Ветроэлектрический преобразователь энергии (варианты)
WIND ELECTRIC POWER CONVERTER (VERSIONS)

Группа изобретений относится к отрасли ветроэнергетики, в частности к ветрогенераторам электричества с автоматическим управлением аэродинамического сопротивления лопастного винта.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая, по меньшей мере, один ветрогенератор, состоящий из лопастей, воспринимающих энергию ветра, и связанного с ним, по меньшей мере, одного электромеханического преобразователя. Лопасти ветрогенератора закреплены так, что они имеют возможность совершать изгиб-ные колебания - поперек потока, и крутильные колебания - вдоль собственной оси жесткости (флаттер). Ветрогенераторы размещены в ячейках сети с возможностью поворота вокруг вертикальной оси на 180°, для чего лопасти расположены сзади от оси поворота. Каждый ветрогенератор снабжен ступицей, в которой с возможностью поворота вокруг своей оси установлены лопасти, каждая из которых снабжена установленным в ней торсионом, ось которого совпадает с продольной осью лопасти и который соединяет лопасть и ступицу, а центр масс каждой лопасти вынесен назад по направлению потока ветра по отношению к оси лопасти. Электромеханический преобразователь связан муфтой с горизонтальным торсионом в месте крепления ступицы. (Патент RU 2397361 С1. Ветроэнергетическая установка. - МПК: F03D 1/00, F03D 11/00. - 20.08.2010).
Известен ветрогенератор самоуправляемый, содержащий вал, генератор, установленный на вращающейся опоре с обмотками на валу, и хвост. Перед генератором на валу установлена коническая насадка с лопатками. Лопатки установлены на кронштейнах с возможностью их поворота до установки поверхности лопаток параллельно оси вала. Кронштейны имеют пружины, один конец которых соединен с кронштейном, а второй - с основанием лопатки. Пружины подобраны таким образом, что обеспечивают при штормовом ветре поворот лопаток до положения, при котором их поверхности параллельны оси вала. (Патент RU 2365781 С1. Ветрогенератор самоуправляемый. - МПК: F03D 1/00. - 27.08.2009).
Известен ветрогенератор, содержащий электрический генератор и две лопасти, расположенные на валу, одна из которых имеет меньшую площадь и служит для разгона лопасти с большей площадью путем зацепления малой лопасти. (Патент RU 186778 U1. Ветрогенератор. - МПК: F03D 1/025, F03D 7/024. - 01.02.2019).
Известен ветрогенератор, содержащий электрогенератор со статором и ротором, установленными с возможностью вращения относительно друг друга, и два ветродвижителя, выполненных в виде соосных лопастных колес, одно из которых соединено со статором электрогенератора, а второе - с ротором электрогенератора. Лопасти лопастных колес развернуты в разные стороны для вращения статора и ротора в противоположные стороны. Электрогенератор размещен в корпусе, а лопастные колеса выполнены с одинаковыми диаметрами. (Патент RU 109 806 U1. Ветрогенератор (варианты). - МПК: F03D 1/02, F03D 3/02. - 27.10.2011). Данные технические решения приняты за прототипы к заявляемым вариантам технических решений.
Основным недостатком известных технических решений, принятых за прототип, является недостаточная надежность работы из-за возможности разноса вращающихся лопастных винтов центробежными силами при превышении допустимой частоты вращения по мере увеличения силы напора ветра.
Основной задачей заявляемых технических решений является повышение надежности работы ветроэлектрического преобразователя энергии путем стабилизации аэродинамического сопротивления вращающегося лопастного винта, исключающего его разнос центробежными силами, создаваемыми вращением лопастей.
