RU2298684C1 - Ветроэнергетическая установка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к ветроэнергетике. Технический результат заключается в создании конструкции ветроэнергетической установки, способной преобразовывать с высоким коэффициентом полезного действия (КПД) энергию ветра в энергию вращательного движения валов отбора мощности и ветроэнергопреобразователей. Ветроэнергетическая установка содержит многоярусную несущую конструкцию с группой вертикальных валов отбора мощности, с каждым из которых кинематически связана группа первичных ветроэнергопреобразователей, смонтированных ярусами на своих поворотных устройствах возле своего вертикального вала. Эти валы отбора мощности состоят из отдельных звеньев, соединяемых между собой с помощью соединительных муфт и промежуточного вала, укрепленного в подшипниковом узле межярусного перекрытия, а каждый сцепляющийся с вертикальным валом первичный энергопреобразователь представляет собой бесконечную цепь, смонтированную на звездочках двух горизонтально закрепленных на поворотных устройствах в подшипниковых узлах валах, один конец которых связан с вертикальным валом отбора мощности посредством конической зубчатой передачи. 3 ил.

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании энергетических комплексов по широкому освоению энергии ветра.

Существующие ныне конструкции ветроэнергоустановок основаны на использовании в качестве первичных ветроэнергопреобразователей пропеллерообразных ветроколес разных диаметров, средний КПД которых не превышает 0,4. Каждая такая ветроэнергетическая установка представляет собою практически индивидуальную электростанцию, единичное ветроколесо которой скомплектовано с индивидуальным повышающим редуктором и индивидуальным электрогенератором. Стало быть при одной и той же скорости ветра мощность такой ветроэнергоустановки целиком зависит от диаметра используемого ветроколеса. Вес же больших ветроколес, применяемых в современных мощных ветряках, достигает десятка тонн, а потому их изготовление доступно очень ограниченному числу мощных предприятий. Монтаж и техническое обслуживание таких ветряков не могут обойтись без применения мощной подъемной техники и удобных подъездных путей для нее. Все это мало приемлемо не только для горных районов, где дуют наиболее сильные и частые ветры, но и для отдаленных сельских местностей, которые нуждаются в такой энергии больше всего.

Известна также установка по утилизации энергии текущей среды по а.о. СССР №1624197, где мною был предложен вариант утилизации указанной энергии путем использования в качестве первичных энергопреобразователей, малые по габаритам и не тяжелые по весу, а потому доступные для ручного монтажа и серийного изготовления даже на малых предприятиях. Конструктивные особенности таких малогабаритных первичных энергопреобразователей со складывающимися лопастями позволяют присоединять их целую группу к общему для них вертикальному валу отбора мощности и совместными усилиями приводить этот вертикальный вал отбора мощности во вращательное движение. При рабочем движении такая лопасть, на нижнем прямолинейном участке бесконечной цепи, находится в вертикальном положении, подставляя ветру свою наибольшую площадь, а при своем холостом движении, на нижнем прямолинейном участке этой бесконечной цепи, такая лопасть движется навстречу текущего потока в горизонтальном положении, подставляя ему свою наименьшую площадь ребра.

Если в качестве текущей среды, действующей на складывающиеся лопасти такой бесконечной цепи, являются водные потоки морских течений или равнинных рек с их малой скоростью течения, то проблем со своевременным переходом приводных лопастей из своего вертикального своего положения в горизонтальное и обратно не возникнет. Много хуже будет обстоять дело со своевременным складыванием лопастей при утилизации энергии скоростных потоков ветра. В том этом случае даже короткие по длине лопасти будут плохо справляться с такой работой и будут подвергаться ускоренному износу и выходу из строя.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков прототипа и создание конструкции ветроэнергетической установки, способной с высоким КПД преобразовывать энергию ветра в энергию вращательного движения своих вертикальных валов отбора мощности суммарным усилием подсоединенных к ним группы первичных ветроэнергопреобразователей, способных, при увеличении скорости ветра больше расчетной, утилизировать только необходимую часть ветровой энергии.

