ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С МЕХАНИЗМОМ ВЕТРОЗАЩИТЫ ЛОПАСТЕЙ
WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH WIND SCREEN MECHANISM FOR BLADES

Изобретение предназначено для ветроэнергетики и может широко использоваться в установках для выработки электрической или механической энергии. Известен «Ветродвигатель», включающий ротор с вертикальной осью вращения и размещенный на опоре, ветроколесо с горизонтальным сечением в форме свастики, причем лопасти ветроколеса собраны крестообразно соединительными центральными надпилами из двух Z-образных частей
Патент РФ на изобретение №2288373, МКИ F03D 3/00; дата публ. 2006.11.27.
Известен «Модульный ветродвигатель», содержащий ротор с вертикальной осью вращения, поворотные лопасти с симметричными профилями, вращающиеся с частотой, вдвое меньшей частоты вращения ротора, связанные для ориентации относительно направления ветра с управляющим механизмом, соединенным с флюгерным устройством, причем ротор ветродвигателя выполнен из модулей, соединенных между собой, каждый из которых состоит из корпуса с размещенным в нем управляющим механизмом, состоящим из кинематической передачи и входных и выходных валов.
Патент РФ на изобретение №2087743, МКИ F03D 3/00, дата публ. 1997.08.20.
Известен «Ветряной генератор», содержащий приводные лопасти с аэродинамическими поверхностями и генерирующий узел, включающий ротор с постоянными магнитами и вращающийся корпус с обмотками, причем постоянные магниты укреплены на одной из приводных лопастей и взаимодействуют они с обмотками, установленными на другой приводной лопасти, при этом обмотки лопасти связаны с неподвижно установленными токосъемниками.
Патент РФ на П.М. №80516, МКИ F03D 3/00, дата публ. 2009.02.10.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Способ управления частотой вращения ротора ветродвигателя с вертикальной осью вращения и ветродвигатель для его осуществления», включающий вертикальную опору с установленным на нем ротором, состоящим из траверс, содержащий крылья с самоустановкой угла атаки, каждое имеет возможность ограниченного поворота вокруг вертикальных осей и содержит жестко установленный копир, выполненный в виде расположенной соосно оси крыла шайбы с V-образным профильным вырезом.
Патент РФ на изобретение №2364748, МКИ F03D 3/00; дата публ. 2009.08.20.
К недостаткам вышеописанных технических решений относятся невысокая эффективность ветродвигателей с вертикальной осью вращения и сложность конструкций механизмов защиты лопастей при штормовом ветре.
К техническому результату относится повышение эффективности защиты лопастей от поломки при штормовом ветре при сохранении надежности работы установки при нормальной силе ветра путем использования механизма защиты лопастей с магнитной системой.
Технический результат достигается благодаря тому, что ветроэнергетическая установка с механизмом ветрозащиты лопастей содержит опору ротора, выполненного с вертикальной осью вращения, траверсы, поворотные лопасти, установленные с возможностью изменения их положения относительно направления ветра и выполненные в виде верхней и нижней полулопастей, связанных между собой валом, ось вращения которого параллельна вертикальной оси вращения ротора установки, а также блок управления установкой. Механизм ветрозащиты лопастей выполнен в виде установленных на концах траверс кинематических узлов, каждый из которых содержит корпусный элемент. Во внутренней полости корпусного элемента с помощью двух подшипников размещен вал полулопастей. Корпусный элемент при этом снабжен двумя боковыми кронштейнами, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала полулопастей, и фиксаторами в виде магнитной системы, каждая из которых содержит два блока постоянных магнитов, противолежащих друг другу. Причем один блок магнитов неподвижно установлен на боковом кронштейне корпусного элемента, а другой неподвижно закреплен на основании полулопасти с обеспечением фиксирования лопастей в рабочем положении при безопасной силе ветра и их свободного вращения вокруг вертикальной оси при опасной скорости ветра.
Ветроэнергетическая установка с механизмом ветрозащиты лопастей поясняется на фиг.1, 2, 3 и 4.
На фиг.1 дана ветроэнергетическая установка с механизмом ветрозащиты лопастей - схема общего вида в разрезе;
фиг.2 - ветроэнергетическая установка с механизмом ветрозащиты лопастей (механизм ветрозащиты лопастей с расположением блока постоянных магнитов магнитной системы фиксатора на основании полулопастей и кронштейнах корпусного элемента);
фиг.3 - ветроэнергетическая установка с механизмом ветрозащиты лопастей (схема положения лопастей при скорости ветра ниже критической);
фиг.4 - ветроэнергетическая установка с механизмом ветрозащиты лопастей (схема положения лопастей при скорости ветра выше критической).
