Ветроэнергетическая установка
WIND POWER PLANT

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим системам, предназначенным для преобразования энергии ветра в электрическую энергию для электропитания различных потребителей.
Из RU 2013135023, US 4756666, ЕА 201200932 известны ветрогенераторы представляющие собой тележки с вертикально закрепленными на них крыльями (принимающие энергию ветра элементы), причем движение тележек ограниченно в одном направлении длинным направляющим путем.
В US 2016290317 описано устройство для выработки электроэнергии, включающее в себя рельсовую систему (по меньшей мере, один рельс) и лопасти, перемещаемые воздушным потоком. Тележка установлена с возможностью скольжения на рельсы и соединена с лопастями. Система генерирования электрической энергии включает в себя два или более независимых набора обмоток статора на рельсах, и ротор (якорь), переносимый тележкой, причем линейное перемещение ротора относительно обмоток статора создает электрическую энергию.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая вертикально ориентированные и закрепленные на опорной поверхности стойки, с которыми связаны рельсы, образующие рельсовый путь замкнутого контура на высоте от опорной поверхности, ходовые тележки, последовательно связанные между собой, каждая из которых посредством роликов связана с рельсом для перемещения по последнему, при этом с рамой каждой ходовой тележки связаны вертикально ориентированные две лопасти, одна из которых смонтирована над рельсом, а вторая - под рельсом, при этом с одной из лопастей связан механизм ее поворота для изменения положения лопасти по отношению к вектору ветрового потока, а на раме ходовой тележки смонтирован генератор с колесом на валу, введенным в контакт с поверхностью рельса (ЕР 2910775, F03D 5/04, опубл. 26.08.2015 г.). Это решение принято в качестве прототипа.
Особенностью известной ветроэнергетической установки является то, что ходовая тележка располагается сбоку от рельса и своими роликами зацеплена с рельсом. А лопасти, расположенные над и под этой тележкой, также располагаются сбоку от рельса. Таким образом, имеет место консольное подвешивание ходовой тележки к рельсу. Так как и ходовая тележка с генератором и системой управления и лопасти обладают весом, то образуется крутящий момент, который компенсируется тем, что под основным рельсом имеется второй рядом распложенный рельс и тележка другими колесами связана с этим другим рельсом. То есть тележка выполнена двухопорной с разнесением точек опирания. Но при этом имеется еще и момент, действующий от ветровой нагрузки на лопасти и который приводит к скручиванию лопастей относительно ходовой тележки. В результате лопасти находятся в постоянно качающемся состоянии и эти качания передаются ходовой тележке, которая испытывает знакопеременные нагрузки в точках контакта ее колес с этими двумя рельсами. Это снижает долговечность ходовой тележки и перегружает ее ходовую часть. Это еще обусловлено тем, что между рельсом и лопастями нет шарнирных связей, в точках которых могло бы происходить гашение передачи колебаний. Так как на рельсовом пути размещено достаточно много таких лопастных систем, то периодически наступает резонанс колебаний, передающийся всей рельсовой системе. Такие системы работают на грани прочностных характеристик. Если обратить внимание на крепление ходовой тележки к рельсам, то видно, что тележка охватывает рельсы парой кареток, в каждой из которых одно колесо с вогнутой боговой дорожкой расположено сверху рельса (в виде трубы), а другое, такое же по конструкции, расположено под рельсом. При этом каждое такое колесо смонтировано на оси, концом приваренной к стенке каретки. При таком консольном креплении колес вся нагрузка концентрируется в месте приварки оси к раме каретки. Из техники известно, что места сварки являются концентраторами напряжений (из-за изменения структуры металла вследствие нагрева). Поэтому такие места плохо работают со знакопеременными нагрузками, и в таких местах происходит разрыв структурных связей, что приводит к отламыванию оси.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности за счет разгрузки ходовой тележки от знакопеременных нагрузок и перенос их на вторую каретку, связанную с нижней лопастью шарнирной связью
