ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к области ветряной энергетики, а именно к установкам для выработки электрической энергии от действия ветрового потока. Оно может найти применение при сооружении ветроэнергетических установок большой мощности, обеспечивающих постоянную частоту вращения вала генератора электрического тока в широких пределах изменения скорости ветрового потока.
Известна ветросиловая установка, содержащая беговую дорожку в виде кольцевого рельсового пути, на котором установлены тележки, соединенные поводками с валом привода генератора электрического тока, и закрепленное на каждой тележке устройство приема кинетической энергии ветрового потока (Декларационный патент Украины на полезную модель №34140, Кл. F03D 3/00, 2008 г. Прототип).
Недостаток известной ветросиловой установки - невозможность использовать энергию ветра при малой его скорости из-за небольшой площади заборного окна устройства приема кинетической энергии ветрового потока, а также невозможность обеспечить постоянную частоту вращении вала генератора при изменяющейся в широких пределах скорости ветрового потока и отсутствие аварийной защиты от штормовых порывов ветра. Кроме этого установка сложна и металлоемка.
Указанный аналог как наиболее близкий из уровня техники, имеющий ряд общих с заявленной ветросиловой установкой существенных признаков и сходный технический результат, принят нами в качестве прототипа.
Общими существенными признаками прототипа и заявленной установки являются следующие. Ветроэнергетическая установка, содержащая беговую дорожку в виде кольцевого рельсового пути, на котором установлены тележки, соединенные поводками с валом привода генератора электрического тока. На каждой тележке закреплено устройство приема кинетической энергии ветрового потока. (Термин «ветроэнергетическая установка» использован нами вместо принятого в прототипе термина «ветросиловая установка» как тождественные).
Техническая задача изобретения - создание ветроэнергетической установки, автоматически обеспечивающей постоянную частоту вращения вала генератора электрического тока при изменении в широких пределах скорости ветрового потока и обеспечение большей эффективности выработки электроэнергии по сравнению с прототипом.
Технический результат - выработка электроэнергии одинаковой эффективности при минимальных (4 м/с) и оптимальной (14 м/сек) скорости ветрового потока. Обеспечение постоянной частотой вращения вала генератора электрического тока за счет плавного изменения площади заборных окон в зависимости от изменения скорости воздушного потока. Упрощение конструкции и снижение металлоемкости ветроэнергетической установки.
Техническая задача и результат достигаются следующим. Ветроэнергетическая установка содержит беговую дорожку в виде кольцевого рельсового пути, на котором установлены тележки, соединенные поводками с валом привода генератора электрического тока. На каждой тележке закреплено устройство приема кинетической энергии ветрового потока. Новым является то, что устройство приема кинетической энергии ветрового потока выполнено в виде конфузора, сверху которого закреплены друг над другом подпружиненные П-образные в сечении, открытые спереди нижний и верхний закрылки. Закрылки установлены с возможностью поворота в вертикальных плоскостях вокруг петлевых шарниров и перекрытия вертикальными полками боковых сторон нижнего закрылка и конфузора. В поднятом положении закрылки образуют верхнюю и нижнюю камеры с заборными окнами. С боковых сторон конфузора в подшипниковых опорах установлены вертикальные валы каждый с крыльчаткой и барабаном, соединенным тросом с верхним закрылком. В выпускном окне конфузора установлен вал, на котором закреплена заслонка, соединенная пружиной со стенкой конфузора, и крыльчатка, закрепленная на этом валу над конфузором.
Указанные признаки необходимы и достаточны для осуществления изобретения и достижения технического результата.
Изобретение характеризуется также тем, что заслонка выполнена выпуклой в наружную сторону выпускного окна конфузора.
Причинно-следственная связь новых признаков изобретения и достигаемого технического результата состоит в следующем.
