ВЕТРОГЕНЕРАТОР С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ПРИВОДНЫМ ВАЛОМ

Полезная модель относится ветроэнергетике, к устройствам получения электроэнергии путем использования энергии ветра и, в частности, к ветрогенераторам и устройствам преобразования силового воздействия ветра во вращающий момент на валу электрогенератора. Заявляемое устройство ветрогенератора может найти применение в малой энергетике, как альтернативный источник энергии для получения электроэнергии малой и большой мощности.
В настоящее время устройства для преобразования энергии ветра в электроэнергию, в основном, включают в себя два типа таких устройств: устройство выработки энергии с горизонтальной осью ветряного колеса или ветряной крыльчатки и устройство выработки энергии с вертикальной осью вращения ветряного колеса. Устройство выработки энергии с горизонтальной осью имеет относительно простую конструкцию ветропринимающего устройства, но имеют и недостатки, связанные, в частности, со сложностью обслуживания и необходимостью применения дополнительного механизма для ориентирования плоскости крыльчатки встречно направлению ветра. Лопасти такого устройства имеют относительно большую длину и требуют большого пространства для работы, при этом эти лопасти должны изготавливаться из высокопрочных материалов и легко повреждаются от воздействия ветра. Кроме того, при работе ветрогенераторы этого типа создают шум высокой интенсивности.
Заявляемая полезная модель относится к устройствам выработки энергии с вертикальной осью вращения ветряного колеса. Такие устройства не требуется механизма поворота конструкции при изменении направления ветра, и при работе не вызывают шум высокой интенсивности. Кроме того ветрогенераторы такого типа, удобны в обслуживании и не требуют большого пространства для функционирования.
Известны ветрогенераторы и ветроэлектростанции с вертикальной осью вращения, например, ветроэлектростанция по патенту RU 2297550 С2, МПК F03D 3/00 (2006.01) от 04.07.2005.
Техническим результатом в этом патенте является повышение КПД, увеличение удельной мощности и надежности конструкции, обеспечение работы ветроустановки при скоростях ветра 1-50 м/с и улучшение других показателей по сравнению с аналогами. В указанной ветроэлектростанции, которая содержит вертикальный вал, лопасти и ветронаправляющие устройства, на вертикальном валу установлена жестко крестообразная рама с ведущими лопастями с ограничителями и ведомыми лопастями, расположенными вертикально, и образующими в рабочем ходе единую плоскость, равную по ширине радиусу.
Однако техническое решение по рассматриваемому патенту имеет ряд недостатков. В такой конструкции возможно лишь максимум 4 рабочие лопасти, что снижает мощность и чувствительность ветрогенератора к малым скоростям ветра; например, в сравнении с ветрогенератором с пятью или шестью рабочими лопастями. Однако в рассматриваемой конструкции - это не предусмотрено. Другим недостатком анализируемого технического решения является выполнение крепления рабочих лопастей к прямоугольной крестовине, поверхность которой будет создавать вредное, не рабочее давление на конструкцию, и потребует изготовление более мощной опоры, что удорожает конструкцию и снизит полезный момент вращения на валу генератора, создаст дополнительные пульсации этого момента вращения. Мощность и КПД ветрогенератора будут уменьшены.
Известна конструкция ветрогенератора, в которой некоторые недостатки описанного выше аналога частично устранены. Это «Устройство ветрогенератора и конструкция лопасти ветрогенератора» по патенту RU 2529966 С2 МПК F03D 3/02 (2006.01). Конвенционный приоритет: 05.02.2010 CN 201010106452.Х.
В рассматриваемом устройстве ветрогенератор включает в себя, по меньшей мере, один механизм ветряного колеса, который вращается под действием ветровой нагрузки. Механизм ветряного колеса содержит, по меньшей мере, одну конструкцию лопасти ветрогенератора; конструкция лопасти включает в себя валы ветряной лопасти, закрепленные в каркасе ветряной лопасти, подвижные лопасти и ограничители поворота лопастей. Ограничители поворота лопастей являются выступающими элементами на каркасе лопасти или на валу лопасти для блокирования подвижных лопастей, чтобы подвижные лопасти не могли вращаться, когда подвижные лопасти находятся в положении, где они опираются на каркас ветряной лопасти и создают единую ветровоспринимающую поверхность. Площади двух участков подвижной лопасти с обеих сторон оси поворота ветряной лопасти не равны между собой. Авторы рассматриваемого патента считают, что устройство ветрогенератора, и конструкция лопасти могут выдерживать нагрузку от воздействия сильного ветра без повреждения.
