Вітроенергетична установка

Реферат: Вітроенергетична установка містить опору у вигляді колони круглого або багатокутного перетину, гондолу на верхній частині опори, вітрове колесо на одному з кінців гондоли у вигляді маточини з закріпленими на ній лопатями і посадженої на горизонтальний вал, встановлений в гондолі на підшипниках. Механізм гондоли доповнений ще одним вітровим колесом, аналогічним першому, але з лопатями, виконаними по куту атаки вітрового потоку дзеркально лопатям першого колеса, встановленим на окремому додатковому валу, співвісному з першим валом симетрично або, як варіант, асиметрично опорі і концентрично до першого вала. До вільних кінців валів, протилежних колесам, приєднаний інтегруючий редуктор з однією вихідною шестірнею, однією шестірнею-лінивцем та двома вхідними шестірнями, кожна з яких приєднана до одного з валів. UA 81015 U (54) ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНА УСТАНОВКА UA 81015 U UA 81015 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вітроенергетики, тобто до галузі використання енергії вітру, а саме до горизонтально-осьових пристроїв типу вітродвигунів для перетворювання енергії руху вітру в механічне обертання валу вітродвигуна, до якого можуть бути приєднані різноманітні механічні пристрої чи перетворювачі механічної енергії, зокрема електрогенератори, теплоенергетичні і насосні станції і т. і. Відомий пристрій для перетворювання енергії вітру у механічну енергію обертання валу, а останню в електричну енергію, що складається із опори у вигляді щогли або башти, змонтованої на її верхній платформі гондоли, яка містить горизонтальний вал із закріпленим на одному з його кінців вітровим колесом у вигляді маточини з радіальними лопатями, а до другого кінця безпосередньо або через редуктор приєднаний електрогенератор [B.C. Кривцов, A.M. Олейников, А.И. Яковлев "Неисчерпаемая энергия" книга 2 (ветроэнергетика), Харьков, ХАИ, 2004, - С. 149-165]. Недоліком цього пристрою є те, що максимальні потужності, досягнуті пристроями такого типу, вже не можуть радикально збільшуватись за рахунок збільшення діаметра вітрового колеса і висоти центру його обертання, які вже і так майже досягли критичних величин. Так, установка "Repower 5M" німецької фірми REpower Systems AG електричною потужністю 5 мегават має діаметр вітрового колеса 126 м при висоті його центру 100-120 м від поверхні землі, масі колеса 120 т і масі гондоли 290 т. [Wind Enenergy 2006, BWE•Windenergie 2006, стор. 133]. Подальше збільшення цих параметрів практично неможливе як через проблеми монтажу, так і через проблеми міцності як самої опори, так і окремих елементів установки, зокрема лопатей. Не може бути збільшеною і потужність генератора, змонтованого на вершині опори через ті ж габаритно-вагові обмеження. Відомий також пристрій, вибраний як прототип [B.C. Кривцов A.M., Олейников, А.И. Яковлев "Неисчерпаемая энергия" книга 2 (ветроэнергетика), Харьков, ХАИ, 2004, - С. 177-180], що складається із щогли, платформи на її вершині, на якій встановлена вітроелектрогенеруюча установка з двома вітровими колесами, що обертаються у взаємно протилежних напрямках і приводять у дію два, кожний по одному, електрогенератора, механічно з'єднаних між собою. Недоліками цього пристрою є: 1. Установка не є цілісним пристроєм, а є всього лиш комбінацією двох однакових малопотужних вітроелектрогенераторів, змонтованих на одній платформі і не є двоколісною вітровою машиною, обидва колеса якої працюють на одне силове, механічне чи електричне, навантаження. 2. Установка не може бути використаною інакше, ніж як електрогенеруюча, причому з занадто низькою якістю отримуваної електроенергії, оскільки вітрові колеса малої маси і, відповідно, малої інертності, посаджені безпосередньо на вали електрогенераторів і нестабільність руху вітру у вигляді частотних пульсацій та повільних флуктуацій безпосередньо впливає на стабільність струму, який, до того ж, генерується на малій частоті обертання роторів. 3. Установка належить до вітроелектроустановок найменш потужного класу А (до 5 кВт), що прийнятно тільки для невеликих локальних споживачів без високих вимог до якості струму. Для роботи в системних електромережах така установка не придатна. