RU72512U1

RU72512U1 - WIND POWER PLANT

Info

Publication number: RU72512U1
Application number: RU2007145510/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Слипченко
Original assignee: Александр Анатольевич Слипченко
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2008-04-20

Abstract

Ветроэнергетическая установка содержит ветровое колесо 1, ось вращения которого совпадает с направлением ветра, мачту, в верхней части которой в подшипниковом узле 4 закреплен вал 5 колеса 1, и поворачивающуюся на мачте платформу 6 с регулирующими номинальную скорость вращения колеса 1 генераторами 7. Колесо 1 - это ферменная конструкция из лопастей, закрепленных на радиальных 9 и поперечных 14 элементах, осевых элементов 11, стропил 12 и обода 8, передающего вращение валам генераторов 7. Для снижения пускового крутящего момента на валу ветрового колеса и обеспечения выхода на номинальную мощность установки при низких скоростях ветра радиальные элементы 9 проходят посередине вдоль лопастей и закреплены в ступице 10 так, что общая площадь поверхности всех лопастей превышает площадь описываемого лопастями при вращении колеса круга. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.The wind power installation contains a wind wheel 1, the axis of rotation of which coincides with the direction of the wind, a mast, in the upper part of which a shaft 5 of the wheel 1 is fixed in the bearing assembly 4, and a platform 6 rotating on the mast with generators adjusting the nominal speed of the wheel 1 rotation. Wheel 1 - this is a truss of blades mounted on radial 9 and transverse 14 elements, axial elements 11, rafters 12 and rim 8, transmitting rotation to the shafts of generators 7. To reduce the starting torque on the wind shaft OLES provide a nominal output power of the unit at low wind speeds radial elements 9 extend along the middle of the blades and secured to the hub 10 so that the total surface area of all of the blades exceeds the area described by the blades during rotation of the wheel disk. 3 s.p. f-ly, 4 ill.

Description

Полезная модель предназначена для преобразования энергии ветра в электрическую энергию и может быть использована в ветровых электрических станциях.The utility model is designed to convert wind energy into electrical energy and can be used in wind power stations.

Известна ветроэнергетическая установка (Европейский пат. №0236036 от 09.09.1987 г.), содержащая ветровое колесо с лопастями, ось вращения которого совпадает с направлением ветра, мачту, в верхней части которой посредством подшипникового узла закреплен вал ветрового колеса, и закрепленную с возможностью поворота на мачте платформу с регулирующими номинальную скорость вращения ветрового колеса генераторами электрической энергии. Ветровое колесо представляет собой смонтированную на его валу форменную конструкцию, включающую кинематически связанный с генераторами обод колеса, радиальные элементы, расположенные между ободом и ступицей колеса, осевые элементы, стропила для закрепления тех концов лопастей, что расположены ближе к ободу, и поперечные элементы, на которых совместно с радиальными элементами закреплены лопасти.Known wind power installation (European Pat. No. 0236036 from 09.09.1987), containing a wind wheel with blades, the axis of rotation of which coincides with the direction of the wind, a mast, in the upper part of which a shaft of the wind wheel is fixed by means of a bearing assembly, and rotatably fixed on the mast a platform with electric energy generators regulating the nominal speed of rotation of the wind wheel. The wind wheel is a shaped structure mounted on its shaft, including a wheel rim kinematically connected with the generators, radial elements located between the wheel rim and the wheel hub, axial elements, rafters for fixing those ends of the blades that are closer to the rim, and transverse elements on which together with the radial elements fixed blades.