Выполнение устройства приема кинетической энергии ветрового потока в виде конфузора, сверху которого друг над другом закреплены подпружиненные П-образные в сечении открытые спереди закрылки с возможностью поворота в вертикальных плоскостях вокруг петлевых шарниров и перекрытия вертикальными полками боковых сторон нижнего закрылка и конфузора, образующие в поднятом положении верхнюю и нижнюю камеры с заборными окнами, позволило увеличить площадь общего заборного окна и увеличить за счет этого эффективность выработки электроэнергии. Установка с боковых сторон конфузора в подшипниковых опорах вертикальных валов с крыльчаткой и барабаном, соединенным тросами с верхним закрылком, позволило плавно изменять площадь сначала верхнего, а затем, при дальнейшем нарастании скорости ветрового потока, нижнего заборных окон. Это обеспечило выработку электроэнергии при малых (от 4 м/сек) и оптимальных (до 14 м/сек) скоростях ветрового потока, а также поддерживать постоянную частоту вращения вала генератора электрического тока при изменяющейся в этих пределах скорости ветрового потока.
Установка на выпускном окне конфузора вала с подпружиненной заслонкой и крыльчаткой над конфузором, позволила, при больших скоростях ветрового потока (свыше 14 м/сек), открывать выпускное окно конфузора. В результате этого ветровой поток частично или полностью проходит через конфузор и частота вращения вала генератора электрического тока остается постоянной, а при дальнейшем увеличении (до 25 м/сек) скорости ветрового потока его вращение останавливается.
Выполнение заслонки выпуклой в наружную сторону выпускного окна конфузора позволило снизить сопротивление движению тележки с устройством приема кинетической энергии ветрового потока навстречу ветру.
Принципиальная сущность изобретения заключается в том, что окружное усилие на вал привода генератора электрического тока создается одинаковым при скорости Vнач - 4 м/сек и полностью поднятых пружинами закрылках и скорости Vопт - 14 м/сек при опущенных закрылках. При скорости ветра свыше оптимального значения или штормовых порывах ветра установленная в выпускном окне конфузора на валу заслонка с крыльчаткой поворачивается на 90° и открывает его для свободного прохода ветрового потока через конфузор, не совершая полезной работы.
При Vнач.=4 м/с и Vопт.=14 м/с,
Pсум.=(Sконф.+Sв.кам.+Sн.кам.) Vнач ρ,
Pконф.=Sконф.Vопт. ρ,
где Vнач. - минимальная скорость ветрового потока;
Vопт. - оптимальная для работы установки скорость ветрового потока;
Pсум. - окружное усилие, создаваемое ветровым потоком, входящим в заборные окна конфузора, верхней и нижней камер при полностью открытых закрылках;
Pконф. - окружное усилие, создаваемое ветровым потоком, входящим в заборное окно конфузора, при полностью закрытых закрылках;
3
ρ - плотность воздуха - 1.22 кг/м
Таким образом, ветроэнергетическая установка работает при постоянной силе ветрового потока и постоянной частоте вращения вала генератора электрического тока как при минимальной (4 м/сек), так и оптимальной (14 м/сек) его скорости за счет плавного подъема закрылков на величину пропорционально увеличению скорости ветрового потока. При дальнейшем увеличении скорости ветра медленно открывается заслонка на выпускном окне конфузора на величину, пропорциональную увеличению этой скорости, и при полностью открытом выпускном окне, когда скорость ветрового потока достигнет (25 м/сек), тележки останавливаются в результате свободного прохода воздушного потока через конфузор, не совершая полезной работы.
На фиг. 1 показана схема ветроэнергетической установки, вид сверху; фиг. 2 показано устройство приема кинетической энергии ветрового потока, вид сбоку при поднятых пружинами закрылках; фиг. 3 - то же, при опущенных тросами закрылках; фиг. 4 - сечение а-а на фиг. 2, показаны верхняя и нижняя камеры, образованные поднятыми над конфузором закрылками; фиг. 5 - сечение б-б на фиг. 2 - показана заслонка, закрывающая выпускное окно конфузора; фиг. 6 - то же, - открывающая выпускное окно конфузора.