Указанный технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей вертикально ориентированные и закрепленные на опорной поверхности стойки, с которыми связан рельс, образующий рельсовый путь замкнутого контура на высоте от опорной поверхности, ходовые тележки, последовательно связанные между собой и каждая из которых посредством роликов связана с рельсом для перемещения по последнему, при этом с рамой каждой ходовой тележки связаны вертикально ориентированные две лопасти, одна из которых смонтирована над рельсом, а вторая - под рельсом, при этом с одной из лопастей связан механизм ее поворота для изменения положения лопасти по отношению к вектору ветрового потока, а на раме ходовой тележки смонтирован генератор с колесом на валу, введенным в контакт с поверхностью рельса, ниже уровня расположения рельса смонтирован дополнительный рельсовый путь, на котором расположены дополнительные ходовые тележки, последовательно связанные между собой и каждая и из которых шарнирно связана с нижним концом лопасти, расположенной ниже уровня рельсов верхне расположенного рельсового пути, а механизм поворота для изменения положения верхне расположенной лопасти по отношению к вектору ветрового потока представляет собой закрылок в виде пластины или крыла аэродинамического профиля, который через хвостовые балки связан с лопастью, расположенной над рельсами верхне смонтированного рельсового пути, и оснащен приводом углового изменения положения закрылка, лопасть над верхне расположенным рельсом шарнирно связана с ходовой тележкой для обеспечения ее поворота вокруг вертикальной оси, а нижне расположенная лопасть жестко связана с осью поворота лопасти над верхне расположенным рельсом, при этом указанная ось поворота лопастей размещена на раме, которая шарнирно связана с кареткой ходовой тележки.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - общий вид ветроэнергетической установки;
фиг. 2 - лопасти на ходовых тележках;
фиг. 3-4 - ветроэнергетическая установка при креплении нижнего рельса к опорной поверхности.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новая конструкция ветроэнергетической установки, использующей напор ветрового потока в качестве движущей силы, приводящей в движения лопасти, кинематически связанные с генераторами, контактирующими с одним из рельсов, который используется в качестве токопроводящей шины.
В общем случае, ветроэнергетическая установка содержит вертикально ориентированные и закрепленные на опорной поверхности стойки, с которыми связаны рельсы, образующие рельсовый путь замкнутого контура на высоте от опорной поверхности. При этом на этих стойках смонтировано два рельсовых пути, один из которых расположен ниже другого. На верхнем рельсовом пути размещены базовые ходовые тележки, последовательно связанные между собой и каждая из которых посредством роликов связана с рельсом этого пути для перемещения по последнему.
С рамой каждой ходовой тележки связаны вертикально ориентированные две лопасти, одна из которых смонтирована над рельсом, а вторая - под рельсом, при этом с одной из лопастей связан механизм ее поворота для изменения положения лопасти по отношению к вектору ветрового потока. Кроме того, на раме такой ходовой тележки смонтирован генератор с колесом на валу, введенным в контакт с поверхностью рельса, который рассматривается как токопроводящая шина.
Ниже уровня расположения верхнего рельса смонтирован второй (дополнительный) рельсовый путь, на котором расположены другие (дополнительные) ходовые тележки, последовательно связанные между собой и каждая и из которых шарнирно связана с нижним концом той лопасти, которая расположена ниже уровня рельсов верхне расположенного рельсового пути.
Лопасть над верхне расположенным рельсом шарнирно связана с ходовой тележкой для обеспечения ее поворота вокруг вертикальной оси, а нижне расположенная лопасть жестко связана с осью поворота лопасти над верхне расположенным рельсом, при этом указанная ось поворота лопастей размещена на раме, которая шарнирно связана с кареткой ходовой тележки.
Механизм поворота для изменения положения верхне расположенной лопасти по отношению к вектору ветрового потока представляет собой закрылок в виде пластины или крыла аэродинамического профиля, который через хвостовые балки связан с лопастью, расположенной над рельсами верхне смонтированного рельсового пути, и оснащен приводом углового изменения положения закрылка.
Ниже рассматривает пример конкретного исполнения изобретения.
Ветроэнергетическая установка предназначена для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Установка отличается от горизонтально- и вертикально осевых установок такого же назначения наличием прямолинейных участков движения лопастей. Установка состоит из несущих металлоконструкций в виде стоек, закрепленных на фундамента в опорной поверхности, рельсового пути с прямыми участками, поворотами и стрелочными переходами и подвижных ходовых тележек с установленными на них лопастями, мотор-колесами-генераторами и прочим оборудованием.