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення вітродвигунів, в тому числі найпотужнішого мегаватного класу, з метою суттєвого підвищення потужності, коефіцієнту використання енергії вітру і к.к.д. вітродвигуна без збільшення його габаритно-вагових параметрів або суттєвого зменшення цих параметрів при збереженні потужності, а також радикального зменшення масового навантаження на гондолу і на опору та встановлення приєднаних механізмів, наприклад електрогенераторів, не на опорі, а на землі. За рахунок цього покращуються енергетичні, техніко-економічні і експлуатаційні показники вітроенергетичної установки, зокрема в режимі приводу електрогенераторів, та питомі капітальні витрати на одиницю встановленої потужності. Поставлена задача вирішується тим, що, оскільки потужність будь-якої вітросилової установки визначається, в першу чергу, площею, яку обмітає вітрове колесо, вітросиловий механізм ВЕУ доповнений другим валом і другим, аналогічним першому, але з дзеркально орієнтованим кутом атаки, вітровим колесом з протилежної або, як варіант, з тієї ж сторони гондоли, яке разом із своїм валом обертається в протилежну першому колесу сторону, а також інтегруючим або сумуючий редуктором, що сприймає потужності окремо від кожного з коліс, сумує їх та передає сукупну потужність на один вертикальний вал, до якого можуть бути приєднані як на вершині опори, так і на рівні землі механічні пристрої або перетворювачі механічної енергії в інший вид енергії, наприклад в електричну або в теплову. Інтегруючий редуктор являє собою механізм, що складається з комбінації чотирьох кутових зубчастих 1 UA 81015 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 шестерень, які знаходяться в постійному зачепленні між собою під кутом 90° між сусідніми шестірнями, змонтованих у прямокутну раму на чотирьох осях, розташованих взаємно перпендикулярно у вигляді уявної або реальної хрестовини, але в одній площині так, що обертання будь-якої з шестерень призводить до обертання в різних напрямках усієї системи шестерень. Шестірні, що знаходяться одна проти однієї і осі яких лежать на одній просторовій осі, мають попарно однаковий діаметр ділильного кола. Співвідношення ж між парами шестерень може бути рівним одиниці, меншим одиниці та більшим одиниці в залежності від призначення редуктора: передавати обертання без зміни передаточного числа, з прискоренням чи з уповільненням. Редуктор розміщений в гондолі вітроенергетичної установки так, що осі усіх шестерень лежать в одній вертикальній площині, причому, осі однієї пари шестерень горизонтальні і співпадають з осями валів вітроколіс, а інша пара вертикальна і співпадає з віссю опори та з віссю механізму, приєднаного до вітроенергетичної установки, наприклад з віссю електрогенератора, що має вертикальну вісь обертання. У варіанті, коли вітрові колеса встановлені з одного краю гондоли, вертикальна вісь редуктора може як співпадати з віссю приєднаного механізму, так і бути віднесеною в гондолі на відстань і являти собою вісь первинної шестірні додаткового редуктора, вже вихідний вал якого співпадає з віссю опори і віссю приєднаного механізму. Варіант корисної моделі, що заявляється, коли вітрові колеса розташовані на різних кінцях гондоли симетрично опорі і який є основним варіантом, містить між редуктором і кожним з вітрових коліс по одному пристрою для розвороту та фіксації лопатей в маточинах відносно подовжніх осей лопатей. Кожна лопать встановлена в маточині так, що вона може обертатись в маточині навколо своєї подовжньої осі на кут від найбільш оптимального кута атаки відносно вітру, до нульового кута, коли площина крила лопаті співпадає з віссю його обертання. В межах маточини хвостовик кожної лопаті циліндричний і має заглиблення для фіксації лопаті відносно маточини, та зубчастий сектор для зачеплення з рейкою механізму розвороту. Як передній, так і задній пристрої для розвороту та фіксації лопатей складаються з двох гідравлічних систем приводу на кожне вітрове колесо та однієї пари штоків на кожну лопать: один шток для фіксації і один у вигляді зубчастої рейки - для розвороту. Кожна гідравлічна система приводів складається з нерухомого гідроциліндра і диска, що обертається разом з валом вітрового колеса і ковзає по валу на шліцах за допомогою вилки, аналогічної механізму переключення