Указанная цель достигается тем, что используя общий принцип компоновки и монтажа вертикальных валов отбора мощности на несущих многоярусных конструкциях, вместе с их первичными ветроэнергопреобразователями, как в прототипе, при этом изменяется конструкция первичных энергопреобразователей и усовершенствуется конструкция самого вертикального вала отбора мощности.

Измененная конструкция первичного ветроэнергопреобразователя представляет собою бесконечную цепь, на внешней стороне каждого звена которой и перпендикулярно к его внешней поверхности, укреплена на воротной оси приводная лопасть. Силою пружины, укрепленной на каждом звене бесконечной цепи, поворотная приводная лопасть прижимается к жесткому упору, также укрепленному на каждом звене бесконечной цепи, но с таким расчетом, чтобы приводная лопасть в своем рабочем положении по отношению к направлению ветра постоянно находилась под заданным углом и обращенной своей передней кромкой навстречу ветра. При этом расстояние от передней кромки лопасти до ее поворотной оси должно быть меньшим, чем расстояние от поворотной оси то задней кромки лопасти. За счет этого на приводной лопасти образуются два рычага разной длины, на которые действует сила ветра. Из-за разницы длин этих рычагов на них возникают разные вращательные моменты. Если скорость ветра не будет больше расчетной, то угол отклонения лопасти от направления ветра, удерживаемый пружиной, будет постоянным. При увеличении же скорости ветра выше расчетной ограниченная расчетная сила пружины будет вынуждена позволить приводной лопасти уменьшать свой угол отклонения от направления ветра, за счет чего автоматически регулируется сила ветра, действующая на приводные поворотные лопасти.

Усовершенствованная конструкция вертикального вала отбора мощности является многозвенной. Звенья каждого яруса сцепляются между собой посредством муфт сцепления и промежуточного вала, смонтированного в межъярусном перекрытии несущей многоярусной конструкции.

Выбор варианта заявляемой конструкции ветроэнергетической установки определен выводом, сделанным на основе следующей цепи логических рассуждений. Из законов физики известно, что если в воздушный поток с прямоугольной формой его поперечного сечения и имеющего определенные размеры своих сторон поместить ровную пластину, которая в наклонном к направлению ветра положении точно вписывается в рамки поперечного сечения этого воздушного потока, то силу и мощность такого воздушного потока можно принять за равнодействующую двух других сил, действующих на наклонную пластину. Одна из этих составляющих сил будет направлена на наклонную пластину параллельно направлению ветра, тогда как другая составляющая сила будет направлена на наклонную пластину в перпендикулярном к направлению ветра направлении.

Из тех же законов физики известно, что составляющая сила равнодействующей, действующая не наклонную плоскость пластины в параллельном с ветром направление, численно будет равна произведению равнодействующей умноженной на синус угла, заключенного между направлением ветра и наклонной плоскостью пластины. Составляющая же сила ветрового потока, действующая на наклонную плоскость пластины в перпендикулярном к ветру направлении, численно будет равна произведению равнодействующей умноженной на косинус того же угла. Так, например, при наклоне плоскости пластины к направлению ветра не более чем на 10 градусов, доля мощности ветрового потока, действующей на наклонную площадь пластины в параллельном с ветром направлении, не будет превышать 17% от равнодействующей мощности ветрового потока. Доля же мощности ветрового потока, действующего на наклонную плоскость пластины в перпендикулярном к ветру направлению, будет составлять не менее 98% от равнодействующей мощности этого ветрового потока. На основе именно этих актов и создана заявляемая конструкция первичного ветроэнергопреобразователя, где роль наклонных пластин играют приводные лопасти, укрепленные на каждом звене бесконечной цепи.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен один из участков первого яруса многоярусной несущей конструкции, расположенный между двух соседних вертикальных опор /на фиг.1 не показаны/. На этом участке несущей конструкции смонтированы нижние участки двух соседних валов отбора мощности, соединенные своими ременными передачами с общим для них шестеренчатым насосом. Подшипниковые узлы правого вертикального вала отбора мощности показаны в разрезе.

