ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к ветроэнергетике, в частности к конструкциям ветроэнергетических установок, и может быть использована для выработки электроэнергии в отдаленной от электрических сетей местности или в качестве привода к различным механическим устройствам.
Ветровая энергия, наряду с солнечной и водной, принадлежит к числу постоянно возобновляемых и, в этом смысле, вечных источников энергии, обязанных своим происхождением деятельности Солнца. К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает к установленному на его пути ветродвигателю, что особенно важно для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т.п.) районов, удаленных от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 кВт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах.
В то же время существуют и недостатки ветроэнергетических установок, которые затрудняют их внедрение. Одним из главных недостатков является низкий коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), который теоретически может достигать величины 0,593 от мощности ветрового потока, однако, существующие ветряки имеют КИЭВ от 0,197 до 3,5. Серьезной проблемой является необходимость аккумулировать энергию избыточной ветровой нагрузки для поддержания рабочего режима установки при снижении или в отсутствие ветровой нагрузки.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.
Известен ветроагрегат, содержащий рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на котором установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенный с осью поворота лопасти, см. патент РФ №2119094. Однако указанная конструкция является достаточно сложной, а связь между флюгером и механизмом поворота лопасти постоянно нагружена, что можно отнести к недостаткам известной конструкции.
Известен ветродвигатель, содержащий установленное на вертикальном валу рабочее колесо с верхними и нижними спицами, между которыми на их концах размещены поворотные балансировочные лопасти, валы которых через муфты связаны цепной передачей с общим флюгером, см. а.с. №1483081. Выполнение лопастей поворотными позволяет оптимально ориентировать их в процессе работы, что обеспечивает оптимальную аэродинамику лопастей при движении по потоку ветра и против. Однако общий механизм поворота лопастей, представляющий собой цепную передачу, связывающую флюгер с каждой лопастью, сложен, что снижает надежность работы устройства.
Известен более совершенный ветроагрегат, содержащий рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на которой установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенного с осью поворота лопасти, причем верхний конец каждой лопасти выполнен с возможностью отклонения в плоскости лопасти симметрично относительно вертикальной оси на расстояние не более B/5,27, где B - максимальное значение ширины лопасти, см. патент РФ №2193688. Каждый флюгер кинематически соединен с осью поворота лопасти посредством механизма разгрузки, который выполнен в виде предохранительной муфты. Известная конструкция ветроагрегата является достаточно сложной и не предотвращает нежелательных и нерегулируемых колебаний лопастей во время работы установки, что снижает надежность работы установки.
Известны ветроэнергетические установки с электрическими, механическими, пневматическими и гидравлическими приводами поворота лопастей, см. Учебное пособие издат. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор Р.А. Янсон. Ветроустановки. 2007 г., гл. 7.3. - регулирование горизонтально-осевого ветродвигателя поворотом лопасти.
Недостатком данных технических решений является сложность конструкции, необходимость наличия специальных механизмов для поворота лопастей в зависимости от скорости ветра, что удорожает установку в целом. Кроме того, в известных ветроэнергетических установках не обеспечивается их достаточная безопасность при сильном ветре, что приводит к отрыву и разлету лопастей.
Задачей полезной модели является разработка конструкции ветроэнергетической установки с автоматическим выбором оптимального положения лопастей для создания наибольшего крутящего момента и наибольшей скорости вращения лопастей при одновременном повышении безопасности установки при сильном ветре.
Сущность полезной модели выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения поставленной задачи.
Ветроэнергетическая установка с горизонтально расположенной осью генератора и лопастями, установленными с возможностью поворота, характеризуется тем, что она снабжена двумя независимыми группами лопастей, вращающихся в одну или в разные стороны вокруг одной горизонтально расположенной оси генератора, при этом лопасти выполнены с поперечным сечением в виде аэродинамического крылового профиля с закругленной передней и острой задней кромкой, закреплены на держателях с возможностью поворота на угол до 90°, при этом места крепления на держателях лопастей одной группы смещены относительно мест крепления лопастей другой группы на величину, достаточную для отсутствия перекрывания лопастями разных групп друг друга в плоскости, перпендикулярной оси генератора, который выполнен с двумя группами постоянных магнитов, каждая из которых закреплена на оси вращения соответствующей группы лопастей.
В этом заключается совокупность существенных признаков заявленного технического решения, достаточная для достижения задачи полезной модели.