Технический результатом является повышение надежности работы ветроэлектрического преобразователя энергии за счет стабилизации аэродинамического сопротивления вращающегося лопастного винта усилию давления потока ветра, исключающей разнос лопастного винта центробежными силами, путем автоматического регулирования угла наклона профиля лопастей в зависимости от силы напора ветра.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном ветроэлектрическом преобразователе энергии, в первом варианте, содержащем электрогенератор, включающий статор и якорь, лопастной винт, установленный ступицей на валу якоря, и флюгер, при этом лопасти установлены на ступице с возможностью изменения угла наклона профиля лопастей к плоскости вращения лопастного винта под воздействием аэродинамического сопротивления напору воздушного потока встречного ветра, согласно предложенному техническому решению, лопастной винт выполнен с механизмом автоматического управления аэродинамическим сопротивлением лопастного винта напору воздушного потока, и установлен ступицей на валу якоря посредством шлицевого или шпоночного подвижного соединения, и подпружиненной конической пружиной сжатия между диском и концевым обтекателем, закрепленных на валу якоря, при этом каждая лопасть установлена подвижно на оси, неподвижно закрепленной в ступице, и снабжена рычагом поворота, расположенным под углом к плоскости диска и прижатым к нему свободным концом с помощью спиральной пружины, закрепленной на оси лопасти, с возможностью скольжения конца рычага по диску, изменяющим угол наклона профиля лопастей к плоскости вращения за счет смещения ступицы лопастного винта в сторону диска и обратно к концевому обтекателю по мере напора воздушного потока встречного ветра на лопастной винт;
электрогенератор помещен в кожухе;
электрогенератор снабжен выпрямителем переменного тока в постоянный;
электрогенератор снабжен инвертором преобразования постоянного тока в переменный.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном ветроэлектрическом преобразователе энергии, во втором варианте исполнения, содержащем электрогенератор, включающий статор и якорь, размещенный в корпусе с возможностью вращения статора, два соосных лопастных винта, один из которых ступицей соединен со статором, а второй - с валом якоря, и флюгер, при этом один из лопастных винтов выполнен с меньшим диаметром охвата потока воздуха и установлен ступицей, выполненной с концевым обтекателем, на конце вала якоря впереди лопастного винта с большим диаметром охвата, а профили лопастей винтов развернуты в разные стороны к плоскостям вращения лопастных винтов для преобразования энергии воздушного потока аэродинамическим сопротивлением встречному ветру во вращения статора и якоря в противоположные стороны, согласно предложенному техническому решению, лопастной винт с большим диаметром охвата выполнен с механизмом автоматического управления аэродинамическим сопротивлением лопастного винта напору воздушного потока, и установлен ступицей на цилиндрическом выступе, выполненном на торце статора коаксиально валу якоря посредством шлицевого или шпоночного подвижного соединения, и подпружиненной между торцом статора и фланцем на торце выступа конической пружиной сжатия, при этом каждая лопасть винта с большим диаметром охвата снабжена рычагом поворота, расположенным под углом к торцу статора и прижатым к нему свободным концом с помощью спиральной пружины, закрепленной на оси лопасти, с возможностью скольжения конца рычага по торцу статора за счет смещения ступицы лопастного винта в сторону торца статора и обратно к фланцу по мере изменения напора встречного ветра на лопастной винт, а лопасти винта с меньшим диаметром охвата выполнены с хвостовиками, неподвижно закрепленными в ступице лопастного винта с концевым обтекателем;
лопастной винт с меньшим диаметром охвата воздушного потока выполнен с возможностью совершать поперечные изгибные колебания лопастей под напором воздушного потока встречного ветра;
электрогенератор снабжен выпрямителем переменного тока в постоянный;
электрогенератор снабжен инвертором преобразования постоянного тока в переменный.
Заявленные варианты ветроэлектрического преобразователя энергии могут быть эффективно использованы в качестве источника электроснабжения в сельской местности, а также в различных отраслях промышленности.
На фиг. 1 схематично показан первый вариант ветроэлектрического преобразователя энергии с одним лопастным винтом; на фиг. 2 - схема изменения угла наклона профиля лопасти с изменением напора ветра; на фиг. 3 - второй вариант ветроэлектрического преобразователя энергии с двумя лопастными винтами противоположного вращения; на фиг. 4 - схема поперечных изгибных колебаний лопастей под напором потока воздуха встречного ветра.