Ферменная конструкция ветрового колеса обеспечивает надежное его крепление на валу, а выполнение на мачте платформы, несущей генераторы электрической энергии, обеспечивает саморегулирование ветрового колеса по ветру так, что колесо всегда принимает на себя его «прямой удар». Ветровое колесо состоит из гибких лопастей, в предпочтительном варианте исполнения - парусов. Генераторы связаны с колесами типа резиновых шин, приводимых во вращение от непосредственного контакта с ободом ветрового колеса. Пары шести генераторов, рассчитанные на различную мощность генерации электрической энергии, от 50 до 10 кВт, обеспечивают посредством The truss design of the wind wheel ensures its reliable mounting on the shaft, and the execution on the mast of the platform, carrying electric energy generators, provides self-regulation of the wind wheel in the wind so that the wheel always takes on its “direct impact”. The wind wheel consists of flexible blades, in the preferred embodiment, sails. Generators are associated with wheels such as rubber tires, driven into rotation by direct contact with the rim of the wind wheel. Pairs of six generators, designed for different power generation of electric energy, from 50 to 10 kW, are provided by

различных возможных комбинаций их включения в работу производить от 20 до 200 кВт электрической энергии, оставляя при этом относительно постоянной (10 об/мин) угловую скорость вращения ветрового колеса.various possible combinations of their inclusion in the work to produce from 20 to 200 kW of electric energy, while leaving the angular speed of rotation of the wind wheel relatively constant (10 rpm).

Выполнение лопастей ветрового колеса из гибких (мягких) лопастей с предусмотрением для них устройств для их сворачивания (разворачивания) позволяет в идеале получить такую суммарную площадь поверхности лопастей, контактирующих с ветром, которая будет близка к площади описываемого лопастями при вращении колеса круга. Поскольку мощность ветроэнергетической установки растет в прямо пропорциональной зависимости от площади контакта ветра с лопастями, желательно наличие в такой установке такой площади лопастей, которая бы превышала площадь так называемой сметаемой (ометаемой) лопастями поверхности. При этом, при таком увеличении упомянутой площади контакта снижается пусковой момент на валу ветрового колеса. Описанная известная конструкция не предусматривает такого желательного исполнения.The implementation of the blades of the wind wheel from flexible (soft) blades with the provision of devices for them to collapse (deploy) allows you to ideally get such a total surface area of the blades in contact with the wind, which will be close to the area described by the blades during rotation of the wheel circle. Since the power of the wind power installation grows in direct proportion to the area of contact of the wind with the blades, it is desirable that such a plant has such an area of the blades that would exceed the area of the so-called swept (swept) blades of the surface. In this case, with such an increase in said contact area, the starting torque on the shaft of the wind wheel decreases. The described known construction does not provide for such a desired performance.

Ветроэнергетическая установка - предмет нижеописываемой полезной модели - решает вопрос расширения площади контакта лопастей с ветром, следствием чего в настоящей полезной модели, в сравнении с известным устройством, является достижение заявляемого ею технического результата - снижения пускового крутящего момента на валу ветрового колеса и обеспечения выхода на номинальную мощность установки при низких скоростях ветра.A wind power installation - the subject of the utility model described below - solves the issue of expanding the contact area of the blades with the wind, which in this utility model, in comparison with the known device, is to achieve the claimed technical result - reducing the starting torque on the shaft of the wind wheel and ensuring the output reaches the nominal plant power at low wind speeds.

Сущность полезной модели заключается в том, что для достижения упомянутого технического результата в ветроэнергетической установке, содержащей ветровое колесо с лопастями, ось вращения которого совпадает с направлением ветра, мачту, в верхней части которой посредством подшипникового узла закреплен вал ветрового колеса, и закрепленную с возможностью поворота на мачте платформу с The essence of the utility model lies in the fact that to achieve the technical result mentioned in a wind power installation containing a wind wheel with blades, the axis of rotation of which coincides with the direction of the wind, a mast, in the upper part of which the shaft of the wind wheel is fixed by means of a bearing assembly, and rotatably fixed on a mast platform with

регулирующими номинальную скорость вращения ветрового колеса генераторами электрической энергии, причем ветровое колесо представляет собой смонтированную на его валу форменную конструкцию, включающую кинематически связанный с генераторами обод колеса, радиальные элементы, расположенные между ободом и ступицей колеса, осевые элементы, стропила для закрепления тех концов лопастей, что расположены ближе к ободу, и поперечные элементы, на которых совместно с радиальными элементами закреплены лопасти, согласно настоящей полезной модели, радиальные элементы проходят посередине вдоль лопастей и закреплены в ступице так, что общая площадь поверхности всех лопастей превышает площадь описываемого лопастями при вращении колеса круга.electric energy generators regulating the nominal speed of rotation of the wind wheel, and the wind wheel is a shaped structure mounted on its shaft, including a wheel rim kinematically connected with the generators, radial elements located between the wheel rim and the wheel hub, axial elements, rafters for fixing those ends of the blades, which are located closer to the rim, and the transverse elements on which the blades are fixed together with the radial elements, according to this utility model , the radial elements extend in the middle along the blades and are fixed in the hub so that the total surface area of all the blades exceeds the area described by the blades when the wheel rotates.