Механизм ветряного колеса в данном техническом решении аналогичен техническому решению в рассмотренном ранее аналоге. В нем также площади двух участков подвижной лопасти с обеих сторон по отношению к оси поворота лопасти, не равны между собой. Однако в рассматриваемом техническом решении ветряные лопасти выполнены не плоскими, и имеют сложную геометрию изгиба. Учитывая, что размеры этих ветряных лопастей от цента к периферии переменны, усложняется конструкция ветрогенератора в целом и, следовательно, увеличивается его себестоимость. Другим недостатком такой конструкции является отрицательное проявление в ней момента инерции подвижных лопастей, которое проявляется в их повороте от действия центробежных сил в нерабочей части рабочего колеса, где ветряные лопасти должны быть параллельны потоку воздуха. При относительно высоких скоростях вращения вала ветрогенератора под действием инерционных сил ветряные лопасти займут положение перпендикулярно или почти перпендикулярно воздушному потоку, что приведет к созданию момента, обратного рабочему моменту вращения, повышению сопротивления воздушному потоку и существенному снижению эффективности ветрогенератора. Этот вопрос в данном техническом решении не рассматривался и не учтен, а конструкция по данному патенту не предусматривает решений по снижению инерционных сил ветряных лопастей. Еще одним недостатком рассматриваемого аналога является не эффективная конструкция каркаса ветряной лопасти. Эта конструкция допускает использование в ветровом колесе только четное количество ветряных лопастей, так как каркас имеет длину равную диаметру ветрового колеса. Что делает невозможным в рассматриваемом аналоге использовать не четное число ветряных лопастей, например, 3 или 5 ветряных лопастей. Каркасы ветровых лопастей, по рассматриваемому аналогу, соединены по периметру штангами. Эти штанги образуют многоугольную конструкцию, которая создает дополнительное переменное сопротивление воздушному потоку при вращении ветряного колеса и будет вызвать биения силового давления на опоры. Использование штанг уменьшает жесткость всего ветрогенератора, что особенно опасно при высоких ветряных нагрузках. Ветряные колеса из каркасов ветряных лопастей, соединенных по периметру штангами обладает невысокой устойчивостью к деформациям, что увеличивает вероятность поломки такой конструкции и что является также недостатком рассматриваемого аналога.
Основными недостатками конструкции ветрогенератора по рассматриваемому патенту являются: сложность конструкции ветряных лопастей, пониженный момент рабочего движения, обусловленный проявлением сил инерции, действующих на ветряные лопасти; низкая жесткость конструкции и высокая вероятность ее поломки при высоких ветровых нагрузках.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно упрощение конструкции, без снижения технических показателей, повышение момента вращения от сил воздушного потока ветра, увеличение жесткости конструкции и снижение вероятность ее поломки при высоких ветровых нагрузках.
Поставленная задача решается тем, что ветрогенератор с вертикальным приводным валом, состоящий из вертикальных опор, соединенных верхними и нижними поперечными балками; вертикального приводного вала, установленного между верхней балкой и нижней балкой; электрогенератора, вал которого кинематически связан с вертикальным приводным валом; одного или нескольких модулей преобразования энергии ветра во вращающий момент, которые состоят из ветропринимающих лопастей, верхней и нижней опор ветропринимающих лопастей, ограничителей поворота лопастей, при этом верхняя и нижняя опоры ветропринимающих лопастей выполнены круглой формы, на модуле установлено три ветропринимающие лопасти, которые по длине окружности удалены друг от друга на одинаковое расстояние, разделяя окружность осями, между которыми равные углы в 120°, а вертикальные ветропринимающие лопасти выполнены из двух или более плоских поворотных лопастей прямоугольной формы, так что оси поворота поворотных лопастей проходят вертикально через край поворотных лопастей и расположены по дугообразной кривой в радиальном направлении, при этом ограничители обеспечивают поворот каждой поворотной лопасти не более 100° и не менее 90° градусов, а поворотные лопасти выполнены из пластин пенополиуретана и для одной ветропринимающей лопасти, шарнирно связаны между собой тягами.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен схематичный вид ветрогенератора с вертикальным приводным валом, вид сбоку, где позиция 17 - трос, поз. 18 - узел крепления троса; на фиг. 2 - модуль преобразования энергии ветра во вращающий момент приводного вала, вид сбоку; на фиг. 3 приведен вид сверху на модуль преобразования энергии ветра во вращающий момент приводного вала, отображенного на фиг. 1 и показывающий систему лопастей ветрогенератора; на фиг. 4 приведен схематичный вид связи поворотных лопастей тягами, в открытом состоянии поворотных лопастей; на фиг. 5 - схематичный вид связи поворотных лопастей тягами, в закрытом - рабочем состоянии поворотных лопастей.