Кроме того, заявленное решение характеризуется наличием ряда дополнительных признаков, а именно:
- лопасти выполнены с плоско-вогнутым профилем, образованным плоской подветренной поверхностью и вогнутой наветренной поверхностью;
- лопасти выполнены с клиновидным профилем, образованным плоской подветренной и плоской наветренной поверхностями;
- лопасти выполнены с шириной, большей, чем их длина;
- лопасти каждой группы подпружинены относительно держателя с усилием, обеспечивающим их положение под углом 45 градусов по отношению к плоскости вращения держателей при страгивании в начале вращения и их поворот на 90 градусов при сильном ветре;
- установка снабжена приспособлением для торможения вращения лопастей при сильном ветре, состоящим из поворачивающихся вокруг оси флажков, пружин и тормозных накладок, взаимодействующих с внешней поверхностью корпуса генератора.
Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации заявленных совокупностей признаков, заключается в том, что лопасти ветроэнергетической установки под воздействием набегающего потока воздуха автоматически принимают оптимальное положение, при этом при усилении ветра обеспечивается автоматическое торможение установки, исключающее возможность поломки и отрыва лопастей.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид заявленной установки, на фиг. 2 - вид A по фиг. 1, на фиг. 3 - крепление лопасти на держателе, на фиг. 4 - различные положения лопасти в процессе работы установки, на фиг. 5 - вид сбоку на корпус генератора, на фиг. 6 - разрез по оси генератора,
Ветроэнергетическая установка включает генератор 1 с горизонтальной осью вращения. Установка снабжена двумя независимыми группами лопастей 2 и 3, вращающихся вокруг одной оси генератора 1. Лопасти 2 и 3 выполнены с поперечным сечением в виде аэродинамического профиля, закреплены на держателях 4 с возможностью поворота на угол до 90°. Лопасти 2 и 3 выполнены с плоско-вогнутым профилем, образованным плоской подветренной поверхностью 5 и вогнутой наветренной поверхностью 6, либо с клиновидным профилем, образованным плоскими подветренной и наветренной поверхностями. Места крепления на держателях 4 лопастей 2 одной группы смещены относительно мест крепления лопастей 3 другой группы на величину, достаточную для отсутствия перекрывания лопастями разных групп друг друга в плоскости, перпендикулярной оси генератора 1, который выполнен с двумя группами постоянных магнитов 7, каждая из которых закреплена на оси вращения соответствующей группы лопастей 2 и 3.
Лопасти 2 и 3 выполнены с шириной, большей, чем их длина для увеличения крутящего момента. Ось крепления каждой лопасти на держателях смещена в сторону вращения лопасти. От угла около 0 градусов до примерно 45 градусов лопасти имеют свободное вращение на оси держателей. Лопасти каждой группы 2 и 3 подпружинены относительно держателей 4 с помощью пружин 8 и упоров 9 с усилием, обеспечивающим их положение под углом 45 градусов по отношению к плоскости вращения держателей 4 при страгивании их в начале вращения и их поворот на 90 градусов при сильном ветре. Установка снабжена приспособлением для торможения вращения лопастей при сильном ветре, состоящим из поворачивающихся вокруг оси флажков 10, пружин 11 и тормозных накладок 12, взаимодействующих с внешней поверхностью корпуса генератора 1.
Установка работает следующим образом.
В начальный момент времени (при страгивании лопастей с места) лопасти 2 и 3 расположены под углом примерно 45 градусов к направлению ветра. При таком положении лопастей 2 и 3 сила страгивания (радиальная составляющая силы от давления воздуха на крыло) наибольшая. При увеличении скорости вращения лопастей 2 и 3 увеличивается и давление воздуха, действующего на подветренную поверхность каждой лопасти, поэтому они поворачиваются вокруг оси крепления и автоматически принимают оптимальное положение, при котором сопротивление вращению минимально.
Места крепления на держателях 4 лопастей 2 одной группы смещены относительно мест крепления лопастей 3 другой группы, поэтому лопасти 2 и 3 разных групп не перекрывают друг другу поток ветра. Каждая группа лопастей 2 через свои держатели 4 вращает соответствующую группу магнитов 7 генератора 1, вырабатывая электроэнергию.
При очень сильном ветре флажки 10, закрепленные на корпусе генератора 1, отклоняются, преодолевая усилие пружин 11, и посредством тормозных накладок 12 тормозят вращение лопастей.
Заявленная ветроэнергетическая установка не требует специальных механизмов для поворота лопастей в зависимости от скорости ветра. Лопасти сами принимают оптимальное положение к потокам ветра, чтобы сопротивление вращению было минимальным.