Вітроенергетична установка

1 Вітроенергетична установка, що містить розміщений у прямовисній опорі прямовисний вал із упорами і горизонтально встановлені на ньому дві пари лопатей і хрестоподібно розміщеними один над одним поворотними махами, причому лопаті кожної пари закріплені із поворотним махом у взаємно перпендикулярних площинах зі зміщенням центральної осі лопаті щодо осі поворотного маха, кожна лопать оснащена врівноважуючою момент и обертання відносно осі поворотного маха з елементом відштовхування противагою, закріпленою на маха суміжно прямовисному вала з можливістю взаємодії з упором, яка відрізняється тим, що кожен поворотний мах складається з двох поворотних горизонтальних валів, які встановлені на одній осі з проміжком між їх кінцями, що з'єднані між собою пружним зв'язком та охоплені зафіксованим відносно прямовисного вала горизонтальним циліндром, причому кожен кінець горизонтального вала з'єднаний з циліндром парою поздовжньо зсунутих ПІДШИПНИКІВ, а упори відносно прямовисного вала і противаги з елементами відштовхування відносно поворотного горизонтального вала маха встановлені так, що взаємодія упора і елемента відштовхування здійснюється при знаходженні лопаті відносно горизонтального вала маха у горизонтальній площині 2 Вітроенергетична установка за п 1, яка відрізняється тим, що пружний зв'язок між кінцями горизонтальних валів маха виконаний у вигляді циліндричної пружини, яка охоплює зазначені КІНЦІ горизонтальних валів по ЗОВНІШНІЙ поверхні Винахід відноситься до області енергетики і призначається для одержання електричної енергії за рахунок кінетичної енергії вітру Відома вітроенергетична установка, що містить встановлене на прямовисному валу із махами, на периферії яких розміщені розкладні прямокутні лопаті, постачені обмежувачами, виконаними у вигляді гнучких зв'язків, ОДНІ КІНЦІ ЯКИХ пов'язані із розміщеними на периферії махів Т-подібними сному валу, горизонтально розміщені опори, радіально закріплені згори і/або знизу щодо горизонтальних осей на валу в площині їх розміщення на відстанях, менших розміру лопаті від горизонтальних осей, при цьому горизонтальні осі закріплені на лопатях вище їх центральної частини [2] Проте в даній установці горизонтально розміщені упори, що є частиною рамки каркаса, випробовують вітрові навантаження, які згинають установку Обертові проти вітру рамки створюють додатковий гальмовий момент, що знижує потужність вітроенергетичної установки Відома також вітроенергетична установка, що містить розміщений в прямовисній опорі прямовисний вал і горизонтально встановлені на ньому дві пари основних поворотних лопатей із упорами і хрестоподібно розміщеними махами [3] В даній установці, коли повітряний потік впливає на поворотні лопаті, за рахунок жорсткого кріплення їх до махів одна з кожної пари лопатей, розвертаючись під дією повітряного потоку, доходить до упорів, а супротивна лопать в цей час за стійками, а ІНШІ - ВІДПОВІДНИМИ прямовисними ло патями [1] Лопаті, які розвернуті з навітряного боку, сприймають енергію вітру, і вітроколесо починає обертатися, передаючи обертання на генератор Лопаті, які спрямовані гострим кутом до повітряного потоку, зменшують свою поверхню, що обмітається, і не перешкоджають обертанню вітроколеса Проте розкладні лопаті не мають необхідну надійність і видають значний шум при складанні і розкриванні Відома вітроенергетична установка, що містить плоскі лопаті, розміщені на горизонтальних осях повороту, закріплених радіально на прямови ^ о (О ймає положення уздовж повітряного потоку При цьому повітряний потік, що впливає на поверхню поворотних лопатей, які дійшли до упорів, створює обертовий момент, під впливом якого обертається верхня частина прямовисного вала, а від неї генератор Але в даній вітроенергетичній установці істотна частина енергії вітру витрачається не раціонально, що призводить до зниження потужності генератора Справа в тому, що обертання лопатей навколо осі поворотного маху під дією повітряного потоку, діється із-за зміщення центральної осі лопаті щодо осі маху Повітряний потік, діючий на широку частину лопаті щодо осі маху більше повітряного потоку, діючого на вузьку частину лопаті, що і призводить до обертання лопаті Очевидно, що вага широкої і вузької частин лопатей неоднакова За рахунок зміщення осі лопаті, а значить і центру тяжіння щодо осі маху для пари супротивних лопатей існує стан стійкої рівноваги при відсутності вітру Момент центру тяжіння пари лопатей повинен бути подоланий повітряним потоком, щоб лопаті почали рухатися Таким чином, частина повітряного потоку