Фундамент 1 в зависимости от грунта в основании может быть столбчатый из монолитного или сборного железобетона, свайный, с железобетонными или металлическими сваями, с обвязкой свай ростверком 2. Для крепления несущих металлоконструкций к фундаменту могут быть предусмотрены анкера. Описание исполнения фундамента является только примером. Назначение фундамента - крепление опорных элементов, выполненных в форме стоек 3. Эти вертикально ориентированные стойки 3 состоят из опор, установленных на фундамент, которые несут каждая две консоли 4 и 5 на разной высоте. К этим консолям на разной высоте прикреплены горизонтальные несущие балки 6, к которым через балки крепления 7 прикреплены рельсы 8 и 9, образующие замкнутые контуры двух рельсовых путей, смонтированных на разной в вертикальном направлении высоте (фиг. 1). Кроме того, в зависимости от конфигурации замкнутого контура рельсовых путем предусматриваются поворотные участки, механизмы стрелочных переводов и поворотов.
Для обеспечения повторения движения во времени необходимо, чтобы форма пути представляла собой многогранник в вершинах которого расположены участки дуги окружностей для обеспечения перехода тележек с одной грани на другую; при этом длинна дуг существенно меньше длины прямых участков. Либо комбинацию замкнутых «петель», состоящих из двух параллельных путей, соединенных полуокружностями, при этом диаметр окружностей существенно меньше длины прямых участков. Например, замкнутый контур может быть прямоугольным или треугольным в плане с поворотными закруглениями при переходе с одной прямолинейной ветки на другую. Или выполненным из нескольких контуров, переход с одного на который осуществляется через механизмы стрелочных переводов.
Рельсовые пути расположены параллельно в вертикальном направлении. Каждый рельсовый путь состоит из рельса в виде направляющей, выполненной из металлических труб прямоугольного сечения (далее - рельсы). Для обеспечения плавного движения ходовых тележек 10 по рельсам 8, рельсовые плети обварены между собой стыковым швом. Балка рельсового пути имеет тепловые зазоры через расстояния большие, чем расстояния между опорами. К одной из рельсов крепится шина электрического питания по которой осуществляется прием электрической энергии с подвижной тележки или передача электрической энергии на подвижную тележку.
Ходовая тележка 10, перемещающаяся по рельсам 8 верхнего рельсового пути состоит из несущей балки 11, являющейся рамой тележки, двух колесных несущих кареток 12, двигающихся по верхнему рельсу, мотор-колеса-генератора или просто генератора 13, несущего колесо для контакта с рельсом, несущего колеса 14, опирающегося сверху на рельс, направляющих колес 15, охватывающих рельс с нескольких сторон, аккумуляторной батареи 16 (АКБ); и блока 17 системы управления мотор-колесом-генератором или генератором и подвижным закрылком 18. Несущая балка 11 или рама ходовой тележки 10 связана с каретками через шарниры 19, обеспечивающие разгрузку рамы от динамических нагрузок, возникающих в каретках от перемещения по рельсу под действием опрокидывающего момента от массы и от знакопеременных нагрузок, получаемых от лопастей 20 и 21.
С несущей балкой 11 или рамой ходовой тележки 10 шарнирно через узел крепления 22 связана ось 23, установленная с возможностью поворота или вращения вокруг вертикальной оси. К этой оси присоединена верхняя лопасть 20, расположенная на уровнем рельса 8, и нижняя лопасть 21, расположенная ниже уровня рельса 8 верхнего рельсового пути. Верхняя лопасть 20 оснащена закрылком 18, а нижняя лопасть 21 выполнена без закрылка.
Лопасть 20 с подвижным закрылком 18 представляет собой крыло симметричного или несимметричного аэродинамического профиля. Может быть выполненного из композитных материалов или из металлического каркаса, обтянутого оболочкой. К крылу крепится через хвостовые балки 24 управляемый подвижный закрылок 18. Закрылком может быть аэродинамический профиль или пластина, поворачивающиеся на шарнире с приводом от шагового или иного двигателя. Закрылок предназначен для изменения угла поворота лопасти, по отношению к истинному ветру. Принцип действия закрылка аналогичен принципу действия горизонтального хвостового оперения самолета: при изменении угла поворота горизонтального оперения меняется угол тангажа аппарата таким образом, чтобы момент от подъемной силы на несущем крыле компенсировал возникший момент от аэродинамической силы, возникающей на горизонтальном оперении. Это позволяет, меняя угол поворота закрылка, изменять положения основного рабочего элемента ветроэнергетической установки - лопасти по отношению к набегающему ветровому потоку.