в
ac
ac
Ветроэлектрический преобразователь энергии, в первом варианте, содержит электрогенератор, включающий статор 1 и якорь 2, размещенный в кожухе 3, защищающем электрогенератор от природных осадков, и установленный на платформе 4 с возможностью поворота на стойке 5 на 180°, снабженный выпрямителем переменного тока в постоянный или инвертором 6 преобразования постоянного тока в переменный, лопастной винт 7, лопасти 8 которого расположены профилями с наклоном под углом α к плоскости вращения лопастного винта 7, создающим лопастям 8 при напоре воздушного потока аэродинамическим сопротивлением встречному ветру силу Р лопастному винту 7 для вращения якоря 2, и флюгер 9. (Фиг. 1). Лопасти 8 лопастного винта 7 установлены на осях 10, закрепленных неподвижно в ступице 11 с возможностью поворота на них лопастей 9 на угол δ (Фиг. 2). Лопастной винт 7 выполнен с механизмом автоматического управления аэродинамическим сопротивлением лопастного винта напору воздушного потока путем регулирования угла а наклона профиля лопастей 8 к плоскости вращения лопастного винта 7 в зависимости от аэродинамического сопротивления R напору воздушного потока, и установлен ступицей 11 на валу 12 якоря 2, выполненном с концевым обтекателем 13, посредством шлицевого или шпоночного подвижного соединения, и подпружинен конической пружиной 14 сжатия относительно диска 15, жестко закрепленного на валу 12 якоря 2, с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль вала 12 от концевого обтекателя 13 в сторону диска 15 и обратно. Каждая лопасть 8 снабжена рычагом 16 поворота относительно оси 10, расположенным с наклоном к плоскости диска 15 и прижатым к нему свободным концом с помощью спиральной пружины 17, закрепленной на оси 10 лопасти 8, с возможностью скольжения свободного конца рычага 16 по диску 15, изменяющим при усилении ветра угол α угол наклона профиля лопастей к плоскости вращения лопастного винта 7 поворотом профиля лопасти 8 на угол δ за счет смещения ступицы 11 в сторону диска 15 и обратно к концевому обтекателю 13 под воздействием аэродинамического сопротивления R вращающимся лопастным винтом 7 и сжатия пружины 14 по мере изменения напора встречного ветра на лопастной винт 7.
ac
в
ac
Ветроэлектрический преобразователь энергии, во втором варианте, содержит электрогенератор, включающий якорь 2 и статор 1, установленный в корпусе 18 на подшипниках 19 с возможностью вращения в нем статора 1, снабженный выпрямителем переменного тока в постоянный или инвертором 6 преобразования постоянного тока в переменный, два соосных лопастных винта 20 и 21 с меньшим и большим диаметрами охвата потока воздуха встречного ветра, соответственно, лопасти которых развернуты профилями в разные стороны для вращения лопастных винтов 20 и 21 в противоположных направлениях, и управляющий флюгер 9 для поворота лопастными винтами 20 и 21 фронтально ветру. Корпус 1 установлен на платформе 4 с возможностью поворота на стойке 5 на 180° (фиг. 3). Лопастной винт 20 с меньшим диаметром охвата воздушного потока неподвижно установлен ступицей 22 с концевым обтекателем на конце вала 12 якоря 2 и расположен впереди лопастного винта 21 с большим диаметром охвата воздушного потока и лопасти винта с меньшим диаметром охвата выполнены с хвостовиками 23, неподвижно закрепленными в ступице 22 лопастного винта с концевым обтекателем, с возможностью совершать поперечные изгибные колебания лопастей под напором воздушного потока, уменьшая аэродинамическое сопротивление лопастного винта 20. (Фиг. 4). Лопастной винт 21 с большим диаметром охвата воздушного потока выполнен с механизмом автоматического управления аэродинамическим сопротивлением лопастного винта напору воздушного потока встречного ветра путем регулирования угла α наклона профиля лопастей к плоскости вращения лопастного винта 21 в зависимости от аэродинамического сопротивления R напору воздушного потока встречного ветра, создающим силу Р для вращения лопастного винта 21 и преобразования энергии ветра во вращение статора 1, и установлен ступицей 24 на цилиндрическом выступе 25, выполненном на торце статора 1 коаксиально валу 12 якоря 2, посредством шлицевого или шпоночного подвижного соединения с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль цилиндрического выступа 25 статора 1, подпружиненной относительно торца статора 1 конической пружиной 26 сжатия с ограничением фланцем 27 с противоположной стороны. Лопасти винта 21 установлены на осях 10, закрепленных неподвижно в ступице 24, с возможностью поворота профиля на угол δ. (Фиг. 2). Каждая лопасть винта 21 снабжена рычагом 16 поворота относительно оси 10, расположенным с наклоном к торцу статора 1 и прижатым к нему свободным концом с помощью спиральной пружины 17, закрепленной на оси 10 лопасти, с возможностью скольжения свободного конца рычага 16 по торцу статора 1, изменяющим при усилении ветра угол α наклона профиля лопасти к плоскости вращения лопастного винта 21 поворотом профиля на угол δ а счет смещения ступицы 24 лопастного винта 21 от фланца 27 в сторону торца статора 1 и обратно под воздействием аэродинамического сопротивления R вращающимся лопастным винтом 21 и пружины сжатия 26 от изменения напора встречного ветра на лопастной винт 21.