Расположение радиальных элементов посередине вдоль лопастей позволяет при соответствующем закреплении их в ступице ветрового колеса заложить одну лопасть за другую, если смотреть на ветровое колесо в направлении его оси (оно же - направление ветра). При таком расположении лопастей возможно достижение такой суммарной площади поверхностей лопастей, которое будет превышать площадь описываемого лопастями при вращении колеса круга. Такое увеличение упомянутой площади увеличивает площадь контакта лопастей с ветром и, следовательно, при прочих равных условиях, ветровое колесо с такой увеличенной площадью лопастей будет запускаться с более низким крутящим моментом на валу ветрового колеса, нежели известное (см. вышеупомянутый европейский патент) ветровое колесо, хотя и аналогичной ферменной конструкции закрепления колеса на его валу, но допускающее зазоры между лопастями по всей их длине. Достижение меньшего пускового крутящего момента на валу ветрового колеса обеспечивает выход ветроэнергетической установки на номинальную мощность при меньших (низких) скоростях ветра.The arrangement of the radial elements in the middle along the blades allows, with their respective fixing in the hub of the wind wheel, to lay one blade after another, if you look at the wind wheel in the direction of its axis (it is also the direction of the wind). With this arrangement of the blades, it is possible to achieve such a total surface area of the blades, which will exceed the area described by the blades during rotation of the wheel circle. Such an increase in the mentioned area increases the contact area of the blades with the wind and, therefore, ceteris paribus, a wind wheel with such an increased area of the blades will start with a lower torque on the shaft of the wind wheel than the known (see the aforementioned European patent) wind wheel, although a similar truss design securing the wheel on its shaft, but allowing gaps between the blades along their entire length. Achieving a lower starting torque on the shaft of the wind wheel provides the output of the wind power installation at rated power at lower (low) wind speeds.

Установка, согласно настоящей модели, снабжена смонтированным на платформе шкивом, связанным с генераторами посредством клиноременных передач, при этом обод колеса на своей наружной поверхности имеет клиновидную выемку для взаимодействия со шкивом посредством клиновидного ремня. Такое исполнение кинематической связи ветрового колеса с генераторами допускает в сравнении с известным устройством использование типичной для генераторов вообще клиноременной передачи.The installation, according to the present model, is equipped with a pulley mounted on the platform, connected to the generators by means of V-belt drives, while the wheel rim on its outer surface has a wedge-shaped recess for interacting with the pulley by means of a V-belt. This embodiment of the kinematic connection of the wind wheel with the generators allows, in comparison with the known device, the use of a V-belt transmission typical of generators in general.

Установка, согласно настоящей модели, с целью снижения вероятности скручивания радиальных элементов под давлением ветра, оказываемом на лопасти, снабжена дополнительными элементами жесткости, по два на каждую лопасть, отходящими ветвеобразно от радиальных элементов к концам поперечных элементов на разной высоте по длине лопасти.The installation, according to the present model, in order to reduce the likelihood of twisting of radial elements under wind pressure exerted on the blades, is equipped with additional stiffening elements, two for each blade, branching out from the radial elements to the ends of the transverse elements at different heights along the length of the blade.

Установка, согласно настоящей модели, для обеспечения возможности автоматического регулирования номинальной мощности снабжена также электромагнитными муфтами для обеспечения связи генераторов со шкивом.The installation, according to the present model, to enable automatic regulation of the rated power is also equipped with electromagnetic couplings to ensure the connection of the generators with the pulley.

