МЕГАВАТТНЫЙ ВЕТРОАГРЕГАТ
MEGABYTE WIND-POWER UNIT

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для получения электроэнергии.
Устройство используется для получения мегаваттных мощностей электроэнергии посредством ее генерации из возобновляемого природного источника - перемещающихся в атмосфере нестабильных воздушных масс на континентальных территориях.
Сущность технического решения состоит в применении конструктивно-силовой схемы, при которой несущий каркас устройства оснащен на вершине механическим подъемником, сообщающимся посредством гибких тросовых тяг с нижерасположенным генератором, ротор которого имеет вертикальную ось вращения, турбина одета на выступающий снизу конец роторного вала, разнесенные в стороны от оси вращения парусные элементы дополнены по периметру виндротора горизонтальным стягивающим ободом, который опирается по меньшей мере на три свободно вращающихся ролика, выставленных на одном фиксированном уровне в корпусах, относящихся к колоннам несущего каркаса. Перед спуском генераторно-турбинного блока к фундаменту сооружения при помощи упомянутого подъемника, предусмотрено смещение опорных роликов в сторону от их рабочего радиально направленного на турбину положения.
Предложенный ветроагрегат относится к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра.
Для современной энергетики весьма характерным является однозначное преобладание горизонтально-роторных ВЭУ и их подавляющее сосредоточение в основном на восточном побережье США и Канады, в приморских странах западной и прежде всего северо-западной Европы, где вырабатывается около 89% всех мощностей мировой ветроэнергетической отрасли. Неприемлемостью данного класса ВЭУ в условиях работы на континентальных территориях объясняется отсутствие здесь динамического развития и прогресса ветроэнергетики. Кроме того, горизонтально-роторные установки с диаметром турбин порядка 100 м (промышленная модель Е-112 фирмы Enercom GmbH) достигли своего потолка мощности и экономической целесообразности в силу достигнутого предела прочностных характеристик материала и узлов, удорожания кВт электроэнергии, не обладают ресурсом для совершенствования конструктивно-силовых схем. С учетом указанных обстоятельств в качестве базового технического решения автор остановился на ВЭУ виндроторной конструкции.
В качестве конкретных прототипов выбраны эффективные и работоспособные не только в благоприятных условиях приморского климата виндроторные электростанции с турбинами Дарье, ортогональными парусными элементами (патенты RU №№2000469, 2391554). Обеспечение высокой мощности данных ВЭУ, как и в горизонтально-роторных станциях, осуществляется за счет увеличения габаритов турбинного узла, дающих большую площадь поверхности, ометаемой его парусными элементами. Парусные элементы виндроторов все более разносятся в стороны от их общей оси вращения. По достижению определенного предела используемая конструктивно-силовая схема не в состоянии выдержать вес турбин и напор ветра, происходит деформация и разрушение ответственных механических частей устройства. Наступает это за долго до достижения мегаваттной мощности ветрогенератора, примерно при переходе порога в 150 кВт. В результате из около 3 млн ВЭУ, эксплуатируемых на сегодня во всех индустриальных странах мира, ничтожная доля в 25 установок являются электростанциями мегаваттного класса. Причем лишь одна из них в Канаде оснащена вертикально-роторной турбиной Дарье и уже с 1987 г. не может преодолеть опытно-промышленный этап испытаний.
Упомянутые виндроторы ортогонального типа и с турбиной Дарье вращаются в единственной подшипниковой опоре, не редко совмещенной с генератором и расположенной под турбиной, ближе к фундаменту установки. Данный узел испытывает значительные нагрузки, прежде всего изгибающий момент, совпадающий с направлением ветра, вследствие чего возникает биение, заклинивание и повреждение опоры. Вместе с тем известны виндроторы, например роторный ветродвигатель (патент RU №2210000), в которых турбина установлена на двух разнесенных опорах выше и ниже турбины, на вершине несущего каркаса и ближе к фундаменту ВЭУ. Однако и данному типу устройств не удается достигнуть мегаваттного уровня мощности, в силу низкого значения движущей силы, осуществляющей вращение ротора под воздействием ветра, и необходимости строительства для преодоления этого недостатка дорогостоящих башенных конструкций не реальной высоты.
Все известные крупные ВЭУ обладают низкими эксплуатационными качествами. Текущее обслуживание, ремонт и замена основных рабочих узлов, вес которых измеряется в тоннах, осуществляется на большой высоте, сопряжено с риском и применением дорогостоящего, не редко уникального оборудования и грузоподъемной техники. По превышению ветром критической скорости, практически неизбежна аварийная ситуация, вплоть до крушения конструкции.