Ветрогенератор с вертикальным приводным валом состоит из: 3-х или 4-х опор ветрогенератора 8, прикрепленных к основанию 11, закрепляемому на горизонтальном фундаменте; верхних горизонтальных балок 9 и нижних горизонтальные балок 10, вертикального приводного вала 1, установленного вертикально между верхней балкой 9 и нижней балкой 10, по центру верхней балки 9 и центру нижней балки 10, с использованием верхней подшипниковой опоры беи нижней подшипниковой опоры 7, при этом нижний конец вращающегося вала 1 соединен муфтой 13 с генератором 14 через коническую передачу 12 и с тормозным устройством 15, связанным с регулятором частоты вращения вертикального приводного вала 16; по меньшей мере, одного модуля преобразования энергии ветра во вращающий момент приводного вала (Фиг. 2, 3), включающего вертикальный приводной вал 1; вертикальные ветропринимающие лопасти 2; верхнюю 4 и нижнюю 5 опоры ветропринимающих лопастей 2, опоры ветропринимающих лопастей жестко связанны с вертикальным приводным валом 1. Число ветропринимающих лопастей 2 по окружности модуля преобразования энергии ветра во вращающий момент приводного вала, может составлять 3-10, и иметь их четное и нечетное количество. Ветропринимающие лопасти 2 состоят из двух, трех, или более, поворотных лопастей 3, закрепленных между верхней 4 и нижней 5 опорами поворотных лопастей 3 так, что валы 20 поворотных лопастей 3 проходят вертикально через край поворотных лопастей. Поворотные лопасти 3 связанны между собой синхронизирующими тягами 23, соединенные рычагами 22 с шарнирами 21, закрепленными на поворотной лопасти 3 или на валу 20 поворотной лопасти 3. При этом оси поворотных лопастей 3 расположены радиально или по дугообразной кривой (Фиг. 3) в радиальном направлении, на опорах поворотных лопастей 4, 5 Фиг. 1. Поворотные лопасти снабжены ограничителями двух типов, ограничителем поворота в раскрытом положении 25 так, что обеспечивают поворот каждой вертикальной ветропринимающей лопасти не более 100 и не менее 80 градусов к плоскости поворотной лопасти, при этом поворотной плоскости через шарниры 21 связаны между собой тягами 23. Второй ограничитель 24 устанавливается, преимущественно, в варианте, когда ширина поворотной лопасти меньше расстояния меду валами поворотных лопастей. Это подвижный ограничитель, и является опорой для поворотных лопастей в рабочем состоянии, когда все поворотные лопасти образуют единую ветропринимающую лопасть (Фиг. 5). Верхняя и нижняя опоры поворотных лопастей 4, 5 выполнены круглой формы и неподвижно закреплены на вертикальном приводном валу 1.
Модуль преобразования энергии ветра во вращающий момент приводного вала, воспринимает давление ветра и трансформирует это давление во вращающий момент приводного вала; приводной вал, соединен через редуктор и другие устройства с валом генератора, который вырабатывает напряжение. В конструкции ветрогенератора могут быть использован один модуль преобразования энергии ветра во вращающий момент приводного вала, или несколько таких модулей, например, в количестве 2-10. Каждый модуль преобразования энергии ветра во вращающий момент приводного вала может содержать преимущественно три ветропринимающих лопасти, но в некоторых модификациях заявляемой полезной модели может использоваться несколько ветропринимающих лопастей 4, 5, 6, 7, 8, если они будут иметь другую конструкцию и размеры; при этом каждая ветропринимающая лопасть ветрогенератора выполнена, по меньшей мере, из 2, 3, 4-х идентичных плоских поворотных лопастей, которые в рабочем положении образуют единую ветропринимающую поверхность, при этом плоские поворотные лопасти каждой ветропринимающей лопасти связаны между собой синхронизирующими тягами.
Для одновременного поворота всех плоских поворотных лопастей 3, эти лопасти, снабжены коротким рычагом 22, который закрепляется к поверхности плоской поворотной лопасти 3 или на валу плоской поворотной лопасти 24. Эти рычаги 22 подвижно соединены тягами 23 через шарниры 21. В модуле преобразования энергии ветра во вращающий момент приводного вала используются ограничители поворота плоских поворотных лопастей, которые закреплены на верхней или нижней опоре лопасти. Ограничитель предназначен для ограничения поворота плоской поворотной лопасти в раскрытом, не рабочем положении, на угол 80-100 градусов. Это ограничение обеспечивает формирование дополнительного вращающего момента, поскольку поток воздуха в нерабочей части модулей преобразования энергии ветра во вращающий момент, в пространственном положении, когда поворотные лопасти не прижаты ветром друг к другу и не образуется единой ветропринимающей поверхности, а плоскости плоских поворотных лопастей почти параллельны струям потока воздуха, именно поворот поворотных лопастей из состояния единой ветропринимающей лопасти в состояние повернутых поворотных лопастей на 80…100 градусов создает кратковременно дополнительный вращающий момент, одновременно ограничивается проявление центробежных сил, которые стремятся повернуть поворотные лопасти перпендикулярно потоку воздуха при относительно высоких скоростях вращения приводного вала. Валы поворотных лопастей расположены, преимущественно, с краю каждой поворотных лопастей. Каждая плоская поворотная лопасть ветрогенератора, предлагаемая по настоящей полезной модели, выполняется в виде пластин из прочного плоского пенополиуретана или из другого плоского пластика или металла с минимальным удельным весом и достаточной прочностью. Из вышеописанного технического решения видно, что модуль преобразования энергии ветра во вращающий момент ветрогенератора, по заявляемой полезной модели, более эффективен, чем известнее аналоги, в нем минимизированы потери и упрощена конструкция поворотных лопастей, а выполнение поворотных лопастей плоскими снижает сопротивление воздушному потоку при вращении модуля, когда поверхность поворотных плоскостей параллельна или почти параллельна касательной к траектории вращения оси поворотных лопастей вокруг оси вращения приводного вала. Упрощение конструкции поворотных лопастей снижает себестоимость изготовления ветрогенератора без потери технических показателей.