Полезная модель поясняется графическими материалами, на которых показаны:The utility model is illustrated by graphic materials on which are shown:

на фиг.1 - вид сзади на ветроэнергетическую установку,figure 1 is a rear view of a wind power installation,

на фиг.2 - кинематическая схема связи ветрового колеса с генераторами,figure 2 is a kinematic diagram of the connection of the wind wheel with generators,

на фиг.3 - вид сверху на ветроэнергетическую установку,figure 3 is a top view of a wind power installation,

на фиг.4 - лопасть ветрового колеса с дополнительными элементами жесткости.figure 4 - the blade of the wind wheel with additional stiffeners.

Ветроэнергетическая установка, согласно настоящей полезной модели, содержит ветровое колесо 1 с лопастями 2, ось вращения которого совпадает с направлением ветра, мачту 3, в верхней части The wind power installation, according to this utility model, contains a wind wheel 1 with blades 2, the axis of rotation of which coincides with the direction of the wind, mast 3, in the upper part

которой посредством подшипникового узла 4 закреплен вал 5 ветрового колеса, и закрепленную с возможностью поворота на мачте 3 платформу 6 с регулирующими номинальную скорость вращения ветрового колеса 1 генераторами 7 электрической энергии. Ветровое колесо 1 представляет собой смонтированную на его валу 5 форменную конструкцию, включающую кинематически связанный с генераторами 7 обод 8 колеса, радиальные элементы 9, расположенные между ободом 8 и ступицей 10 колеса, осевые элементы 11, стропила 12 для закрепления тех концов 13 лопастей, что расположены ближе к ободу 8, и поперечные элементы 14, на которых совместно с радиальными элементами 9 закреплены лопасти 2.which, by means of a bearing assembly 4, a shaft 5 of the wind wheel is fixed, and a platform 6 fixed with the possibility of rotation on the mast 3 with electric energy generators 7 controlling the nominal speed of rotation of the wind wheel 1. The wind wheel 1 is a shaped structure mounted on its shaft 5, including a wheel rim 8 kinematically connected to the generators 7, radial elements 9 located between the rim 8 and the wheel hub 10, axial elements 11, rafters 12 for fixing those ends 13 of the blades that located closer to the rim 8, and the transverse elements 14, on which, together with the radial elements 9 are fixed blades 2.

Радиальные элементы 9 проходят посередине вдоль лопастей 2 и закреплены в ступице 10 так, что общая площадь всех лопастей превышает площадь описываемого лопастями 2 при вращении колеса 1 круга.The radial elements 9 extend in the middle along the blades 2 and are fixed in the hub 10 so that the total area of all blades exceeds the area described by the blades 2 during rotation of the wheel 1 circle.

На платформе 6 смонтирован шкив 15, связанный с генераторами 7 посредством клиноременных передач 16. Обод 8 колеса на своей наружной поверхности имеет клиновидную выемку 17 для взаимодействия со шкивом 15 посредством клиновидного ремня 18.A pulley 15 is mounted on the platform 6 and is connected to the generators 7 by means of V-belts 16. The wheel rim 8 on its outer surface has a wedge-shaped recess 17 for interacting with the pulley 15 by means of a V-belt 18.

Форменная конструкция может снабжаться дополнительными элементами 19 жесткости, по два на каждую лопасть 2, отходящими ветвеобразно от радиальных элементов 9 к концам поперечных элементов 14 на разной высоте по длине лопасти.The shaped structure can be equipped with additional stiffening elements 19, two for each blade 2, branching out from the radial elements 9 to the ends of the transverse elements 14 at different heights along the length of the blade.

Связь генераторов 7 со шкивом 15 обеспечивается электромагнитными муфтами 20.The connection of the generators 7 with the pulley 15 is provided by electromagnetic couplings 20.

Лопасти 2 представляют собой жестяные листы трапециевидной формы, к которым с тыльной стороны на клепках крепятся радиальные элементы 9 и поперечные элементы 14, к которым для усиления жесткости могут быть добавлены дополнительные элементы 19. С целью The blades 2 are trapezoidal tin sheets to which radial elements 9 and transverse elements 14 are attached to the rivets on the back side, to which additional elements 19 can be added to reinforce stiffness.

