ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии, используя энергию ветра при нормальных погодных условиях и при ураганных ветрах.
Известен ветродвигатель с гравитационной стабилизацией вращения ротора (Заявка на изобретение РФ №2004132368, кл. F03D 1/00, 2006), содержащий ветродвигатель барабанного типа с горизонтальной осью вращения, в котором полотна лопастей выполнены таким образом, что ветер действует только на лопасти, проходящие верхнее положение, а лопасти, проходящие нижнее положение, сложены в гармошку.
Недостатком такого технического решения является невозможность использования ветродвигателя при ураганных ветрах.
Известна ветроэнергетическая установка (Заявка на изобретение РФ №93041300, кл. F03D 1/00, F03D 1/02, F03D 7/02, 1993), содержащая установленные на центральной горизонтальной оси с возможностью вращения в противоположных направлениях одно или несколько ветроколес с радиальными лопастями, электрогенератор, конфузорный корпус (ветроловушка).
Недостатком такого технического решения является невозможность использования установки в сложных климатических условиях при ураганных ветрах.
Известна также ветроэнергетическая установка (ВЭУ), содержащая два ветродвигателя с радиальными лопастями, установленные на двух соосных горизонтальных валах с возможностью вращения в противоположных направлениях, генератор электрического тока и ветроловушки, снабженная дополнительным промежуточным валом, на одном конце которого закреплен статор генератора, на другом - зубчатое колесо системы зубчатых передач, ветродвигатели установлены в котлованах, а их горизонтальные валы расположены на уровне земли, каждая ветроловушка содержит размещенные над ветродвигателями верхнюю неподвижную с вогнутой наружной поверхностью направляющую, нижнюю подвижную направляющую, огибающую лопасти барабана ветродвигателя с возможностью поворота вокруг ветродвигателя и фиксации положения внахлестку относительно верхней направляющей, размещенные у поверхности котлована подвижные поворотные козырьки, направляющие воздушный поток к лопастям ветродвигателей (патент RU №2315891, МПК F03D3/02, опубликовано: 27.01.2008)
Недостатком такого технического решения является невозможность использования установки при других направлениях ветра, недостаточная эффективность выработки электроэнергии. Еще один недостаток заключается в наличии механического редуктора, обеспечивающего противоположное вращение второго ветроколеса, что усложняет конструкцию ВЭУ.
Задачей, решаемой полезной моделью является обеспечение возможности использования установки в сложных климатических условиях при разных направлениях и силе ветра с высокой эффективностью выработки электроэнергии.
Поставленная задача достигается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая два ветродвигателя с радиальными лопастями, установленные на двух соосных горизонтальных валах с возможностью вращения в противоположных направлениях, генератор электрического тока, статор которого кинематически связан с одним из колес, а ротор - с другим, подвижный направляющий кожух, огибающий лопасти ветроколес с возможностью поворота вокруг ветродвигателя и фиксации положения, ветровые ловушки, средства крепления лопастей, согласно полезной модели, лопасти одного колеса имеют угол атаки, противоположный углу атаки другого колес и установлены с возможностью изменения угла атаки, статор и ротор генератора выполнены в виде цилиндров, концентрически скрепленных плоскими основаниями, причем цилиндры ротора расположены в кольцевых зазорах между цилиндрами статора эквидистантно последним, а установка дополнительно снабжена флюгером с датчиками преимущественного направления ветра.
Направляющий кожух, как вариант, может быть выполнен в виде двух пар пустотелых дисков аэродинамической формы, установленных соосно на ветроколесах, один из которых размещен внутри другого с возможностью выдвижения для перекрытия и вывода части лопастей или всего ветроколеса из-под ветра
Как вариант, лопасти выполнены криволинейными и снабжены ветровыми ловушками в виде вогнуто-сферических в поперечном сечении оконечных участков на лопастях, занимающих 60…70% длинны лопастей.
Средства крепления лопастей, как вариант, дополнены расположенными по периферии ветроколес кольцами, которые укреплены растяжками.
Статор, как вариант, выполнен неподвижным.
Установка ветродвигателей на двух соосных горизонтальных валах с возможностью вращения в противоположных направлениях, кинематическая связь статора с одним из колес, а ротора - с другим, установка лопастей с возможностью изменения угла атаки, выполнение статора и ротора генератора в виде цилиндров, концентрически скрепленных плоскими основаниями, причем цилиндры ротора расположены в кольцевых зазорах между цилиндрами статора эквидистантно последним, обеспечивают повышение КПД и синхронность противоположного вращения ветроколес за счет эффекта сложения угловых скоростей противоположного вращения ротора и статора и кинетической энергии массы генератора.
