Ветроэнергетическая установка
WIND POWER UNIT

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для выработки электрической энергии.
Известна ветроэлектрическая станция [1], принятая за прототип, содержащая ветроколесо с ободом и каретку с электрогенератором, приводной вал которого снабжен фрикционным роликом в виде конуса, контактирующего с ободом ветроколеса. Ступица ветроколеса, выполняющего роль основной ветротурбины, насажена с возможностью вращения и осевого перемещения на расположенную горизонтально полую ось, в которой на упорных подшипниках имеющий отверстие с резьбовой нарезкой установлен вал, на одном из концов которого жестко закреплена вспомогательная ветротурбина. Отверстие с резьбовой нарезкой вместе со штангой, также имеющей на одном из концов резьбовую нарезку, жестко связанной другим концом со ступицей ветроколеса образуют винтовую пару.
Система обеспечивает за счет изменения передаточного отношения между частотой вращения ветроколеса и частотой вращения вала генератора равенство частот вращения ветроколеса и вспомогательной ветротурбины при любых скоростях ветра. А так как частота вращения холостого хода вспомогательной ветротурбины равна частоте вращения ветроколеса, при котором оно имеет максимальный коэффициент использования энергии ветра, повышается эффективность ветроэлектрической станции.
Недостатком такой ветроэлектрической станции является то, что она не может быть реализована для ветротурбин, не имеющих обода, каковыми являются наиболее распространенные ветротурбины пропеллерного типа. Кроме того проблематична передача без проскальзывания достаточной мощности через фрикционную передачу «обод-ролик». Для изменения передаточного отношения между валами ветроколеса требуется перемещение относительно громоздкого ветроколеса, что является существенной нагрузкой для вспомогательной ветротурбины, частота вращения которой при этом будет отклоняться от частоты вращения холостого хода, и, следовательно, снижать точность поддержания частоты вращения ветроколеса на оптимальном уровне.
Задача изобретения - устранение указанных недостатков.
Технический результат достигается за счет того, что в ветроэлектрической установке содержащей головку, установленный в головке с возможностью вращения полый вал, расположенный горизонтально, на один из концов которого насажена основная ветротурбина, связанная посредством механической передачи с валом, установленного на головке генератора переменного тока, вспомогательный вал, имеющий винтовую нарезку, связанный механически с полым валом, вспомогательную ветротурбину, установленную в головке соосно с основной ветротурбиной, связанную через винтовую пару с полым валом, при чем частота вращения холостого хода вспомогательной ветротурбины равна оптимальной частоте вращения основной ветротурбины, полый вал размещен внутри цилиндрического выступа головки, вспомогательная ветротурбина установлена на одном из концов пропущенного через полый вал вспомогательного вала, второй конец которого связан через винтовую пару с полым валом и через упорный подшипник со ступицей насаженного с возможностью вращения и осевого перемещения на второй конец полого вала первым диском первого раздвижного шкива клиноременной передачи, второй диск которого и жестко связанная с ним первая шестерня редуктора также насажены на второй конец полого вала с возможностью вращения, но ограниченного осевого перемещения в направлении от первого диска, первая шестерня зубчатым зацеплением связана с установленной на первом промежуточном валу второй шестерней и жестко связанной с ней третьей шестерней, связанной зубчатым зацеплением с четвертой шестерней, жестко закрепленной на втором конце полого вала, конические стороны первого и второго дисков связаны расположенным между ними клиновым ремнем с третьим и четвертым дисками второго раздвижного шкива клиноременной передачи, установлеными на втором промежуточном валу, при чем третий диск закреплен на валу неподвижно, а четвертый с возможностью осевого перемещения под действием пружины в направлении третьего диска, второй промежуточный вал соединен с помощью муфты с валом генератора.
На чертеже (Фиг. 1) схематично показан пример выполнения заявляемого ветроэнергетической установки.
Она содержит головку 1, установленный в головке с возможностью вращения полый вал 2, расположенный горизонтально, на один из концов которого насажена основная ветротурбина 3, связанная посредством механической передачи с валом 4, установленного на головке 1 генератора 5 переменного тока. Вспомогательный вал 6 имеет винтовую нарезку, связан механически с полым валом 2. Вспомогательная ветротурбина 7 установлена в головке соосно с основной ветротурбиной, связана через винтовую пару с полым валом 2. Геометрия вспомогательной ветротурбины выбрана так, что частота вращения холостого хода вспомогательной ветротурбины равна оптимальной по критерию максимума коэффициента использования энергии ветра частоте вращения основной ветротурбины. Полый вал 2 размещен внутри цилиндрического выступа 8 головки 1. Вспомогательная ветротурбина 7 установлена на одном из концов пропущенного через полый вал 2 вспомогательного вала 6, второй конец которого связан через винтовую пару 9 с полым валом и через упорный подшипник 10 со ступицей 11 насаженного с возможностью вращения и осевого перемещения на второй конец полого вала первым диском 12 первого раздвижного шкива клиноременной передачи. Второй диск 13 этого шкива и жестко связанная с ним первая шестерня 14 шестеренчатого редуктора также насажены на второй конец полого вала 2 с возможностью вращения, но ограниченного осевого перемещения в направлении от первого диска 12. Первая шестерня 14 зубчатым зацеплением связана с установленной на первом промежуточном валу 15 второй шестерней 16 и жестко связанной с ней третьей шестерней 17, связанной зубчатым зацеплением с четвертой шестерней 18, жестко закрепленной на втором конце полого вала. Конические стороны первого и второго дисков связаны расположенным между ними клиновым ремнем 19 с третьим 20 и четвертым 21 дисками второго раздвижного шкива клиноременной передачи, установленными на втором промежуточном валу 22. Третий диск 20 закреплен на валу 22 неподвижно, а четвертый 21 с возможностью осевого перемещения под действием пружины 23 в направлении третьего диска 20. Второй промежуточный вал 22 соединен с помощью муфты 24 с валом 4 генератора 5.