витрачається на подолання моменту тяжіння, що знижує обертовий момент, який передається генератору Крім того, в ВІДОМІЙ установці частина повітряного потоку витрачається на поворот лопатей в положення, необхідне для взаємодії з повітряним потоком одна лопать поперек, а супротивна - уздовж потоку Найбільш близьким по технічній суті винаходу, що пропонується, є вітроенергетична установка, яка містить розміщений в прямовисній опорі прямовисний вал і горизонтально встановлені на ньому дві пари лопатей із упорами і хрестоподібно розміщеними один над одним поворотними махами, причому лопаті кожної пари закріплені із поворотним махом у взаємно перпендикулярних площинах зі зміщенням центральної осі лопаті щодо осі поворотного маху, - кожна лопать постачена врівноважуючою момент и обертання щодо осі поворотного маху з елементом відштовхування противагою, закріпленою на маху суміжно основному прямовисному валу з можливістю взаємодії із упором, що містить постійний магніт, а ЗОВНІШНІЙ край лопаті виконаний із відгином бокових сторін щодо осі поворотного маху в супротивні сторони [4] В даній вітроенергетичній установці кожна лопать врівноважена щодо осі поворотного вала противагою За рахунок цього усувається гальмовий момент, обумовлений наявністю моменту тяжіння поворотного маху, і збільшується потужність обертання, яка передається на генератор Зниженню гальмового моменту, служить і розміщення противаги поблизу прямовисного вала В даній установці противага крім врівноваження моменту щодо осі поворотного вала виконує ще і функцію взаємодії із упором, забезпечуючи передачу силового моменту на прямовисний вал Але при сильних поривах вітру ця установка може вийти з ладу Це обумовлено тим, що всі и елементи мають жорсткий зв'язок між собою Зокрема, при взаємодії упора з елементом відштовхування між ними, а також на ДІЛЯНЦІ з'єднання маху 60494 з лопатею можуть виникнути при сильному потоку повітря механічні напруги, що призведуть до поломки в зазначених місцях Якщо ж ці ділянки механічно підсилити, щоб вони могли витримувати усі, навіть штормові вітри, то така вітроенергетична установка буде мати великі вартість, вагу, матеріалоємність, інерційність, що зробить її неефективною Крім того, жорсткість конструкції призводить до того, що при сильних поривах вітру махи з лопатями починають занадто швидко обертатись навколо прямовисного валу, що також небажано, бо призводить до швидкого механічного зносу обертових елементів, зменшення ресурсу роботи, а також до підвищеної частоти напруги, що виробляє електричний генератор, що з'єднаний з валом Завданням винаходу є підвищення механічної надійності установки і запобігання підвищеної частоти обертання при сильних поривах вітру Поставлене завдання досягається за рахунок того, що вітроенергетична установка, яка містить розміщений у прямовисній опорі прямовисний вал із упорами і горизонтально встановлені на ньому дві пари лопатей і хрестоподібно розміщеними один над іншим поворотними махами, причому лопаті кожної пари закріплені із поворотним махом у взаємно перпендикулярних площинах зі зсувом центральної осі лопаті щодо осі поворотного маху, кожна лопать постачена врівноважуючою момент и обертання відносно осі поворотного маху з елементом відштовхування противагою, закріпленою на маху суміжно прямовисному валу з можливістю взаємодії з упором, - кожен поворотний мах складається з двох поворотних горизонтальних валів, які встановлені на одній осі з проміжком між їх кінцями, що з'єднані між собою пружнім зв'язком та охоплені зафіксованим відносно прямовисного валу горизонтальним циліндром, причому кожен кінець горизонтального валу з'єднаний з циліндром парою поздовжньо зсунутих ПІДШИПНИКІВ, а упори відносно прямовисного валу і противаги з елементами відштовхування відносно поворотного горизонтального валу маха встановлені так, що взаємодія упора і елемента відштовхування здійснюється при знаходженні лопаті горизонтального валу маха у горизонтальній площині Крім того, пружній зв'язок між кінцями горизонтальних валів маху виконаний у вигляді циліндричної пружини, яка охоплює зазначені КІНЦІ горизонтальних валів по ЗОВНІШНІЙ поверхні В запропонованій вітроенергетичній установці коли пориви вітру перевищують номінальні швидкості автоматично здійснюється гасіння механічних навантажень за рахунок пружнього зв'язку між кінцями горизонтальних валів маху При цьому відбувається поворот прямовисно розташованої лопаті навколо осі горизонтального вала маху у напрямку вітру, зменшується площина лопаті, на яку діє вітер Через це відбувається зменшення поворотного моменту