исключения загибания лопастей как вперед (во время штиля), так и назад (во время сильного ветра), используются стропила 12, которые представляют собой стержни, с одной стороны скрепленные с радиальными элементами 9, а с другой - прикручены под углом к выдающейся вперед площадке 21. Эта площадка прикручена к валу 5 ветрового колеса. Обод 8 расположен с тыльной стороны ветрового колеса 1. На валу 5 смонтирована ступица 10 ветрового колеса, которая составлена из двух дисков 22, зажимающих подобно тискам посредством множества болтов радиальные элементы 9, которые являются основными держателями лопастей 2. Длина окружности обода 8 почти равна длине окружности всего ветрового колеса 1. Таким образом, наряду с передачей крутящего момента обод 8, также как и осевые элементы 11, создает дополнительную жесткость лопастям 2 в сильный ветер, связывая их по периметру и исключая взаимные колебания. Благодаря описанной форменной конструкции все лопасти ветрового колеса вращаются как единое целое и могут противостоять очень сильным ветрам, при этом площадь поверхностей лопастей, контактирующих с ветром, может достигать от 120 до 180% от всего описываемого ветровым колесом круга в зависимости от его диаметра.elimination of the bending of the blades both forward (during the calm) and back (during strong winds), rafters 12 are used, which are rods, on one side fastened with radial elements 9, and on the other, bolted at an angle to the forward projection 21. This platform is bolted to the shaft 5 of the wind wheel. The rim 8 is located on the rear side of the wind wheel 1. On the shaft 5 is mounted the hub 10 of the wind wheel, which is composed of two disks 22, clamping like a vice with a plurality of bolts, the radial elements 9, which are the main holders of the blades 2. The circumference of the rim 8 is almost equal to the length the circumference of the entire wind wheel 1. Thus, along with the transmission of torque, the rim 8, as well as the axial elements 11, creates additional rigidity of the blades 2 in strong wind, linking them around the perimeter and excluding mutual fluctuations. Thanks to the described shaped design, all the blades of the wind wheel rotate as a whole and can withstand very strong winds, while the surface area of the blades in contact with the wind can reach from 120 to 180% of the entire circle described by the wind wheel, depending on its diameter.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Благодаря тому, что вся конструкция находится в подвешенном состоянии и удерживается в строго вертикальном положении мачтой 3 и в подшипниковом узле 4 закреплен поворотно вал 5, ветровое колесо 1 автоматически поворачивается перпендикулярно направлению ветра. Ветер приводит во вращение ветровое колесо 1, и вместе с ним - обод 8 с клиновидной выемкой 17, посредством которой осуществляется связь обода с клиновидным ремнем 18, передающим вращение ветрового колеса 1 шкиву 15. Шкив 15 посредством клиноременных передач 16 и электромагнитных муфт 20 передает вращение шкивам генераторов 7, Wind power installation works as follows. Due to the fact that the whole structure is suspended and held in a strictly vertical position by the mast 3 and the rotary shaft 5 is fixed in the bearing assembly 4, the wind wheel 1 automatically rotates perpendicular to the direction of the wind. The wind rotates the wind wheel 1, and with it the rim 8 with a wedge-shaped recess 17, through which the rim is connected with a V-belt 18, transmitting the rotation of the wind wheel 1 to the pulley 15. The pulley 15 by means of V-belt drives 16 and electromagnetic couplings 20 transmits the rotation pulleys of generators 7,