передач у автомобіля, з'єднаної штоком з гідроциліндром. Кількість фіксованих положень лопаті визначається конструктивно в залежності від потужності установки, від кількості заданих ступенів регулювання потужності, від вітрових умов регіону і т. і., але не менше двох: для максимальної потужності і для загальмованого стану. Приєднання до вихідного валу редуктора механізмів, що споживають або перетворюють енергію установки, можливе трьома способами: - механізм з вертикальною віссю обертання встановлюється за межами поворотної гондоли, але безпосередньо під нею в приміщенні на вершині опори; - механізм з вертикальною віссю обертання встановлюється на землі в межах контуру цоколя опори; - механізми з горизонтальною віссю обертання в кількості від одного до декількох встановлюються на землі за межами цоколя опори і приєднується до вертикального привідного валу установки через редуктор, аналогічний тому, що встановлений в гондолі, але з протилежною функцією: диференціювати, тобто розподіляти, отриману на вході потужність між приєднаними механізмами, наприклад між електрогенераторами однакового або різного призначення. В цьому варіанті редуктор має на вертикальній осі дві шестірні, а на горизонтальних осях від двох до кількості механізмів, що приєднується до установки. Таким чином досягається очікуваний технічний результат, а саме: підвищується коефіцієнт використання енергії вітру, к.к.д. і потужність установки за рахунок майже подвоєного вітрового впливу на один приєднаний механізм, що визначається площею, охоплюваною кожним вітровим колесом; зменшується загальна маса гондоли завдяки тому, що маса інтегруючого редуктора суттєво менша за масу приєднаного механізму, наприклад електрогенератора, який, до того ж, приєднується в класичному варіанті також через редуктор, розташований в гондолі; зменшуються навантаження на опору, по-перше за рахунок зменшення маси обладнання, а подруге, за рахунок симетрії як статичного навантаження на гондолу і на опору, так і динамічних навантажень та дії гіроскопічної пресесії від обертання коліс по різні боки опори і в протилежних напрямках; покращуються експлуатаційні умови по обслуговуванню приєднаних механізмів, наприклад електростанції, розташованих не на висоті, а на землі; покращуються умови праці і техніка безпеки для обслуговуючого персоналу; зменшуються питомі капітальні витрати на одиницю встановленої потужності. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями, на яких зображені: 2 UA 81015 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 1, 2 - Зовнішній вигляд установки: Фіг. 1 - виконання на опорі арматурного типу; Фіг. 2 - виконання на суцільно-трубній сталевій опорі. На фіг. 3, 4 - Схема розташування вітрових коліс: Фіг. 3 - симетричний варіант; Фіг. 4 - асиметричний (односторонній) варіант. На фіг. 5 - Схема конструкції гондоли установки в симетричному виконанні. На фіг. 6 - Схема потоків потужності в гондолі симетричного виконання. На фіг. 7, 8 - Схема конструкції гондоли установки в асиметричному виконанні: Фіг. 7 - розташування інтегруючого редуктора по осі опори; Фіг. 8 - розташування інтегруючого редуктора за межами осі опори. На фіг. 9-11 - Варіанти виконання інтегруючого редуктора: Фіг. 9 - без зміни частоти обертання на вихідному валу; Фіг. 10 - з прискоренням частоти обертання вихідного валу; Фіг. 11 - з уповільненням частоти обертання вихідного валу. На фіг. 12, 13 - Схема вітрового потоку через два вітрових колеса: Фіг. 12 - фізична модель; Фіг. 13 - геометрична модель. На фіг. 14 - Схема конструкції пристрою для розвороту і фіксації лопатей відносно маточини вітрового колеса На фіг. 15-17 - Варіанти розташування приєднаного пристрою до вихідного валу установки: Фіг. 15 - на вершині опори; Фіг. 16 - на рівні землі в межах підніжжя цоколя опори; Фіг. 17 - на рівні землі за межами підніжжя опори. На фіг. 18 - Схема конструкції диференціюючого або розподільчого редуктора. Вітроенергетична установка (фіг. 1-4) містить гондолу обтічної форми (фіг. 5), що складається з таких вузлів і деталей: переднє відносно вітрового потоку вітрове колесо 1, заднє вітрове колесо 9, вал переднього вітрового колеса 4, розташований горизонтально в рамі на підшипниках, вал заднього вітрового колеса 7, розташований