Лопасть 21 без закрылка представляет собой крыло симметричного или несимметричного аэродинамического профиля, выполненного из композитных материалов или из металлического каркаса, обтянутого оболочкой. Крыло жестко соединено осью 23 с лопастью с подвижным закрылком.
Узел крепления лопастей к несущей балке представляет собой шарнир, позволяющий лопастям свободно поворачиваться относительно рамы тележки.
Несущая каретка предназначена движения тележки по верхнему рельсу рельсового пути и для прохождения поворотов рельсового пути. Несущая каретка прикреплена к несущей раме через поворотный шарнир. К несущей каретке сверху, снизу, справа и слева крепятся колеса. На каждой каретке с боков и снизу расположены направляющие колеса. На одной из кареток сверху расположено несущее колесо 14, воспринимающее массовую нагрузку, на второй - мотор-колесо-генератор, воспринимающее массовую нагрузку и обеспечивающее разгон, торможение и преобразование механической энергии движения тележки в электрическую энергию. Вместо мотор-колесо-генератор может крепиться просто генератор.
Нижне расположенная лопасть 21 через шарнир 25 в нижней своей части связана с кареткой нижней (дополнительной) ходовой тележки 26 для компенсации момента на лопасти при движении по нижнему рельсу. Эта каретка предназначена для компенсации опрокидывающего момента, возникающего на лопасти 21. Она представляет собой конструкцию к которой крепятся с боков направляющие колеса 27. Каретка крепится через шарнир к оси лопасти без закрылка.
Нижний рельс 9 может крепиться к опорной поверхности при помощи основания 28 (фиг. 3-4), в качестве которого могут выступать: насыпь со шпалами, свайный или ленточный фундамент, специальная укрепленная выемка.
Система управления мотор-колесом-генератором и подвижным закрылком, АКБ, токоприемник-токопередатчик являются электрическими частями тележки. Дополнительное оборудование, такое как механический тормоз, автоматическая сцепка, метеодатчики и пр., может быть установлено на тележку.
Главными особенностями установки являются:
- Использование для преобразования энергии потока воздуха (ветра) в поступательную энергию движения тележки тела хорошо обтекаемой формы, предназначенной для создания подъемной силы - лопасти в виде крыла.
- Использование дополнительного рельсового пути для компенсации усилий, возникающих на лопасти в направлении перпендикулярном движению. Это позволяет использовать конструкцию при ветрах в широком диапазоне направлений по отношению к направлению пути.
- Наличие протяженного прямолинейного участка рельсового пути, что позволяет: во-первых, получить участок с установившимся движением, на котором характеристики потока воздуха (ветра) не изменяются, что обеспечивает движение с постоянной скоростью при постоянном действии, уменьшая вибрации в конструкции и шум; во-вторых, так как движение происходит в плоскости, движение окажется плоско-параллельным, что приводит к существенному упрощению геометрии лопасти.
- На одной тележке должны устанавливаться две лопасти: одна выше, другая ниже главной ходовой тележки. Это обеспечивает уменьшение нагрузки на направляющие, поскольку при такой компоновке уменьшается момент, стремящийся повернуть конструкцию вокруг направляющей.
- Рельсовый путь состоит из двух направляющих, расположенных вертикально, например, на эстакаде направляющие закреплены на опорах одна над другой. Это позволяет поднять лопасти над приземным пограничным слоем и увеличить эффективность использования ветрового потока. Вертикальное расположение направляющих позволяет увеличить «колею» и уменьшить нагрузки, так как если возникнет упоминавшийся момент, то силы взаимодействия между роликами и направляющими будут обратно пропорциональны расстоянию между направляющими пути.
- Конструкция предусматривает возможность изменения положения лопастей по отношению к тележке, для обеспечения оптимальных характеристик двигателя (генератора). Имеется возможность управления поворотом лопасти вокруг вертикальной оси для обеспечения оптимального угла атаки.