Согласно фиг.1, 2, 3 и 4 ветроэнергетическая установка с механизмом ветрозащиты лопастей содержит опору ротора 1, последний выполнен с вертикальной осью вращения, траверсы 2, поворотные лопасти 3, расположенные с возможностью изменения их положения относительно направления ветра, а также блок управления установкой 4. Лопасти 3 выполнены в виде двух верхней и нижней полулопастей, связанных между собой валом 5. Механизм ветрозащиты лопастей 3 выполнен в виде установленных на концах траверс 2 кинематических узлов, каждый из которых содержит фигурный корпусный элемент 6, во внутренней полости его с помощью двух подшипников 7 установлен вал 5 полулопастей 3. Корпусный элемент 6 снабжен двумя боковыми кронштейнами 8, расположенными в горизонтальной плоскости, перпендикулярной вертикальной оси вращения вала 5 полулопастей 3, кроме того, механизм ветрозащиты лопастей снабжен фиксатором, выполненным в виде магнитной системы, содержащей два блока 9 и 10 постоянных магнитов, противолежащих друг другу и расположенных на каждой полулопасти 3, причем один блок магнитов 10 неподвижно установлен сверху кронштейна корпусного элемента, а другой 9 неподвижно закреплен на основании полулопасти 3, при этом наличие магнитного поля между расположенных друг против друга блоков постоянных магнитов служит для фиксирования лопастей 3 в рабочем угловом положении при безопасной силе ветра, а отсутствие магнитного поля, благодаря сдвигу блоков 9 и 10 постоянных магнитов относительно друг друга, служит для освобождения лопастей и их свободного вращения вокруг вертикальной оси (перевод в положение «флюгер») при опасной скорости ветра.
Возможно исполнение магнитной системы фиксатора, в которой один блок постоянных магнитов 10 может быть неподвижно закреплен на внутренней поверхности корпусного элемента 6, а другой противолежащий ему блок постоянных магнитов 9 неподвижно закреплен на валу 5 полулопастей 3.
Принцип работы ветроэнергетической установки с механизмом ветрозащиты лопастей состоит в том, что в начале рабочего цикла снятием стопора освобождается ротор, который набирает обороты, блок управления 4 регулирует выработку электрической энергии с заданным напряжением и определенной мощности, которая определяется величиной скорости ветра, и отправку ее потребителю. Работа установки в диапазоне скоростей ветра до критической осуществляется стабильно, до тех пор пока не происходит внезапное усиление ветра выше критической, что может привести к разрушению лопастей, в предложенном в качестве изобретения техническом решении срабатывает механизм ветрозащиты лопастей 3, снабженный фиксатором в виде магнитной системы, содержащей два противолежащих друг другу блока 9 и 10 постоянных магнитов, причем один блок магнитов 10 неподвижно установлен сверху кронштейна 8 корпусного элемента 6, а другой 9 неподвижно закреплен на основании полулопасти 3. Наличие магнитного поля между расположенными друг против друга блоками 9 и 10 постоянных магнитов служит для фиксирования лопастей 3 в рабочем угловом положении при безопасной силе ветра. Отсутствие магнитного поля благодаря сдвигу блоков постоянных магнитов относительно друг друга служит для освобождения полулопастей 3 для их свободного вращения вокруг вертикальной оси при опасной скорости ветра. Корпусный элемент 6 кинематических узлов и установленный в нем вал 5, а также магнитная система фиксатора механизма ветрозащиты лопастей взаимодействуют между собой, что позволяет обеспечить фиксирование или свободное вращение полулопастей 3.
Величина крутящего момента, обеспечивающего разрыв магнитной связи между блоками постоянных магнитов фиксатора относительно друг друга вдоль плоскости, перпендикулярной оси вращения вала полулопастей, определяется следующим соотношением:
Мкр.ф.=Рсд × R,
где Мкр.ф - величина крутящего момента;
Рсд - величина усилия сдвига блока постоянных магнитов,
R - расстояние от оси вращения вала полулопастей до вертикальной оси магнитной системы.
Следовательно, при опасной скорости ветра механизм ветрозащиты лопастей обеспечивает свободное вращение лопастей вокруг вертикальной оси, то есть переводит их в положение «флюгер», до тех пор пока скорость ветра не снизится до безопасного уровня, причем весь этот период ротор медленно вращается за счет крутящего момента, возникающего на траверсах, имеющих для этой цели специальную аэродинамическую форму. При снижении скорости ветра ниже опасной фиксаторы устанавливают лопасти снова в рабочее положение благодаря медленному вращению ротора, последний при этом снова входит в рабочий цикл.
Применение ветроэнергетической установки с механизмом ветрозащиты лопастей способствует созданию установки, успешно противостоящей ураганному ветру без поломки лопастей, и быстрому восстановлению ее рабочего цикла при снижении силы ветра, чему способствует использование довольно несложного и надежного механизма ветрозащиты лопастей.