Наличие направляющего кожуха, выполненного в виде двух пар пустотелых дисков аэродинамической формы, установленных соосно на ветроколесах, один из которых размещен внутри другого с возможностью выдвижения для перекрытия и вывода части лопастей или всего ветроколеса из-под ветра.
Снабжение ВЭУ флюгером с датчиками преимущественного направления ветра позволяет улавливать преимущественные направления ветра.
Выполнение лопастей криволинейными и снабжение их ветровыми ловушками в виде вогнуто-сферических в поперечном сечении оконечных участков на лопастях, занимающих 60…70% длинны лопасти, способствует захвату и отражению потока воздуха не вогнутым участком лопасти. Не останавливая общую инертную массу воздушных потоков, проходящих через лопасти, такая конструкция реагирует на малейший воздушный поток, не меняет направления последующих потоков воздуха, даже при малой их активности.
Внешнее кольцо фиксирует лопасти в рабочем положении и обеспечивает постоянство аэродинамики ветроколес.
Предложенная совокупность признаков в целом обеспечивает возможность использования установки в сложных климатических условиях при разных направлениях и силе ветра с высокой эффективностью выработки электроэнергии.
Полезная модель поясняется чертежами: где на фиг.1 показана ВЭУ с двумя ветроколесами; на фиг.2 - вариант с пустотелыми дисками; на фиг.3 - с ветровыми ловушками; на фиг.4 - с кольцами, которые укреплены растяжками.
Ветроэнергетическая установка (см. фиг.1) содержит ветродвигатели в виде ветроколес 1 и 2 с радиальными лопастями 3, установленных на двух соосных горизонтальных валах 4, 5 с возможностью вращения в противоположных направлениях. Генератор 6 электрического тока, статор 7 которого кинематически связан с колесом 1, а ротор 8 - с колесом 2, подвижный направляющий кожух 9, огибающий лопасти 3 ветродвигателей с возможностью поворота вокруг ветродвигателя и фиксации положения. При этом лопасти 3 колеса 1 имеют угол атаки равный и противоположный углу атаки другого колеса 2, статор 7 и ротор 8 генератора 6 выполнены в виде цилиндров 10, концентрически скрепленных плоскими основаниями 11, причем цилиндры 10 ротора 8 расположены в кольцевых зазорах между цилиндрами 10 статора 7 эквидистантно последним. ВЭУ дополнительно снабжена флюгером 12 с датчиками преимущественного направления ветра и установленным соосно, а направляющий кожух 9 установлен сверху ветроколес 1,2.
ВЭУ работает следующим образом (фиг.1).
Флюгер 12 с датчиками автоматически выставляет колеса 1 и 2 на преимущественное направление ветра перпендикулярно их торцу и сметаемой лопастями 3 площади. Лопасти 3 колеса 1 имеют угол атаки равный и противоположный углу атаки другого колеса 2. Оба колеса 1, 2 начинают вращаться в противоположных направлениях совместно со своими валами 4, 5. При этом колесо 2 вращается как от набегающего потока, так и от спутной струи колеса 1, усиливая вращающий момент ВЭУ. При этом угол атаки лопастей выставляется, например, отдельным шаговым микродвигателем по сигналу от датчиков.
Генератор 6 электрического тока, статор 7 которого кинематически связан с колесом 1, а ротор 8 - с колесом 2, также вращаются в противоположных направлениях, При этом за счет эффекта сложения угловых скоростей противоположного вращения ротора 8 и статора 7 электрические обмотки ротора 8 пересекают магнитное поле статора 7 с большей частотой, что повышает э.д.с. и количество произведенной электроэнергии. Кроме того при слабых ветрах за счет редукции с повышением вращения генератора ВЭУ позволяет стабилизировать электроэнергию по току и напряжению и вырабатывать так называемую чистую электроэнергию с более высокими параметрами, а также применять менее быстроходное ветроколесо.
Вывод ВЭУ из-под штормового ветра при максимальных нагрузках осуществляется за счет автоматического разворота лопастей 3 во флюгерное положение электроприводами, например, отдельными шаговыми микродвигателями по сигналу от датчиков (не показаны).
При номинальных ветрах лопасти 3 также автоматически выставляются на оптимальный угол атаки.
