UA153402U - Вітроенергетична установка - Google Patents

Abstract

Вітроенергетична установка містить горизонтальний вал, конусний напрямляч повітряного потоку і дві маточини, на яких рівномірно розміщені лопаті першого і другого вітроколіс. При цьому лопаті мають аеродинамічну форму, до горизонтального вала кріпиться конусний напрямляч і маточина першого вітроколеса, а горизонтальний вал через прискорюючий редуктор за допомогою прохідних підшипників через поворотну головку з механізмом орієнтації і муфту з'єднаний з валом зверненого генератора. На корпусі статора генератора закріплена маточина другого вітроколеса, а на ній - радіальні та сполучні стрижні, на яких рівномірно розміщені аеродинамічні лопаті, вузли та деталі. При цьому вітроколеса обертаються в протилежних напрямках.

Description

Корисна модель належить до галузі нетрадиційної енергетики і може бути використана для отримання електричної енергії. Запропоновано нетрадиційну конструкцію вітроенергетичної установки з горизонтальним валом (ВЕУГВ).

ВЕУГВ становлять понад 9095 вітроенергетичних установок, їх серійним випуском займаються тисячі підприємств. Недоліком традиційної конструкції є мала поверхня лопаті, а як наслідок цього - початковий крутний момент близький до нуля, і тому запуск таких установок утруднений. Великі установки взагалі доводиться розкручувати від стороннього джерела.

Швидкість кінців лопатей при великих швидкостях повітряного потоку може наближатися до швидкості звуку, створюючи шум як у гвинтомоторного літака і перешкоди для електронних пристроїв, крім того лопаті б'ють птицю та іншу літаючу живність. При повороті установки зі зміною напрямку повітряного потоку на лопаті діє гіроскопічний момент, що прагне двічі на кожному оберті вигнути лопать, що може викликати великі напруги, які іноді призводять і до відриву лопатей. Щоб уникнути цього, лопаті максимально полегшують і застосовують спеціальні пристрої - віндрози, що здійснюють дуже повільний поворот вітродвигуна. Система віндроз та інші додаткові пристрої значно ускладнюють та підвищують вартість ВЕУГВ.

Найбільш поширені ВЕУГВ з трилопатевим компонуванням. Як правило, це швидкісні ВЕУГВ максимально можливої одиничної потужності. Прийнято вважати, що ці установки фактично досягли межі розмірів і встановленої потужності, і можливості подальшого підвищення їх ефективності суттєво обмежені. Вироблення електроенергії такої установки залежить від розміру її ротора (площі, що "омітається"), і в даний час на ринку доступні ВЕУГВ з великим діаметром ротора (2175 м).

Пропонована ВЕУГВ дозволяє підвищити її площу, що "Оомітається" без проблемного збільшення розмірів лопатей двох пропелерів і, тим самим, потужність електричного генератора при відомій швидкості повітряного потоку без застосування потужного і дорогого прискорюючого редуктора, що підвищує швидкість генератора. При цьому підвищується економічність і надійність отримання електричної енергії з повітряного потоку.

Відома ВЕУГВ, що містить вітротурбіну, виконану у вигляді лопатей, встановлених на горизонтальному робочому валу, привідний вал, кінематично пов'язаний з робочим валом генератора, і спрямовуючий хвостовик (патент ОА Ме2253747, МПК РОЗО 3/00 від 10.06.2005 р).

Зо Розглянемо його конструкцію як аналог. Робочий вал і привідний вал встановлені з можливістю обертання на одному кронштейні та пов'язані один з одним через конічну передачу. У аналізованому аналогу застосована лопатева вітротурбіна. Однак така установка має ряд недоліків, що обмежують область її застосування, наприклад, крім прискорюючого редуктора, що підвищує обороти генератора, додатково використовується конічний редуктор і т.п.