Целью изобретения является создание конструктивно-силовой схемы ВЭУ, обеспечивающей большую приспособленность, прочность и надежность ветроагрегата мегаваттного класса, необходимых на континентальных территориях, улучшение условий обслуживания и безаварийной эксплуатации.
Поставленная цель достигается тем, что собственно виндротор размещен соосно внутри несущего каркаса, состоящего из по меньшей мере трех вертикальных колонн, сходящихся в вершине, на которой закреплен механический подъемник и связанный и ним гибкими тросовыми тягами чуть ниже расположенный генератор. На выступающий снизу из генератора конец роторного вала одета турбина, по ее периметру в горизонтальной плоскости вращения установлен стягивающий обод. Обод опирается на радиально направленные относительно турбины идентичные ролики, оси которых свободно вращаются в корпусах, обхватывающих колонны каркаса, и установленные на одной высоте, зафиксированной тем или иным способом. Опорно-роликовые узлы имеют возможность горизонтального углового смещения в любую сторону от их рабочего радиального положения.
На фиг.1 показан мегаваттный ветроагрегат, имеющий ортогональную турбину; на фиг.2 - тот же ветроагрегат с турбиной Дарье.
Мегаваттный ветроагрегат содержит виндроторную турбину 1, закрепленную на вертикальном роторном валу 2 генератора 3, который вместе с механическим подъемником 4 установлен на вершине несущего каркаса 5, состоящего из по меньшей мере трех колонн. Генератор и подъемник связаны между собой гибкими тросовыми тягами 6. По периметру турбины имеется горизонтальный обод 7, опирающийся на ролики 8, оси свободного вращения которых установлены в корпусах 9, обхватывающих каждую из колонн. Ролики выставлены на одной высоте за счет неподвижных ограничительных колец 10 и зафиксированы в рабочем радиальном направлении относительно турбины при помощи стягивающих винтов 11.
Ветроагрегат работает следующим образом. Под напором ветра приходит во вращательное движение турбина 1 и вместе с ней роторный вал 2 генератора 3, в статорной обмотке которого начинает вырабатываться электрический ток. Движущей силой, обеспечивающей вращение, является разница в аэродинамических свойствах парусных элементов турбины в их диаметрально противоположных позициях относительно оси вращения. Генераторный узел 3 и турбинно-роторное соединение 1-2 ветроагрегата отцентрованы по отношению к несущему каркасу 5, а турбина 1 своим стягивающим горизонтальным ободом 7 опирается на три ролика 8, оси свободного вращения которых размещены в корпусах 9 на колоннах несущего каркаса 5 и радиально зафиксированы к турбине 1 стягивающими винтами 11. Равноуровневое положение роликов 8 в горизонтальной плоскости обеспечивается неподвижными ограничительными кольцами 10.
Благодаря тому, что генераторно-турбинный блок ВЭУ закреплен на вершине несущего каркаса, а у своего основания он, по самой устойчивой схеме, лежит на трех точках опоры, имеет место возможность значительно увеличить диаметр турбины (разнос парусных элементов), достигнуть большей площади ометаемой поверхности и тем самым обеспечить мегаваттную мощность генератора при высокой жесткости, прочности и надежности агрегата. Данная конструктивно-силовая схема установки более устойчива к шквальным порывам ветра, для нее значение критической скорости воздушного потока, обычно в лучшем случае не превышающее 29-33 м/с, что наблюдается при штормах и ураганах, смещается до значений, близких к теоретически рассчитанному для ВЭУ пределу, равному порядка 160 км/ч.
В потенциально аварийной ситуации, возникающей по достижению ветром предельно допустимой для ВЭУ скорости, необходимости обслуживания генераторно-турбинного блока, его текущего и капитального ремонта, стягивающие винты 11 ослабляются, корпуса 9 совместно с опорными роликами 8 поворачиваются на необходимый угол вокруг колонн несущего каркаса 5, включается подъемник 4, который с помощью гибких тросовых тяг 6 опускает генераторно-турбинный блок 1-3 к фундаменту ветроагрегата, чем обеспечивается сохранность указанного ответственного узла и удобные условия для осуществления необходимых эксплуатационных работ.
Особенно актуальна данная конструкция ветроагрегата для северных стран, где велика опасность обледенения парусных элементов турбины и необходимо периодически опускать рабочий блок станции к фундаменту для очистки ее ответственных узлов механическим способом и/или химическими реагентами.