Работает ветроэлектрическая установка следующим образом.
Так как генератор ветроэлектрической установки нагружен на централизованную электрическую сеть, мощность которой по сравнению с мощностью генератора бесконечно велика, частота вращения генератора, и частота вырабатываемого им тока задается сетью. Допустим, что диски 12 и 21 находятся в положении, обеспечивающем при заданной сетью фиксированной частоте вращения генератора такое передаточное отношение между валами основной ветротурбины и генератора, при которой частота вращения основной ветротурбины равна оптимальной по критерию максимума использования энергии ветра частоте вращения. Эта скорость по изложенному выше условию выбора геометрических параметров вспомогательной ветротурбины равна скорости холостого хода вспомогательной ветротурбины. При этом валы 2 и 6 вращаются с одинаковой скоростью и, следовательно, осевого перемещения упорного подшипника 10, ступицы 11 и первого диска 12 не будет. Передаточное отношение между валами первого и второго шкивов клиноременной передачи, а, следовательно, и передаточное отношение между валом 2 основной ветротурбины 3 и валами первым промежуточным 22 и 4 генератора 5 будет оставаться неизменным оптимальным.
При увеличении скорости ветра пропорционально увеличится оптимальная частота вращения основной ветротурбины 3, увеличится и развиваемая ею мощность. Однако она будет меньше максимальной мощности ветротурбины для возросшей скорости ветра, так как в связи с тем, что сеть будет удерживать частоту вращения генератора постоянной, действительная частота вращения ветротурбины 3 также останется на прежнем уровне. В то же время вспомогательная ветротурбина 7, работая практически вхолостую, увеличит частоту вращения до величины частоты вращения холостого хода, равной при этой увеличенной скорости ветра оптимальной частоте вращения основной ветротурбины. В результате разности частот вращения валов 2 и 6 вал 6 при правой резьбе на его конце и направлении вращения вспомогательной ветротурбины по часовой стрелке, если смотреть со стороны ветра, начнет вкручиваться в полый вал 2, отодвигая диск12 от диска 13. Клиновой ремень 19 переместится на дисках 12 и 13 на меньший диаметр, а на дисках 20 и 21 на больший диаметр, так как диск 21 под действием пружины 23 сблизится с диском 20. Это приведет при постоянной частоте вращения генератора  к увеличению частоты вращения основной ветротурбины 3. И, когда ее частота вращения сравняется с частотой вращения вспомогательной ветротурбины, т. е. станет равной оптимальной частоте вращения, перемещение дисков 12 и 21 прекратится. При этом установится оптимальное передаточное отношение между валами 2 и 4, и максимальная для данной скорости ветра мощность ветроколеса, соответствующая максимальному коэффициенту использования энергии ветра.
При уменьшении скорости ветра процесс установки оптимального передаточного отношения будет осуществляться в обратном порядке.
Таким образом, ветроэлектрическая установка будет работать с максимальным коэффициентом использования энергии ветра при любой его скорости, отдавая в электрическую сеть максимальное количество электрической энергии с постоянной величиной напряжения и частоты. При этом за счет того, что вспомогательная ветротурбина при регулировании практически не загружена, так как воздействует на значительно менее громоздкие по сравнению с основной ветротурбиной диски 12 и 21, повышается точность поддержания оптимальной частоты вращения основной ветротурбины. Использование же клиноременной передачи с регулируемым передаточным отношением (вариатора) позволяет увеличить передаваемую мощность от ветротурбины к генератору, в том числе и для ветротурбин, не имеющих обода.
Источники информации:
1. Патент RU 2458247 C2. МПК F03D 7/04 F03D 11/02. Ветроэлектрическая станция / Петько В.Г. (RU), Маловский Н.А. (RU), Колесников А.Б. (RU), Турков И.А. (RU), заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный аграрный университет» (RU). Заявка №2010111542/06, заявл. 25.03.2010, опубл. 10.08.2012 Бюл.№22.