Вітродвигун за патентом РФ Мо 2508468 (МПК РОЗО 1/06, Бюл. Ме 19, 2013 р.) приймаємо як найближчий аналог до пропонованої нами вітроенергетичної установки. Цей вітродвигун -

ВЕУГВ містить горизонтальний вал з встановленим на ньому колесом з лопатями. Вітродвигун додатково містить закріплений на обичайці маточини колеса конусний напрямляч повітряного потоку і зовнішню обичайку. Між обичайкою маточини колеса та зовнішньою обичайкою рівномірно розподілені та закріплені лопаті першого рівня. На зовнішній обичайці із зовнішнього боку поступово розміщені лопаті другого рівня, а твірні лопатей першого і другого рівня виконані криволінійними зі зростаючим кутом атаки повітряного потоку. Технічною суттю цього винаходу є значне підвищення сумарної площі лопатей, збільшення крутного моменту на валу вітродвигуна.

Позитивною властивістю конструкції найближчого аналога є мінімізація коливань у робочому режимі лопатей першого рівня, закріплених між двома обичайками. Безпосередньо застосувати цей варіант мінімізації коливань лопатей в робочому режимі для вітряних турбін з великим діаметром ротора нереально (використовувати жорстке кільце діаметром, наприклад, 175 м), тому в конструкції використовується інший варіант цієї корисної ідеї.

Основним недоліком найближчого аналога є те, що твірні лопатей першого та другого рівня виконані криволінійними з зростаючим кутом атаки повітряного потоку. Тобто у найближчого аналога використовується принцип лобового опору (елементи вітродвигуна Савоніса (|1Ї), який менш ефективний для застосування у вітроенергетичних установках, ніж принцип підйомної сили (лопаті аеродинамічного профілю зазвичай з контролем налаштування їх кута атаки).

Реалізація установок з конструкції найближчого аналога доцільна для потужності трохи більше 3-4 кВт.

В основу корисної моделі поставлена задача, яка полягає у створенні нетрадиційної конструкції ВЕУГВ. Технічний результат пропонованої ВЕУГВ полягає в підвищенні площі, що "омітається" без проблемного збільшення розмірів лопатей двох пропелерів і ефективному бо перетворенні кінетичної енергії повітряного потока в електричну енергію завдяки одночасному обертанню в протилежних напрямках цих пропелерів і ротора та статора електричного генератора.

Поставлена задача вирішується тим, що у вітроенергетичній установці, що містить горизонтальний вал, конусний напрямляч повітряного потоку і дві маточини, на яких рівномірно розміщені лопаті першого і другого вітроколіс, згідно з корисною моделлю, лопаті мають аеродинамічну форму, до горизонтального вала кріпиться конусний напрямляч і маточина першого вітроколеса, а горизонтальний вал через прискорюючий редуктор за допомогою прохідних підшипників через поворотну головку з механізмом орієнтації і муфту з'єднаний з валом зверненого генератора зверненого типу, а на корпусі статора генератора закріплена маточина другого вітроколеса, на ній - радіальні та сполучні стрижні, на яких рівномірно розміщені аеродинамічні лопаті, вузли та деталі, причому вітроколеса обертаються в протилежних напрямках.

Варіант конструкції пропонованої вітроенергетичної установки представлений на кресленні, де введені такі позначення: 1 - конусний напрямляч повітряного потоку; 2 - аеродинамічні лопаті першого, малого вітроколеса; З - радіальні стрижні першого, малого вітроколеса; 4 - налагоджувальні гвинти першого, малого вітроколеса; 5 - маточина першого вітроколеса; 6 - редуктор; 7 - поворотна головка; 8 - прохідні підшипники поворотної головки та механізму орієнтації; 9 - сполучні муфти; 10 - вал генератора зверненого типу; 11 - налагоджувальні гвинти другого вітроколеса; 12 - аеродинамічні лопаті другого вітроколеса; 13 - радіальні стрижні другого вітроколеса; 14 - маточина на корпусі генератора зверненого типу; 15 - ротор генератора зверненого типу; 16 - вежа вітроенергетичної установки; 17 - струмознімач; 18 - статор генератора.