Вариант выполнения направляющего кожуха в виде двух пар пустотелых дисков 13, 14 (см. фиг.2) аэродинамической формы, соосно установленных на ветроколесах, один 13 из которых размещен внутри другого 14 с возможностью выдвижения предназначен для перекрытия или вывода ветроколеса из-под ветра. Диск 13 поворачивают на заданный угол, он выдвигается из диска 14 и перекрывает лопасти 3.
Кожух 9 защищает от атмосферных осадков, закрывает верхнюю часть от воздушных потоков, направляя воздух вниз на открытую часть лопастей 3, заставляя их вращаться. Данная конструкция позволяет увеличить объем лопастей, используя слабые воздушные потоки за счет парусной формы, относительно характеристик суммарной мощности воздушных потоков данной местности.
Используя пары пустотелых дисков 13, 14 кожуха можно регулировать воздушные потоки на два колеса 1 и 2 в различном объеме путем неодинакового перекрытия лопастей 3, что позволит разворачиваться ВЭУ без электропривода в нужном направлении, то есть перпендикулярно относительно воздушных потоков.
Нагрузка на подшипники распределяется равномерно, благодаря перпендикулярному расположению двигателя относительно воздушных потоков и одинаковой площади лопастей.
Выполнение ветровых ловушек (см. фиг.3) на криволинейных лопастях 3 в виде вогнуто-сферических в поперечном сечении занимающих 60…70% длинны участков 15 на лопастях 3, работает следующим образом. Слабые ветра со скоростью потока 4…4,5 м/сек хорошо улавливаются вогнуто-сферическими участками 15, а затем отбрасываются на участок лопасти 3 и, далее другие лопасти 3 ветроколеса, усиливая вращающий момент ВЭУ.
Генератор с неподвижным статором 7 имеет два ротора 8, входящих в статор 7 с двух торцов. Работа осуществляется при вращении роторов 8.
ВЭУ, рассчитанная на нестабильные воздушные потоки, использует широкую диаграмму активности. Генератор 6 имеет два вращающихся ротора 8 и два статора 7 противоположного вращения, гасящие центробежный эффект синхронностью вращения, автоматически регулируемые лопастями обоих колес 1 и 2 с последующим пересечением электромагнитной индукции по ярусам, увеличивая таким образом частоту пересечения. Находится генератор 6 на одной оси с воздушными потоками.
Лопасти 3 могут быть соединены кольцами 16 (см. фиг.4), которые фиксируют положение лопастей 3 по окружности ветроколеса, но не препятствует изменению угла атаки лопастей 3. Кольца 16 укреплены растяжками 17, связанными с концами вала 18, выступающими за плоскости ветроколес.
Кольца 16 могут быть выполнены в сечении как аэродинамическое крыло, установленное с углом атаки к набегающему потоку.
ВЭУ, где лопасти соединены кольцами 16 за счет подвижного соединения в единое целое, работает следующим образом. Нагрузку на кольца 16 забирают тросовые растяжки 17, соединенные с концами вала 18, выступающими за пределы плоскости ветроколес 1,2. Кольцо 16 в сечении имеет форму крыла с расчетной подъемной силой. При ветровой нагрузке подъемная сила растягивает кольца 16 в диаметральном направлении, чему противодействуют реактивные усилия растяжек 17. Противодействие усилий обеспечивая динамическую жесткость ветроколес 1, 2 и тем самым стабилизирует работу ВЭУ.
Кольца 16 могут быть снабжены снаружи и (или) внутри симметрично расположенными поворотными радиальными лопатками 19, создающими противоположное вращение. Используя эффект взаимоотталкивающих сил противоположного вращения при воздействии воздушных потоков, эта конструкция позволяет гасить осевые колебания лопастей, присущие известным ВЭУ, разрушающие дорогостоящие лопасти, снижающие ресурс использования ВЭУ. Угол атаки лопаток 19 и лопастей 3 двух ветроколес 1,2 синхронно управляется отдельными электроприводами, которые направляют воздушные потоки на лопатки 19 второго ветроколеса под углом, таким образом компенсируя с учетом изменения воздушных потоков, снижение скорости воздушных потоков на второе ветроколесо. Данная ВЭУ сложнее, но более эффективна по мощности и окупаемости, т.к. может применяться в различных широтах при малых воздушных потоках.
При воздействии активных воздушных потоков, задающие датчики с электроприводом меняют угол атаки лопастей 3 и лопаток 19 снижая нагрузку.
Промышленная применимость обеспечивается современными технологиями производства ВЭУ.