Здесь в промежутке между двумя горизонтальными балками межъярусного перекрытия 1 укреплен подшипниковый корпус 2, внутри которого, в шарикоподшипниках 3, укреплен стыковочный вал 4, который с помощью соединительных муфт 5 входит в зацепление с концами двух звеньев составного вертикального вала отбора мощности 6. На внешних концевых участках корпуса 2 с помощью шарикоподшипников 7 укреплены два поворотных корпуса 8, расположенные по разные стороны межъярусного перекрытия 1. Два поворотных корпуса 8, укрепленных на разных концах двух соседних по ярусам корпусов 2, но находящихся на одном и том же ярусе, жестко соединены между собой перемычкой 9, к которой прикреплены подшипниковые корпуса 10 и 14. Подшипниковый корпус 10 вместе со своим валом 11 и укрепленной на нем двухзвездочной ступицей 12 укреплен в верхней части перемычки 9, образуя вместе с подшипниковым корпусом 14 и укрепленным на нем валом 15, со своей двухзвездочной ступицей 12 и конической шестерней 16, поворотное устройство, имеющее возможность под действием силы ветра поворачиваться вокруг своего составного звена вертикального вала отбора мощности при постоянном сцеплении своей конической шестерней 16 с конической шестерней 17 вертикального вала отбора мощности. Бесконечная цепь 13 вместе со своими природными лопастями 18 смонтирована в вертикальном положении на двух двухзвездочных ступицах 12 и валах 11 и 15. Штрихпунктирной линией 19 обозначена граница воздушного пространства, в котором вращаются вместе с цепью 13 и приводные лопасти 18. Тонкий лист 20, укрепленный в вертикальном положении в промежутке между корпусами 10 и 14, предназначен для облегчения усилию ветра удерживать поворотное устройство вдоль направления движения ветра. На нижнем конце вертикального вала отбора мощности укреплен шкив 21 ременной передачи, служащий для привода в действие какого-либо исполнительного механизма. Конструктивные возможности поворотных приводных лопастей позволяют при одном и том же направлении действия ветра вращать свой приводной вал в любую требуемую сторону. Именно такой вариант использования двух соседних вертикальных валов отбора мощности для привода в действие общего для них шестиренчатого насоса 22 и показан на фиг.1, где валы двух сцепляющихся между собой шестерен необходимо вращать во взаимно противоположные стороны. Здесь буквой "В" обозначен какой-либо используемый водоем.

На фиг.2, вид сбоку, представлен один из возможных вариантов крепления двух спаренных приводных лопастей 24 на одной поворотной оси 23 каждого звена бесконечной цепи 13. Своей нижней перемычкой спаренные лопасти 24 механически прикреплены к планке 25, приваренной к головке поворотной оси 23. Этой головкой ось 23 опирается на плоскость каркаса звена 27 бесконечной цепи 13, а стержень оси 23 вставлен в отверстие втулки 28, прикрепленной к внутренней стороне каркаса 27. К нижнему концу оси 23 жестко прикреплен диск 29, на краю которого укреплен ограничитель поворота лопасти 30. Соединительные проушины каркаса звена 27 оснащены съемными втулками 31 с повышенной износоустойчивостью. Пружина 26 сцепляет между собой втулку 28 и диск 29.

На фиг.3, вид сверху, изображено то же звено бесконечной цепи, с укрепленной на нем парной приводной лопастью 24, механически укрепленной на приварной планке 25, обозначенной пунктиром, и соединительным пальцем 32, концевые участки которого предназначены для сцепления с зубьями двухзвездочной ступицей 12.

Наибольший эффект от эксплуатации шестеренчатых насосов, при утилизации энергии ветра, можно получить при использовании их в качестве составных частей целого энергетического комплекса, в котором малые потоки жидкости, нагнетаемые такими насосами под давлением в объединенную систему трубопроводов, способны создать в таком объединенном трубопроводе мощный гидроэнергопоток, способный привести в действие гидротурбину с электрогенератором любой требуемой единичной мощности, что экономически более выгодно и удобнее в эксплуатации, чем это осуществляется существующим ныне традиционным способом.