Ветроэнергетическая установка (фиг. 1) состоит из беговой дорожки, выполненной в виде кольцевого рельсового пути 1, закрепленном на опорах 2. На рельсовом пути 1, на равном расстоянии, установлены три тележки 3, соединенные поводками 4 с вертикальным валом 5, который закреплен подшипниками на раме 6, смонтированной в центре рельсового пути. Вал 5 соединен, например, клиноременным приводом 7 с генератором 8 электрического тока. Оси колес каждой тележки 3 соединены рамкой 9, на которой закреплен выполненный прямоугольным в поперечном сечении конфузор 10 устройства приема кинетической энергии ветрового потока. К боковым стенкам каждого конфузора 10 прикреплены плиты 11, на которых в корпусах 12 подшипников (фиг. 2) установлены вертикальные валы 13. Снизу на конце каждого вала 13 насажен барабан 14, а сверху - крыльчатка 15. Под крыльчаткой 15 на валу 13 свободно установлен корпус 16 подшипника. На выпускном окне каждого конфузора 10 вертикально установлен с возможностью поворота на 90° вал 17 с крыльчаткой 18, расположенной сверху конфузора 10, и заслонкой 19, перекрывающей выпускное окно указанного конфузора при минимальной и оптимальной скорости ветрового потока. Заслонка 19 соединена пружиной 20 с дном конфузора 10. Внутри конфузора 10 закреплен L-образный упор 21 (фиг. 4) для фиксации заслонки 19 на поперечной полке указанного упора при закрытом и на продольной полке при открытом положениях выпускного окна указанного конфузора. На верхней стенке конфузора 10 установлены ограничители 22 (фиг. 2) и на петлевом шарнире 23 П-образный в поперечном сечении нижний закрылок 24, который вертикальными полками перекрывает боковые стенки указанного конфузора и образует нижнюю камеру 25 с заборным окном, выполненным аналогично форме заборного окна указанного конфузора. На нижнем закрылке 24 закреплены ограничители 26 и пружины 27, соединенные с корпусами 16 подшипников валов 13. На петлевом шарнире 28 на нижнем закрылке 24 закреплен верхний П-образный в сечении закрылок 29, который вертикальными полками перекрывает боковые стенки закрылка 24 и образует в поднятом его положении верхнюю камеру 30, выполненную с заборным окном, аналогичным форме заборного окна указанного конфузора. Верхний закрылок 29 пружинами 31 так же, как и нижний закрылок 24 пружинами 27, соединен с корпусами 16 подшипников валов 13. На вертикальных полках верхнего закрылка 29 закреплены тросы 32, которые через обводные ролики 33 соединены с барабанами 14, закрепленными на валах 13. На концах вертикальных полок закрылков 24 и 29 (фиг. 4) закреплены опорные ролики 34 и уплотнители 35, служащие соответственно для снижения сопротивления перемещений вниз указанных закрылков и устранения потерь потока воздуха в камерах 25 и 30.
Таким образом, устройство приема кинетической энергии ветра ветроэнергетической установки состоит из установленных на тележках 3 трех конфузоров 10 прямоугольного сечения в поперечной плоскости и шести камер 25 и 30, образованных поднятыми закрылками 24 и 29.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
При скорости ветра от 4 до 14 м/сек П-образные в поперечном сечении закрылки 24 и 29, повернутые пружинами 27 и 31 вокруг шарниров 23 и 28, упираются в ограничители 22 и 26, образуют заборные окна камер 25 и 30, а крыльчатки 15 не вращаются. При этом заслонка 19 натяжением пружины 20 перекрывает выпускное окно конфузора 10, а крыльчатка 18 также не вращается. Выпуклая поверхность заслонки 19, направленная в наружную сторону от выпускного окна конфузора 10, снижает сопротивление перекатывания тележек с устройствами приема кинетической энергии ветра.