коих может быть установлено до четырех штук на платформе 6. Выработка электроэнергии происходит на номинальной скорости вращения валов генераторов 7. Система из нескольких генераторов 7, каждый из которых подключен через электромагнитную муфту 20, управляемую электроникой, позволяет стабилизировать скорость вращения ветрового колеса 1 с выработкой энергии в широком диапазоне скорости ветра с обеспечением номинальной скорости вращения генераторов 7 в зависимости от скорости ветра. Происходит это следующим образом: как только ветер усиливается, увеличивается скорость вращения генераторов. Когда скорость вращения генераторов подходит к максимальной, к работающим генераторам подключается дополнительный генератор, который одновременно является тормозом для ветрового колеса. В случае ослабевания ветра описанная система работает в обратном порядке. Используемое крепление лопастей 2 в ступице 10 ветрового колеса 1 позволяет варьировать количество лопастей от 8 до 24 шт. в зависимости от количества установленных на платформе 6 генераторов 7 и диаметра ветрового колеса 1. Чем больше устанавливается лопастей, тем выше угол атаки лопасти к ветру и меньше давление ветра на саму лопасть, а чем выше угол атаки к ветру, тем мощнее ветровое колесо.of which up to four can be installed on the platform 6. Electricity is generated at the nominal speed of rotation of the shafts of the generators 7. A system of several generators 7, each of which is connected via an electromagnetic clutch 20, controlled by electronics, allows you to stabilize the speed of rotation of the wind wheel 1 with energy generation in a wide range of wind speed with the nominal speed of the generators 7 depending on the wind speed. This happens as follows: as the wind intensifies, the rotation speed of the generators increases. When the rotation speed of the generators approaches the maximum, an additional generator is connected to the working generators, which is also a brake for the wind wheel. In the case of wind weakening, the described system works in reverse order. Used fastening of the blades 2 in the hub 10 of the wind wheel 1 allows you to vary the number of blades from 8 to 24 pcs. depending on the number of generators 7 installed on the platform 6 and the diameter of the wind wheel 1. The more the blades are installed, the higher the angle of attack of the blade to the wind and the lower the pressure of the wind on the blade itself, and the higher the angle of attack to the wind, the more powerful the wind wheel.

Описанная установка позволяет получать 1 кВт уже при скорости ветра в 1 м/с при диаметре ветрового колеса всего 2,5 м. Выход на номинальную мощность - уже при скорости ветра 2-3 м/сек. Использование нескольких генераторов обеспечивает постоянно медленную скорость вращения лопастей, обеспечивая отсутствие воздушных турбулентных завихрений, возникающих при быстрых вращениях лопастей, что позволяет установить на одну установку большее число лопастей, повышая ее мощность на выходе.The described installation allows you to get 1 kW already at a wind speed of 1 m / s with a diameter of the wind wheel of only 2.5 m. The output at rated power is already at a wind speed of 2-3 m / s. The use of several generators provides a constantly slow speed of rotation of the blades, ensuring the absence of air turbulent turbulence arising from fast rotations of the blades, which allows you to install a larger number of blades on one installation, increasing its output power.

Данная модель крайне проста как в производстве, так и в сборке на месте установки, надежна при длительной эксплуатации и позволяет использовать низкие мачты (высотой от 3-х метров).This model is extremely simple both in production and in assembly at the installation site, reliable for long-term operation and allows the use of low masts (with a height of 3 meters or more).

Claims

1. A wind power installation containing a wind wheel with blades, the axis of rotation of which coincides with the direction of the wind, a mast, in the upper part of which a shaft of the wind wheel is fixed by means of a bearing assembly, and a platform fixed with the possibility of rotation on the mast with electric generators controlling the nominal speed of rotation of the wind wheel energy, while the wind wheel is a shaped structure mounted on its shaft, including a wheel rim kinematically connected with the generators, radial elements located between the rim and the wheel hub, axial elements, rafters for fixing those ends of the blades that are closer to the rim, and transverse elements on which the blades are fixed together with the radial elements, characterized in that the radial elements extend in the middle along the blades and fixed in the hub so that the total surface area of all the blades exceeds the area described by the blades during rotation of the wheel circle.

2. Installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with a pulley mounted on the platform connected to the generators by means of V-belt drives, and the wheel rim on its outer surface has a wedge-shaped recess for interacting with the pulley by means of a V-belt.

3. Installation according to claim 1 or 2, characterized in that the shaped structure is provided with additional stiffeners, two for each blade, branching out from the radial elements to the ends of the transverse elements at different heights along the length of the blade.

4. Installation according to claim 2 or 3, characterized in that it is equipped with electromagnetic couplings to ensure communication between the generators and the pulley.