Для выявления всех положительных факторов, которые должны возникнуть при внедрении в жизнь настоящего изобретения, необходимо изготовить и испытать в реальных условиях опытный образец такой энерготехники.

Практические же соображения подсказывают, что конструкция первичных ветроэнергопреобразователей должна быть малогабаритном и доступной по весу для ручного монтажа в труднодоступных для мощной подъемной техники местах, но где дуют частые и сильные ветры. Стало быть высота первичного ветроэнергопреобразователя не должна превышать 2 м, а высота приводных лопастей не должна быть много выше 0,3 м, чтобы их можно было изготавливать из легких пластических масс и с небольшой толщиной их стенок.

При шаге цепи, равном 80 мм, и толщине стенок лопастей, равной 2 мм, расстояние между соседними лопастями будет равняться 38 мм. А для того, чтобы энергия воздушного потока ветра, обдувающая площадь приводных лопастей, могла быть использована с максимальной эффективностью со всей площади воздушного пространства, в котором вращаются приводные лопасти, они должны быть закреплены на бесконечной цепи под таким углом наклона к направлению ветра, чтобы передняя кромка каждой лопасти находилась бы с задней кромкой соседней лопасти на одной прямой линии. При расстоянии между соседними лопастями в 38 мм, такой угол уклона будет равен 7 градусов 13 минут. При таком малом градусе отклонения лопастей от направления ветра не могут возникать большие завихрения воздуха в конце лопастей, которые могли бы сильно мешать нормальной работе близко расположенных соседних таких же энергопреобразователей, как это имеет место при эксплуатации ветряков традиционных конструкций с ветроколесами больших диаметров. Длину приводных лопастей бесконечной цепи принимаем равной 300 мм. Чтобы промежуток между прямолинейными участками используемой бесконечной цепи был бы минимальным, поскольку энергия воздушного потока, попадающая в этот промежуток не утилизируется, количество зубьев на двухзвездочной ступице 12 должно быть минимальным. Принимаем его равным 6 зубьев. Стало быть делительный диаметр каждого зубчатого венца у такой ступице будет равняться двум его радиусам или двум шагам цепи, т.е. будет равен 160 мм. Исходя из принятых данных определяем, что длина каждого прямолинейного участка бесконечной цепи будет равна 1200 мм, на которой умещаются 15 ее звеньев с 30-ми лопастями, а вся высота бесконечной цепи в рабочем состоянии будет равна 1960 мм, на которой содержится 36 ее звеньев с ее 72-мя приводными лопастями, что и соответствует принятым предварительным условиям, необходимым для ручного монтажа и дальнейшего технического обслуживания без применения мощной подъемной техники. Чтобы возникающую эффективность можно было выразить в конкретных цифрах, полезно это будет сделать путем сравнительного анализа цифр, получаемых расчетным путем для заявляемого изобретения, с паспортными характеристиками стандартизированных моделей ветроагрегатов, приведенных, например, в обзорной информации по нетрадиционным источникам энергии Киевского научно-исследовательского института научно-технической информации за 1989 год. Эта обзорная информация подсказывает, что ветряки традиционной конструкции с ветроколесом большого диаметра более эффективны, чем ветряки с малым диаметром своего ветроколеса. В то же время из той же обзорной информации и из многих других источников информации следует, что в местах, где скорость ветра может достигать больше 25 м/с, допускается устанавливать ветряки с диаметром ветроколеса не более 7 м. По этой причине для сравнительного анализа можно принять ветроагрегат мод. АВЭ-4-6, оснащенного ветроколесом диаметром, равным 6,6 м, что и удовлетворяет требованиям техники безопасности для мест, где скорость ветра может превышать 25 м/с. При высоте опоры этого ветроагрегата в 9 м кончики лопастей такого ветроколеса будут достигать высоты 12,3 м над земной поверхностью. При горизонтальном положении лопасти такого ветроколеса, расстояние от ее кончика до центра опоры будет составлять не менее 4,5 м, стало быть отторгаемая для такого ветрогенератора земельная площадь будет составлять не менее 80 м².

