УСТРОЙСТВО АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Настоящая полезная модель относится к устройствам регулирования частоты вращения ротора ветроэнергетической установки.
Целью полезной модели является стабилизация частоты вращения ротора вертикально-осевой ветроэнергетической установки на определенном уровне скорости набегающего потока ветра с целью ограничения максимальной частоты вращения ротора при дальнейшем возрастании скорости ветра. Цель достигается с помощью применения устройства, работающего на основе использования центробежных сил и активируемого при достижении определенной частоты вращения ротора.
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) с вертикальной осью вращения представляет собой систему агрегатов для передачи кинетической энергии набегающего потока ветра в электрическую энергию генератора с последующим преобразованием ее в форму, удобную для потребления конкретным потребителем. Основное преимущество вертикально-осевых установок с быстроходностью (отношением скорости набегающего потока к линейной скорости внешних точек лопастей) больше единицы перед традиционными горизонтально-осевыми установками (пропеллерами) заключается в том, что их работа не зависит от направления потока ветра. Набегающий поток действует на лопасти ротора ВЭУ, имеющие аэродинамическую форму, и создает аэродинамическую силу, направленную перпендикулярно вектору потока и оси вращения ротора. В результате действия подъемных сил всех лопастей создается интегральный крутящий момент, который приводит к вращению ротора. С возрастанием скорости ветра растет частота вращения ротора по нелинейному закону в соответствии с параметрами ротора. При этом возрастание мощности, которой располагает электрический генератор, происходит в кубической зависимости от скорости ветра и может достигать нескольких порядков. Однако на практике генератор невозможно разработать на слишком широкий диапазон мощностей, учитывая конструктивные особенности электромашины (ограничение по плотности тока в связи с ограниченным диаметром провода, определенной конечной толщиной обмотки и т.д.). Более того, электромашина, как правило, рассчитывается на номинальную точку, в которой достигается оптимальное соотношение определяющих величин (мощность, напряжение, КПД, ток). Из практики известно, что, например, если при скорости ветра 10 м/с аэродинамическая мощность ротора составляет 3 кВт, то при скорости ветра 20 м/с уже 30 кВт, а при скорости ветра 40 м/с - 300 кВт. Очевидно, что электрогенератор не может быть разработан на весь диапазон мощностей, в связи с чем применяются технические решения по ограничению частоты вращения ротора установки - выводу ротора из-под ветра с помощью наклона установки под действием давления потока, ограничению частоты вращения ротора за счет изменения установочных углов лопасти (углов заклинивания) за счет действия центробежных и/или аэродинамических сил и т.д. Также существуют технические решения в области электроники и электротехники, направленные на создание тормозящего момента электрогенератора. Из всех известных решений аэродинамическое регулирование является наиболее простым и менее дорогостоящим.
Известен ряд патентов в области аэродинамического регулирования частоты вращения роторов вертикально-осевых ветроэнергетических установок - 2347104, 2235901 и т.д. Изобретение (патент №2347104) наиболее близко к настоящей модели по целям и способам их достижения и может являться прототипом для настоящей модели. Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в электромашиностроении. Ротор вертикально-осевой ветряной установки содержит ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и располагаемую в центре вращения ступицу, от которой радиально отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, к которым с чередованием прикреплены указанные лопасти по направлению вверх, образуя верхний ярус ротора, и по направлению вниз, образуя нижний ярус. Обтекатели, установленные на части или на всех траверсах, смонтированы из двух секций, выполненных в виде центробежных аэродинамических тормозов, а свободные концы лопастей покрыты концевыми обтекателями, выступающими за край профиля лопасти на величину от 0.5 до 1 максимальной толщины профиля. В другом варианте выполнения лопасти верхнего яруса установлены со смещением относительно лопастей нижнего яруса на половину углового расстояния между лопастями в ярусе, верхние концы лопастей верхнего яруса и нижние концы лопастей нижнего яруса соединены сплющенными кольцами, высота сечения которых составляет 0,5-0,65 от ширины их сечения, причем обтекатели, установленные на части или на всех траверсах, смонтированы из двух секций, выполненных в виде центробежных аэродинамических тормозов. Использование изобретения обеспечивает повышение коэффициента использования энергии ветра до 37%, возможность самораскрутки ротора и ограничение скорости вращения при сильном ветре, снижение шума от работы установки, способность по прочности выдерживать ураганный ветер до 45-60 м/с.
Недостатком прототипа, в частности, конструкции аэродинамического тормоза, является сложность и ненадежность системы аэродинамического регулирования, при которой аэродинамические обтекатели под действием центробежных сил должны провернуться на червячной передаче в разные направления вращения. Кроме того, конструкция аэродинамических тормозов является чрезвычайно дорогостоящей в связи с наличием обтекателей аэродинамической формы, особой конструкцией червячной передачи, ответственной калибровкой сжимаемой пружины и т.д. Название «тормоз» также не отражает функциональных особенностей заявленного механизма, поскольку данная конструкция не может по определению затормозить ротор до полной остановки.
Цель настоящей полезной модели достигается тем, что каждая траверса ротора оснащается устройством аэродинамического регулирования, которое снижает крутящий момент ротора за счет увеличения лобового сопротивления вращению. При этом траверса может содержать несколько предлагаемых устройств, в зависимости от решаемой задачи и соотношения габаритных параметров ротора и устройства.
Подробное описание конструкции иллюстрируется фиг.1-3.
Устройство аэродинамического регулирования частоты вращения ротора вертикально-осевой ветроэнергетической установки состоит из коромысла 1, имеющего V-образную форму с инерционным грузом 2 на нижнем плече коромысла и пластиной 3 в форме сектора круга на верхнем его плече, при этом коромысло 1 установлено на оси его вращения 4, находящейся внутри цилиндрической траверсы ротора 5 таким образом, что когда ротор находится в состоянии покоя, пружина 6, притягивающая нижнее плечо коромысла 1 к стенке траверсы 5, находится в сжатом положении, а при вращении ротора под действием центробежной силы нижнее плечо коромысла 1 отклоняется при некоторой критической частоте вращения, как показано стрелкой на фиг.2, тем самым растягивая пружину 6 и выводя верхнее плечо коромысла с пластиной 3 вверх, создавая аэродинамическое торможение за счет увеличения лобового сопротивления вращению ротора пластиной 3 верхнего плеча коромысла 1. При снижении частоты вращения ротора величина центробежных сил снижается и пружина 6 сжимается, возвращая коромысло 1 в первоначальное положение в направлении, указанном стрелкой на фиг.3. Цилиндрическая траверса 5 может быть заключена в аэродинамический обтекатель для снижения лобового сопротивления траверсы во время вращения ротора до критической частоты вращения. Критическая частота вращения, на которой устройство аэродинамического регулирования активируется, т.е. коромысло 1 приводится в движение, определяется разработчиком и рассчитывается с учетом длины и формы плеч коромысла 1, массой груза 2 и жесткостью пружины 6.