Выполнение верхней и нижних опор поворотных лопастей круглой формы в виде диска в совокупности с дугообразной формой ветропринимающих лопастей образуют в рабочем положении объемную форму типа «ложки», используемой в приборах для измерения скорости ветра.
Механизм преобразования энергии ветра во вращающий момент электрогенератора состоит из вертикального приводного вала 1, связанного через редуктор или напрямую с электрогенератором; опоры вертикального приводного вала 8, поворотных лопастей 3, верхней опоры поворотных лопастей 4, нижней опоры поворотных лопастей 5. Поворотные лопасти 3, в рабочем положении, образуют единую рабочую лопасть 2, которая воспринимает давление ветра и приводит во вращение вертикальный приводной вал 1. Поворотная лопасть 3 состоит из вертикального вала 20 лопасти с цапфами и рабочей плоскости, неразъемно соединенной с вертикальным валом 20 лопасти 3. Цапфами поворотные лопасти 3 закрепляются в отверстиях или подшипниках верхней опоры поворотных лопастей 4 и нижней опоры поворотных лопастей 5 с возможностью поворота.
Для ветрогенераторов повышенной ветровой нагрузки и/или для ветрогенератора относительно высокой мощности, например, при увеличенных размерах поворотных лопастей 3, для подвижного соединения цапф вертикальных валов лопастей 20 с верхней опорой поворотных лопастей 4 и с нижней опорой поворотных лопастей 5 используются подшипники скольжения или подшипники качения.
Учитывая, что модуль преобразования энергии ветра во вращающий момент, в процессе работы подвергается внешним воздействиям в большей степени, чем другие компоненты ветрогенератора, и в процессе эксплуатации может быть поврежден, в заявляемой полезной модели совершенствуется механизм этого модуля. Это обеспечивается следующими конструктивными решениями: в составе описанного модуля введены поворотные лопасти облегченной конструкции. Выполнение поворотных лопастей из прочного пенополиуретана, соответствует их наиболее высокой динамической нагрузки.
Плоская форма поворотных лопастей обеспечивает простоту конструкции и. следовательно, их невысокую стоимость.
Заявляемая конструкция поворотных лопастей и узлы их крепления обеспечивают высокое сопротивление воздействию ветра при движении по ветру и низкое сопротивление воздействию ветра при движении их против ветра, что позволяет модулю преобразования энергии ветра во вращающий момент максимально использовать энергию ветра. При этом повышается эффективность выработки энергии и уменьшается вероятность повреждения модуля преобразования энергии ветра во вращающий момент при сильном ветре. Конструкция лопасти по варианту выполнения настоящей полезной модели может включать в себя каркас поворотной лопасти, вал поворотной лопасти, поворотную лопасть и, по меньшей мере, один стопор поворотной лопасти; вал поворотной лопасти предусмотрен в каркасе поворотной лопасти; стопор поворотной лопасти предусмотрен на каркасе поворотной лопасти или валу поворотной лопасти для блокирования поворотной лопасти, чтобы поворотная лопасть не могла продолжать вращение, когда поворотная лопасть вращается вокруг вала лопасти в положение, где поворотная лопасть перекрывается с каркасом подвижной лопасти.
Стопор поворотной лопасти может быть выполнен различными способами, например, он может представлять собой один или несколько выступающих элементов на каркасе поворотной лопасти, продолжающихся внутрь каркаса поворотной лопасти; или, если форма каркаса ветряной лопасти не является точно такой же, как форма контура поворотной лопасти (например, каркас лопасти может иметь вогнутый угол). В ветрогенераторе используется типовые устройства для получения электроэнергии, готовой к практическому применению, например, электрический шкаф, преобразователь напряжения, стабилизатор напряжения, аккумулятор (в описании и на рисунках не приведены).