Вітроенергетична установка

Винахід відноситься до області відновлюваних джерел енергії, конкретно до вітроенергетики і призначений для використання в конструкціях вітроенергетичних установок широкого діапазону потужностей. Відома вітроенергетична установка з вітродвігуном Дар'є [1], що складається з вертикальної щогли, закріпленої розтяжками, вітродвигуна з вертикальними лопатями, прикріпленими до вертикального вала, та системи перетворення потужності, складеної з редуктора і синхронного генератора. Під дією вітрового потоку вітродвигун Дар'є створює обертовий момент, що через редуктор передається синхронному генератору, виробляючому електричну енергію. Недоліки вітроенергетичної установки з двигуном Дар'є пов'язані з високою собівартістю виробленої електроенергії за рахунок значної вартості даного вітродвигуна та його невисокої питомої потужності і з його низькою надійністю. Наявність вказаних недоліків пояснюється тим. що лопаті вітродвигуна Дар'є зазнають значних змінних за напрямком навантажень за рахунок постійно міняючогося кута атаки до напрямку вітрового потоку, що викликає гальмівну дію лопатей що рухаються з від'ємним кутом атаки, знижуючи питому потужність, руйнівні вібрації лопатей та необхідність використовувати складні технології та спеціальні матеріали для виготовлення лопатей, підвищуючи їх собівартість. Вказані недоліки обумовили відсутність серійного виробництва установок з вітродвигунами Дар'є. Найближчою по технічній суті та досягаемому ефекту до заявленої установки є вітроенергетична установка [2], складена з генератора з валом і закріплену на ньому шестернею, вертикальну щоглу з вітровим колесом, виготовленим у вигляді обода з двох кілець, скріплених між собою за допомогою рівномірно розподілених по околу пружин. На одному кільці зроблені наскрізні отвори та зубчатий вінець, а на другому пази. В скрізні отвори та пази кілець встановлені з можливістю повертання цапфи лопатей. На щоглі встановлені нижня та верхня турелі, котрі через тіла кочення контактують з кільцями обода, а нижня турель через тіла кочення контактує з опорою щогли. Концентрично щогли встановлений блок зубчатих коліс, контактуючий з вінцем та шестернею вала генератора. Установка в своїй конструкції містить також пусковий пристрій, кінетично зв'язаний з зубчатим колесом, та поворотно-орієнтуючий механізм, взаємодіючий з вінцем, виготовленим на нижній турелі. Вітроенергетична установка працює наступним чином. Пусковий пристрій надає початковий обертовий момент ободу вітрового колеса. Подальший обертовий рух вітрового колеса здійснюється вітровим потоком, діючим на лопаті, що через блок зубчатих коліс передається генератору, виробляючому електроенергію. При зміні напряму вітрового потоку поворотно-орієнтуючий механізм, взаємодіючи з нижньою турелею, встановлює вітрове колесо таким чином, щоб його вісь обертання була паралельною напрямку вітрового потоку. Недолік вітроенергетичної установки заключається в присутності під час її роботи значного згинаючого момента сил, діючого на щоглу під час її роботи, що приводить до необхідності збільшення міцності конструкції і до зниження її надійності у випадку дії поривчастого вітру. Виникнення згинаючого моменту пояснюється тим, що відбір обертового моменту з ободу ві трового колеса здійснюється в нижній частині щогли і компенсується реакцією вітрового колеса на верхню частину щогли через встановлену там турель. Тобто відбір обертового моменту з ві трового колеса здійснюється несиметрично його осі обертання, що викликає утворення згинаючого момента, діючого на верхню частину опори. В основу винаходу поставлене завдання вдосконалення вітроенергетичної установки шляхом підвищення її надійності за рахунок зменшення механічних навантажень, що діють на її конструкцію. Поставлене завдання розв'язується тим, що в вітроенергетичній установці завдяки запропонованим новим елементам конструкції - введеному порожнистому валу, з ви готовленими зубчатими колесами на його кінцях, встановленому концентрично щоглі, кінетично зв'язуючого вінець обода у його верхній частині з шестернею вала генератора, відбір обертового моменту здійснюється з двох діаметрально протилежних точок обода вітрового колеса, чим компенсується реакція обертового момента на щоглу та основу установки. Вказане рішення поставленого завдання дозволяє підвищити надійність установки за рахунок зменшення механічних навантажень на щоглу установки, а разом з тим І зменшити їївартість за рахунок спрощення найбільш металоємних несучи х елементів конструкції На фіг.1 зображена конструкція вітроенергетичної установки: на фіг.2 - вид А-А на фіг. 1. Вітроенергетична установка містить вітрове колесо 1, складене з робочих лопатей 2, змонтованих між ступицею 3 та ободом 4, на котрому виготовлений зубчатий вінець 5, вертикальну щоглу 6, закріплену в опорі 7, генератор 8 з валом 9 І шестернею 10 на ньому, пусковий пристрій 12. Концентрично осі щогли б встановлені порожнистий вал 13 І блок зубчатих коліс 14 з зубчатими елементами 15, 16 та 17, 18, що в діаметрально протилежних точках зачеплені з зубчатим вінцем 5 і шестернею 10 вала 9 генератора 8 і з хвостовиком 12 пускового пристрою 11. На верхню частину щогли 6, з можливістю обертання навколо її осі, одягнена верхня турель 19, контактуюча через тіла кочення 20 з ободом 4. На опорі 7 на тілах кочення 21 встановлена нижня турель 22 з зубчатим вінцем 23, що знаходиться в зачеплені з хвостовиком 24 поворотноорієнтуючого механізму 25 і фіксуюча через тіла кочення 20 обід 4, в котрому пружні елементи 26 зв'язують між собою його складові кільця 27 та 28. На кільці 27 виготовлені вінець 5 і наскрізні отвори 29, на кільці 28 виготовлені пази 30. Штири 31 лопатей 2 встановлені в отвори 29 та пази ЗО, а їх корінні штири 32 встановлені в отвори 33 ступиці 3. Вітроенергетична установка працює таким чином. Пусковим пристроєм 11 створюється початковий обертовий момент вітрового колеса 1 для подолання його початкового моменту інерції. Обертовий момент з хвостовика 12 пристрою 11 передається на вінець 5 через блок зубчатих коліс 14 І порожнистий вал 13. Створений вітровим потоком обертовий момент вітрового колеса 1 через порожнистий вал 13 І блок зубчатих коліс 14 передається на шестерню 10 вала 9 генератора 8 виробляючого при цьому електричну енергію. ЗІ зміною швидкості вітрового потоку перерозподіляється аеродинамічний тиск на площах лопатей 2 чим змінюється навантаження на пружні елементи 26, змінюючи їх геометричні розміри І взаємне положення кілець 27 та 28 шляхом обертання між собою, викликаючи зміну кроку вітрового колеса 1, стабілізуючи кутову швидкість його обертання. Зміна напрямку вітрового потоку відслідковується поворотно-орієнтуючим механізмом 25, хвостовик 24 котрого через зубчатий вінець 23 повертає турель 22 таким чином, щоб вісь обертання вітрового колеса 1 співпадала з напрямком вітрового потоку.