аналогічно, пристрою 3 для розвороту лопатей відносно маточин на передньому і на задньому вітрових колесах, а також інтегруючий редуктор 5, приєднаний двома вхідними шестірнями 13 і 15 (фіг. 9-11) до валів переднього і заднього вітрових коліс, а однією з шестерень 16, що знаходиться в постійному зачепленні з вхідними шестірнями 13 і 15, приєднаний до вихідного валу 6 (фіг. 5) редуктора, який одночасно є вхідним валом пристрою, приєднаного до вітроенергетичної установки, наприклад, електрогенератора. Перетини лопатей заднього вітрового колеса мають дзеркальне відображення перетину лопатей переднього колеса, тому при набіганні вітрового потоку того ж напрямку, що і на переднє колесо, заднє колесо обертається в протилежну передньому колесу сторону. Лопаті вітрових коліс закріплені в маточинах так, що мають можливість обертатися в маточинах навколо своїх подовжніх осей, мають кожна з них в межах хвостовиків, на яких закріплені в маточинах, по одному сектору зубчастого вінця, з яким знаходиться в постійному зачепленні зубчаста рейка 17 механізму розвороту лопаті. Крім того в цих же межах хвостовика є ряд заглиблень, мінімально два - в положенні лопаті на максимальний кут атаки вітру, та на мінімальний кут, тобто на режим гальмування. В цих заглибленнях фіксується шток 18 пристрою для фіксації положення лопаті відносно маточини. Сам пристрій для розвороту і фіксації лопатей (фіг. 14) складається з двох дисків 19 і 22, посаджених на шліцьову частину валу 21 вітрового колеса ковзаючою посадкою з можливістю обертатися разом з валом та пересуватись вздовж по ньому. На одному з дисків 22 закріплені зубчасті рейки 17, що знаходяться в постійному зачепленні з зубчастим сектором хвостовика лопаті, на другому диску 19 аналогічно закріплені штоки 18, що фіксують положення лопаті. Кількість рейок і кількість штоків пристрою відповідає кількості лопатей на кожному вітровому колесі. Кожен диск охоплюється ковзаючою по його зовнішньому вінцю вилкою 20 і 23, приєднаною до гідравлічного приводу пристрою розвороту і фіксації лопатей, аналогічно тому, як виконаний механізм переключення передач в коробці передач в автомобілі. У варіанті гондоли з асиметричним розташуванням вітрових коліс (фіг. 2 і фіг. 7, 8) інтегруючий редуктор може розташовуватись як над центром опори і зі спів-паданням його вихідного валу з вхідним валом приєднаного пристрою (фіг. 7), так і на відстані від центра (фіг. 8). В цьому другому варіанті обертання на вхідний вал приєднаного пристрою передається через додатковий редуктор на шестірнях 10 і 11. В обох випадках при асиметричному розташуванні вітрових коліс гондола оснащується в протилежній колесам частині противагою до вітрових коліс, яка ще виконує і роль флюгера (фіг. 4), що урівноважує масу двох вітрових 3 UA 81015 U 5 10 15 20 25 30 коліс відносно опори, розміщену по один бік від центру опори. Цей варіант розташування вітрових коліс придатний для використання в нижньому діапазоні потужностей установки, що заявляється. Інтегруючий або сумуючий редуктор 5 (фіг. 5) складається з рами 12 (фіг. 9), двох вхідних шестерень 13 і 15, однієї шестірні-лінивця 14 і однієї вихідної шестірні 16, сполученої з вихідним валом усієї гондоли. Конструкція редуктора може мати коефіцієнт редукції як рівний одиниці (фіг. 9), так і більший одиниці (фіг. 10), так і менший одиниці (фіг. 11). При розташуванні приєднаного пристрою по осі опори (фіг. 15 і 16) вихідний вал інтегруючого редуктора з'єднується безпосередньо з вхідним валом приєднаного пристрою. При розташуванні приєднаних пристроїв з горизонтальною віссю обертання на землі поза межами опори (фіг. 17), установка містить диференціюючий редуктор, конструктивно аналогічний інтегруючому редуктору, але із зворотнім його призначенням і, відповідно, підключенням до інтегруючого редуктора і до приєднаних пристроїв. Призначення диференціюючого редуктора розподілити потужність, отриману вхідним валом, між приєднаними до нього пристроями, яких може бути декілька, але оптимально від 2-х до 4-х. Вітроенергетична установка працює таким чином. При набіганні вітрового потоку на переднє вітрове колесо воно обертається, наприклад, за годинниковою стрілкою. Та частина вітрового потоку, яка вступила у взаємодію з лопатями переднього вітрового