Теперь необходимо определить, сколько полезной энергии можно получить на такой же земельной площади в 80 м², при той же скорости ветра в 9,5 м/с и при рациональном использовании высоты воздушного пространства, которого достигают кончики лопастей ветроагрегата АВЭ-4-6, т.е. 12,3 м.

Для этого необходимо вначале определить площадь поперечного сечения воздушного потока, действующего на каждую наклонную приводную лопасть бесконечной цепи. Очевидно, что такая площадь будет равна произведению расстояния, заключенного между соседними лопастями, на размер высоты лопасти, т.е. 0,038×0,3=0,0114 м². Стало быть общая площадь воздушного потока, действующего на все 72 приводные лопасти составит 0,0114×72=0,82 м².

Из известной формулы определения мощности ветра, действующего на один квадратный метр площади, расположенной перпендикулярно к его направлению, в которой ρ - это средняя плотность воздуха, равная 1,293 кг/м³, а v - это скорость ветра, отсюда:

Следовательно, приводная мощность одной бесконечной цепи с учетом 99% преобразования мощности ветрового потока, при угле наклона приводной лопасти к направлению ветра, равной 7 градусов и 13 минут, составит

N=0,5543×0,82×0,99=0,45 кВт.

При использовании длины приводных лопастей, равной 300 мм, наибольшее расстояние от центра вращения вертикального вала отбора мощности до самой удаленной от него точки поворотного устройства не будет превышать 0,5 м. Стало быть площадь круга с таким радиусом вполне вписывается в площадь квадрата со сторонами в 1 м. Этой площади вполне достаточно, чтобы считать ее рабочей зоной одного вертикального вала отбора мощности в горизонтальном положении. При расстоянии между соседними вертикальными валами отбора мощности в 1,5 м между ними всегда будет безопасный проход. При установке вертикальных валов отбора мощности на несущей многоярусной конструкций в два параллельных ряда между метровыми полосами рабочих зон необходим еще и метровый по ширине проход для технического обслуживания установленного оборудования. На долю одной рабочей полосы в этом случае приходится только половина ширины общего прохода, а потому суммарная площадь каждого яруса, приходящаяся на долю одного вертикального вала отбора мощности, будет составлять 2,25 м². Отсюда следует, что на площади в 80 м² можно смонтировать в два параллельных ряда 80:2,25=35 вертикальных валов отбора мощности, которые, при перечисленных равных условиях, способны произвести полезной энергии: 0,45×35=15,75 кВт мощности, только на одном ярусе несущей конструкции. Следовательно, на пяти ярусах пятиярусной несущей конструкции, которую можно соорудить при использовании вышеупомянутой высоты воздушного пространства в 12,3 м, можно получить 15,75×5=78,75 кВт полезной энергии, без учета технических потерь на трение в подшипниковых узлах и зубчатых передачах. Это 78,75:4=19,7 раза больше чем на стандартизированной модели ветроагрегата АВЭ.

Создание новой энерготехники, при использовании которой становится возможным, при утилизации энергии ветра, получать с каждого используемого для энергетических целей квадратного метра земельной площади в 20 раз и более больше полезной энергии, чем это возможно сделать при использовании для этих целей традиционной ветроэнерготехники, будет являться первым и главным фактором, который должен возникнуть при внедрении в жизнь заявляемого изобретения.

Очевидно, следует разобраться, на сколько линейная скорость передвижения приводных лопастей отличается от скорости ветра? Для этого вначале определяем время, необходимое ветру, при его скорости 9,5 м/с, преодолеть расстояние, равное длине приводной лопасти, т.е. в 0,3 м

Т=0,3 м:9,5 м/с=0,031 сек.

Очевидно, что приводная лопасть за этот промежуток времени передвинется по прямой на расстояние, равное промежутку между лопастями, т.е. на 0,038 м. Следовательно, ее линейная скорость будет

v=0,038:0,031=1,22 м/с.

При делительном диаметре боковых звездочек ступицы 12, равном 160 мм, и длине его окружности, равной 502,4 мм, скорость вращения такой двухзвездочной ступицы вместе со своим валом будет составлять 1,22 м/с:0,5024 м=2,428 об/с=145,7 об/мин.