Розглянемо роботу пропонованої вітроенергетичної установки, беручи до уваги, що як генератор використовується електрична машина зверненого типу, у якої на роторі 15 розміщена робоча обмотка (постійного або змінного струму), кінці якої приєднані до кілець струмознімача 17 (два кінці і два кільця, якщо обмотка постійного струму, або три кінці і три кільця, якщо трифазна обмотка змінного струму), а як статор 18 використовується колесоподібна конструкція, в якій розміщені постійні магніти збудження генератора і яка може обертатися навколо власної осі.

Зо Вал 10 ротора генератора 15 механічно з'єднаний з першим, малим вітроколесом (2, З, 4) через підвищуючий редуктор 6, а статор генератора 18 механічно з'єднаний з другим, великим вітроколесом (12, 13). Аеродинамічні лопаті вітроколіс запрофільовані таким чином, що при певному напрямку повітряного потоку вітроколеса обертаються в протилежних щодо повітряного потоку напрямках, тобто якщо мале вітроколесо обертається за годинниковою стрілкою, то велике вітроколесо - проти годинникової стрілки. Це призведе до того, що за наявності повітряного потоку ротор і статор генератора будуть обертатися у протилежних напрямках, а це забезпечить суттєве збільшення ЕРС, яка індуктується в обмотці ротора.

Таким чином, за рахунок використання двох вітроколіс збільшується площа, що "омітається", і потужність ВЕУГВ при менших розмірах її лопатей у порівнянні з вітроенергетичною установкою традиційної конструкції.

У конструкції пропонованої ВЕУГВ використовується редуктор тільки на потужність першого вітроколеса, тому він легше і дешевше, ніж редуктор у традиційних ВЕУГВ на таку ж загальну потужність, він забезпечує потрібне підвищення напруги на виході генератора. Рекомендоване застосування пропонованої ВЕУГВ - на потужність до 10 мегават.

Джерело інформації: 1. Напзеп, Соїйп апа Напзеп, Кіївіу (2020). Несепі Адмапсез іп М/іпа Титбіпе Моїве Везеагсі.

Асоивіїсв 2020, 2(1), 171-206; ННре://дої.огд/10.3390/асоивіїс52010013 ОезптиКНа, 5пИБрНат;

Зопгодеер, Внанаснагуаа; Апиїі, даїпр АКвпоу; Вапіап, Раці (2018). М/іпа їШштбіпе поізе апа їв тійїдайоп Тесппіднев: А гемієм. Рай ої зресіа! ізвиє: 2па Іпіегпайопа! Сопієгепсе оп Епегду апа

Ромег, ІСЕР2О18, Зуапеу, А!йзвігаїїа. пирз//дої.ога/10.1016/.едурго.2019.02.215.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Вітроенергетична установка, що містить горизонтальний вал, конусний напрямляч повітряного потоку і дві маточини, на яких рівномірно розміщені лопаті першого і другого вітроколіс, яка відрізняється тим, що лопаті мають аеродинамічну форму, до горизонтального вала кріпиться конусний напрямляч і маточина першого вітроколеса, а горизонтальний вал через прискорюючий редуктор за допомогою прохідних підшипників через поворотну головку з механізмом орієнтації і муфту з'єднаний з валом зверненого генератора, а на корпусі статора бо генератора закріплена маточина другого вітроколеса, на ній - радіальні та сполучні стрижні, на яких рівномірно розміщені аеродинамічні лопаті, вузли та деталі, причому вітроколеса обертаються в протилежних напрямках. НІ її пий о їх Я н вні рн й ж, з ї

   ІТ. у, у і 7 ! зе а КЕ ЖЖ сдлнклнканя В рол З о іі ноя їз Е : ж Оки І Ши СЕН ше я : ; ет Жллннх ту й Й у - й щИ о. М г ІЗ ЕЕ не а я вл