колеса, зазнає деформації і відхилення від прямолінійного руху в бік, протилежний напрямку обертання переднього вітрового колеса (фіг. 12, 13). При цьому цей деформований потік набігає на заднє вітрове колесо саме в такому напрямку, який для колеса є сприятливим бо воно обертається в нашому прикладі проти годинникової стрілки. Крім того, на заднє колесо також діє тиск тієї частини потоку вітру, яка не прореагувала з лопатями у передньому колесі і пройшла крізь нього між його лопатями, простір між якими у вигляді сектора досить великий і сягає 120° при трилопатевому варіанті і 180° - при дволопатевому варіанті. Таким чином, заднє колесо обертається в сторону, протилежну передньому, вироблена ним потужність передається на другу вхідну шестірню інтегруючого редуктора, складається з потужністю, виробленою переднім вітровим колесом і, таким чином, збільшує потужність усієї вітросилової установки майже вдвічі. При цьому, реактивні сили, що діють на гондолу і на опору від обертання великої маси вітрових коліс, врівноважуються тим, що в пристрою, що заявляється, ці маси обертаються в протилежні сторони і їх реактивні сили та дія гіроскопічної прецесії врівноважують одна одну. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 55 60 1. Вітроенергетична установка, що містить опору у вигляді колони круглого або багатокутного перетину, гондолу на верхній частині опори, вітрове колесо на одному з кінців гондоли у вигляді маточини з закріпленими на ній лопатями і посадженої на горизонтальний вал, встановлений в гондолі на підшипниках, яка відрізняється тим, що механізм гондоли доповнений ще одним вітровим колесом, аналогічним першому, але з лопатями, виконаними по куту атаки вітрового потоку дзеркально лопатям першого колеса, встановленим на окремому додатковому валу, співвісному з першим валом симетрично або, як варіант, асиметрично опорі і концентрично до першого вала, а до вільних кінців валів, протилежних колесам, приєднаний інтегруючий редуктор з однією вихідною шестірнею, однією шестірнею-лінивцем та двома вхідними шестірнями, кожна з яких приєднана до одного з валів. 2. Вітроенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що інтегруючий редуктор виконаний у вигляді прямокутної рами, на кожній із сторін якої встановлена кутова зубчаста шестірня, яка входить в зачеплення з обома сусідніми шестернями так, що усі чотири шестірні кінематично зв'язані в один механізм, осі обертання шестерень якого лежать в одній вертикальній площині так, що вісь обертання вхідних шестерень горизонтальна, а вісь вихідної шестерні і шестерні-лінивця вертикальна, а перетин обох осей являє собою уявну або виконану матеріально хрестовину, яка лежить у вертикальній площині. 3. Вітроенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що на шліцьових ділянках валів обох вітрових коліс встановлено по одному однаковому пристрою для розвороту і фіксації положення лопатей відносно маточини і напрямку вітрового потоку, кожен з яких складається з двох, не зв'язаних між собою, дисків на шліцьованих втулках, на одному з яких закріплені зубчасті рейки розвороту лопатей у кількості, відповідній кількості лопатей, а на другому - в такій же кількості встановлені стержні фіксації лопатей, а з гідравлічними приводами цих механізмів диски зв'язані штоками, на кінцях яких закріплені вилки, що обхвачують на ковзаючій посадці крайки дисків або канавки, виконані на зовнішніх циліндричних поверхнях дисків, 4 UA 81015 U 5 конструктивно аналогічних механізму переключення передач у відповідному механізмі автомобілів. 4. Вітроенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що при приєднанні до установки пристроїв, наприклад електрогенераторів, у кількості більше одного, в межах цоколя опори встановлюється диференціюючий редуктор, кінематично аналогічний інтегруючому редуктору, але із зворотним розташуванням і призначенням шестерень: тільки одна вхідна шестірня, кількість вихідних шестерень відповідає кількості приєднаних пристроїв, а приєднані пристрої встановлюються за межами цоколя опори і приєднуються до диференціюючого редуктора валами крізь отвори в цоколі опори. 5 UA 81015 U 6 UA 81015 U 7 UA 81015 U 8 UA 81015 U 9 UA 81015 U 10 UA 81015 U 11 UA 81015 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 12