ac
Одновинтовой ветроэлектрический преобразователь энергии используют в стационарном режиме и устанавливают в местах природного ландшафта, где имеются постоянные воздушные потоки с хорошим ветровым режимом, на платформе 4 с возможностью поворота ее на стойке 5 мачты вокруг вертикальной оси на 180° с помощью флюгера 9 управления положением вращающегося лопастного воздушного винта 7 фронтально ветру. При наличии ветра со скоростью выше 3 м/с лопастной винт 7 с помощью лопастей 8, установленных профилем под углом наклона α=30° к плоскости вращения лопастного винта 7, приводит во вращение вал 12 с якорем 2 в статоре 1, размещенном в кожухе 3, установленном на платформе 4, и инициирует выработку электроэнергии. Электрогенератор может быть, как переменного тока (предпочтительнее при использовании генераторов большой мощности), включающий выпрямитель 6 переменного тока, так и постоянного тока (предпочтительнее для генераторов малых мощностей), содержащий инвертор 6 для преобразования постоянного тока в переменный. При превышении скорости ветра 9 м/с вращающийся лопастной винт 7 начинает испытывать избыточное давление и по мере увеличения напора ветра на вращающийся лопастной винт 7, последний смещается ступицей 11 вдоль шлицевого или шпоночного подвижного соединения с валом 12 якоря 2 от концевого обтекателя 13 в сторону диска 15, сжимая коническую пружину 14, при этом рычаги 16 поворота профилей лопастей 8, поджимаемые относительно осей 10 спиральной пружиной 17 к диску 15, скольжением по нему поворачивают профиль лопасти 8 и увеличивают угол наклона а профиля лопастей 8 к плоскости вращения лопастного винта 7 на угол δ≤30°, в результате снижается аэродинамическое сопротивление R вращающегося лопастного винта 7 напору встречного ветра, стабилизируется частота его вращения, тем самым исключается возможность разноса лопастного винта 7 центробежными силами вращающихся лопастей.
ac
Двухвинтовой ветроэлектрический преобразователь энергии используют при скорости ветра выше 3 м/с, приводящей во вращение соосные лопастные винты 20 и 21 с разными диаметрами охвата воздушного потока встречного ветра, лопасти которых развернуты профилями в разные стороны для вращения лопастных винтов 20 и 21 в противоположных направлениях для передачи соответствующих вращений статору 1 в корпусе 18 на подшипниках 19 и якорю 2 в статоре 1, которые генерируют электроэнергию. Лопасти винта 21 с большим диаметром охвата потока воздуха установлены под углом α=30° наклона профиля к плоскости вращения лопастного винта 21. При усилении скорости напора встречного ветра более 9 м/с вращающийся лопастные винты 20 и 21 начинают испытывать избыточное давление и по мере увеличения напора ветра на вращающийся лопастной винт 20 лопасти совершают поперечные изгибные колебания под напором воздушного потока встречного ветра, уменьшая тем самым аэродинамическое сопротивление лопастного винта 20 напору встречного ветра, а вращающийся лопастной винт 21 ступицей 22 смещается по шлицевому или шпоночному подвижному соединению цилиндрического выступа 25 от фланца 27 в сторону торца статора 1, сжимая коническую пружину 26. При этом рычаги 16 поворота лопастей, подпружиненные спиральной пружиной 17 относительно осей 10, скольжением свободного конца по торцу статора 1 увеличивают угол α наклона профиля лопастей к плоскости вращения лопастного винта 21 поворотом профиля лопастей на угол δ≤30°, в результате чего снижается избыточное аэродинамическое сопротивление R вращающегося лопастного винта 21 напору потока воздуха и стабилизируется частота его вращения, исключающие возможность разноса лопастного винта 21 центробежными силами вращающихся лопастей. За счет разнонаправленных вращений статора 1 и якоря 2 лопастными винтами 20 и 21 генерирование электроэнергии увеличивается.
Предложенные ветроэлектрические преобразователи энергии наиболее полезны для континентальных зон с хорошим ветровым режимом, увеличивающие генерирование электричества в 1,5-1,8 раз, и повышают надежность работы при превышении скорости ветра 9 м/с за счет стабилизации аэродинамического сопротивления вращающимся лопастным винтом при изменении напора воздушного потока встречного ветра, исключающей разрушение лопастного винта из-за разноса центробежными силами лопастей.