцией является просто обеспечение доступа во внутреннее пространство Юс, для ремонта или технического обслуживания статорного узла.
Один или несколько входов (не показаны) могут быть предусмотрены через стенку 2b опорной башни, чтобы рабочий или инженер могли войти в общий проход 2с доступа и добраться до ремонтной платформы 18.
В отличие от стандартных ветротурбин все различные силовые преобразователи и схемы управления (не показаны), объединенные со статорным узлом 10, и силовые соединения для передачи электрической энергии, вырабатываемой при помощи генератора на постоянных магнитах, в питающую электрическую сеть или в единую энергосистему, расположены у нижней части опорной башни 2 и поэтому легко доступны.
Опорная башня 2 должна иметь достаточные прочность и жесткость (устойчивость), чтобы поддерживать динамические вращающиеся компоненты (то есть крылья, кольцо, роторный узел и роликовую опорную конструкцию) во всех ожидаемых условиях эксплуатации. Однако, по сравнению с существующими ветротурбинами, предлагаемая конструкция является более устойчивой, более простой и поэтому более дешевой для изготовления, и имеет более низкие затраты на техническое обслуживание и технический ремонт.
При использовании ветер, дующий мимо ветротурбины, побуждает крылья 4 вращаться относительно опорной башни 2 (при этом крылья вращаются вокруг вертикальной оси). Кольцо 6 и роторный узел 8 прикреплены к конкам крыльев 4 и вращаются вместе с ними. Вращение роторного узла 8 относительно статорного узла 10 приводит к выработке электрической энергии при помощи генератора на постоянных магнитах, как это хорошо известно специалистам в данной области. Затем полученную электроэнергию регулируют при помощи силового преобразователя, фильтруют и подают в питающую электрическую сеть или в единую энергосистему через силовые соединения и внешнюю линию электропередачи.