Ветровой поток со скоростью 4 м/сек, входит в заборные окна конфузора 10, а также камер 25 и 30 и под его напором тележки 3 с конфузорами 10, закрепленными на их рамках 9, перемещаются по кольцевому рельсовому пути 1, установленному на опорах 2. Поводками 4 тележки 3 вращают вал 5, установленный в подшипниковых опорах на раме 6 в центре рельсового пути 1. Вал 5 клиноременным приводом 7 приводит во вращение вал генератора 8 электрического тока.
При возрастании скорости ветрового потока, например до 5,5 м/сек, под действием избыточной его скорости (1,5 м/сек) начинают вращаться крыльчатки 15 с полуцилиндрическими лопастями, установленные на валах 13 в подшипниковых опорах 12, закрепленных на плитах 11 с боковых сторон конфузора 10. При этом на барабаны 14 наматываются тросы 32, которые через обводные ролики 33 соединены с верхним закрылком 29. Преодолевая натяжение пружин 31, которые другим концом соединены с корпусами 16 подшипников, свободно установленных на валах 13, верхний закрылок 29 поворачивается вокруг петлевого шарнира 28 и упирается в нижний закрылок 24. Заборное окно верхней камеры 30 полностью закрывается.
При дальнейшем увеличении скорости ветрового потока до 14 м/сек верхний закрылок 29 натяжением тросов 32, наматываемых на барабаны 14, поворачивает верхним закрылком 29 нижний закрылок 24 вокруг петлевого шарнира 23, который упирается в верхнюю стенку конфузора 10. Нижняя камера 25 полностью закрывается. При этих скоростях ветрового потока заслонка 19, под действием натяжения пружины 20, перекрывает выпускное окно конфузора 10 и опирается в поперечную полку П-образного упора 21.
Когда скорость ветрового потока достигнет 25 м/сек, крыльчатка 18 начинает вращаться и, преодолевая натяжение пружины 20, поворачивает вал 17 с заслонкой 19 на 90°, которая открывает выпускное окно конфузора 10, опирается в продольную полку П-образного упора 21, а крыльчатка 18 останавливается. Ветровой поток проходит через конфузор 10, не совершая полезной работы, тележки 3 останавливаются и работа ветроэнергетической установки прекращается. При уменьшении скорости ветрового потока пружина 20 поворачивает заслонку 19 и крыльчатку 18 в обратном направлении и фиксирует их в первоначальном положении. Заслонка 19 упирается в поперечную полку упора 21, перекрывая выходное окно конфузора 10. Одновременно натяжением пружин 27 и 31 с барабанов 14 сматываются тросы 32, закрылки 24 и 29 поворачиваются вокруг шарниров 28 и 23 вверх, упираются в ограничители 22 и 26, заборные окна камер 30 и 25 открываются, а крыльчатки 15 останавливаются. Тележки 3 приходят в движение и поводками 4 приводят во вращение вал 5, который клиноременным приводом 7 вращает вал генератора 8 электрического тока. При поворотах закрылков 29 и 24 вверх и вниз ролики 34, закрепленные на концах вертикальных полок закрылков 24 и 29, опираются соответственно на вертикальные полки нижнего закрылка 24 и боковые стороны конфузора 10, а зазоры между вертикальными полками указанных закрылков и конфузора уплотняются, например, резиновыми жгутами 35. Это снижает сопротивление перемещению закрылков 24 и 29 и устраняет потери энергии воздушных потоков в камерах 25 и 30.
Применение ветроэнергетической установки позволяет вырабатывать электрическую энергию при небольшой (4 м/сек) скорости ветрового потока и его нарастании до 14 м/сек при одинаковой частоте вращения вала генератора электрического тока. При увеличении оптимальной скорости ветрового потока и шквалистыми порывами ветра останавливать работу установки. Ветроэнергетическая установка может быть смонтирована в любом населенном пункте с использованием простых технологий, доступных материалов и технических средств и таким образом способствовать решению энергоснабжения регионов, например, Крыма.