Хотя такая скорость вращения не пригодна для прямого привода в действие вала электрогенератора, особенно малой мощности, зато она вполне пригодна для привода в действие шестеренчатых насосов с их повышенной мощностью, которую им обеспечивают сразу два соседних вертикальных вала отбора мощности, как это показано на фиг.1. Это очень удобно, когда такие шестеренчатые насосы входят в конструкцию энергетического комплекса, как его составляющие элементы. Возникновение такой возможности и следует считать вторым положительным фактором в деле внедрения заявляемого изобретения.

К сведению заинтересованных лиц! Высокая производительность шестеренчатых насосов при малых скоростях вращения приводных валов достигается за счет увеличенных размеров зубьев зацепления его рабочей шестеренчатой пары. Однако для изготовления таких шестерен с эвольвентным профилем зубьев зацепления необходимы специальные и мощные зубообрабатывающие станки вместе со специальными и сложными в изготовлении зубонарезными инструментами, что ведет к удорожанию изготовления таких крупнозубых шестерен.

У автора настоящего изобретения имеется своя разработка конструкции шестеренчатого насоса с иным профилем зубьев зацепления, позволяющая изготавливать такие шестерни с широким диапазоном размеров крупных зубьев на них, обходясь применением только обычных токарных и сверлильно-расточных станков. Автору как специалисту-практику с многолетним производственным стажем работы в области металлообработки известна и технология изготовления таких крупнозубых шестерен.

Конструктивные особенности звеньев бесконечной цепи, способ крепления на них приводных лопастей в наклонном к направлению ветра положении и способность саморегулировать действующую на них силу ветра следует считать третьим возникающим положительным фактором в деле внедрения заявляемого изобретения.

Малые габаритные размеры отдельных деталей и узлов и малый их вес позволяют монтировать и в дальнейшем технически обслуживать, обходясь без применения мощной подъемной техники, и на неудобных для транспорта земельных площадях. Это и будет считаться четвертым положительным фактором, возникающим при внедрении заявляемого изобретения.

Те же малые габариты и простота конструкции отдельных деталей первичных ветроэнергопреобразователей создают благоприятные условия для их серийного изготовления в условиях не только среднего, но и малого бизнеса машиностроительного направления. При создании же мощных энергетических комплексов есть чем заняться и крупному бизнесу. Это и будет считаться пятым положительной фактором, возникающим при внедрении заявляемого изобретения.

Малая скорость рабочих органов ветроэнергетической установки в сочетании с малыми подвижными частями не могут вызывать большого шума, как это имеет место при работе традиционных ветроколес. По этим же причинам работающая ветроэнергоустановка не может создавать и больших помех при приеме программ телевидения. Благодаря этим же факторам обеспечивается безопасное нахождение людей и животных вблизи работающих ветроэнергоустановок даже при сильных ветрах.

Claims (2)

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая многоярусную несущую конструкцию со смонтированной на ней группой вертикальных валов отбора мощности, с каждым из которых кинематически связана группа первичных ветроэнергопреобразователей, смонтированных ярусами на своих поворотных устройствах возле своего вертикального вала отбора мощности, отличающаяся тем, что вертикальные валы отбора мощности состоят из отдельных звеньев, соединяемых между собой с помощью соединительных муфт и промежуточного вала, укрепленного в подшипниковом узле межъярусного перекрытия, а каждый сцепляющийся с вертикальным валом первичный ветроэнергопреобразователь представляет собой бесконечную цепь, смонтированную на звездочках двух, горизонтально закрепленных на поворотных устройствах в подшипниковых узлах валах, один конец которых связан с вертикальным валом отбора мощности посредством конической зубчатой передачи.

2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что с наружной стороны каждого звена бесконечной цепи и перпендикулярно к его внешней плоскости укреплена на поворотной оси приводная лопасть, прижимаемая пружиной к жесткому упору, ограничивающему угол поворота лопасти, а расстояние от ее передней кромки, обращенной навстречу ветру, до ее поворотной оси меньше чем расстояние от поворотной оси до задней кромки лопасти.

Images