і швидкості обертання маху відносно прямовисного валу, що не призводить до його механічного перевантаження На фіг 1 схематично зображений загальний вигляд вітроенергетичної установки, на яку діє вітер (його напрям показаний стрілками), що не перевищує допустиму швидкість, 60494 на фіг 2 - загальний вигляд вітроенергетичної установки, на яку діє вітер, що перевищує допустиму швидкість, на фіг 3 - вигляд А-А на фіг 1 Вітроенергетична установка містить розміщений в прямовисній опорі 1 прямовисний вал 2 із упорами 3 і горизонтально встановлені на ньому дві пари поворотних лопатей 4, 5 і 6, 7 Поворотні махи 8 і 9 хрестоподібно розміщені один над іншим, причому лопаті 4 і 5 з махом 8 та лопаті 6 і 7 з махом 9 закріплені у взаємно перпендикулярних площинах зі зсувом центральної осі лопаті щодо осі поворотного маху За рахунок цього кожна лопать, наприклад 4, має дві частини 4а з меншою площиною та 46 з більшою площиною відносно осі обертання 10 Кожна лопать постачена противагою 1 1 , що врівноважує момент її обертання відносно осі обертання 10 Противаги 11 постачені елементами відштовхування, наприклад постійними магнітами (на фіг не показані), що вставлені в середину противаг, і розміщені з можливістю взаємодії з упорами 3, в яких також встановлені ПОСТІЙНІ магніти протилежної полярності Противаги закріплені на маху суміжно прямовисному валу 2 Кожен поворотний мах складається з двох поворотних горизонтальних валів 12 і 13, які встановлені на осі обертання 10 з проміжком 14 між їх кінцями, ВІДПОВІДНО 15 та 16 КІНЦІ валів 12 і 13 з'єднані між собою пружнім зв'язком, наприклад циліндричною пружиною 17, яка охоплює КІНЦІ 15 та 16 горизонтальних валів 12 і 13 КІНЦІ валів 12 і 13 охоплені горизонтальним циліндром 18, який зафіксований відносно прямовисного валу 2 Кожен кінець горизонтального валу з'єднаний з циліндром 18 парою ПІДШИПНИКІВ 19, які зсунуті уздовж осі 10 Упори 3 відносно прямовисного валу 2 і противаги 11 з елементами відштовхування відносно поворотного горизонтального валу, наприклад 13, встановлені так, що взаємодія, наприклад контактування, упору 3 і елемента відштовхування противаги 11 здійснюються при знаходженні лопаті 5 горизонтального валу маху 8 у горизонтальній площині Поворотний вал 2, що встановлений у торцевій ступиці 20 прямовисно опори 1, сполучений з електричним генератором вітроенергетичної установки (на фіг не показаний) Вітроенергетична установка працює наступним чином За відсутності повітряного потоку лопаті із противагами знаходяться в стані безумовної рівноваги щодо осі маху Прямовисний вал при цьому не обертається При появі вітру лопать 4 займає положення поперек, а лопать 5 - уздовж напряму вітру, повертаючи мах 8 навкруг своєї осі 10 (фиг 1) Поворот лопаті 4 навколо осі 10 відбувається через різницю у площинах двох частин 4а і 46, що відбувається під дією вітру Через зв'язок валів 12 та 13, що здійснюється за допомогою циліндричної пружини 17, при повороті навколо осі 10 здійснюється поворот у ту ж сторону і лопаті 5 Подальшому повороту маху 8 перешкоджає упор З, в який упирається противага 11 При контактуванні противаги 11 із упором 3 між їх постійними магнітами виникає електромагнітна сила відштовхування, що дозволяє пом'якшити або усунути механічний удар і знизити шум, який утворюється при цьому Через різницю сили вітру, що діє на горизонтально розташовану лопать 5 та прямовисну лопать 4, з'являється момент і прямовисний вал 2 призводить до обертання через ступицю 20 електричного генератора При штормовій погоді, якщо повітряний потік перевищує критичне значення, вітроенергетична установка продовжує виконувати свої функції (фіг 2) При цьому через велику силу, що діє на прямовисно розташовану лопать 4, вона здійснює подальший поворот (показана суцільною ЛІНІЄЮ), навколо осі 10, хоча лопать 5, яка о б т а є т ь с я повітряним потоком, знаходиться у горизонтальній площині бо противага 11 упирається в упор 3 Подальший поворот лопаті 4 відбувається при взаємному повороті валів 12 та 13 через напруження циліндричної пружини 17 Чим більшим буде штормовий вітер, тим більше буде напружуватись пружина 17 і обертатись лопать 4 навколо осі 10 При такому повороті зменшується ефективна площа лопаті 4 для вітру, а через це зменшується сила дії на неї вітру і обертовий момент маху 8 Зменшення обертового моменту у свою чергу зменшує і швидкість обертання валу 2, утримуючи швидкість у допустимих границях Вибором жорсткості пружини 17 можна регулювати взаємний нахил лопаті 4 відносно лопаті 5 ВІДПОВІДНО до сили штормових вітрів регіону Пропонуємо модельна вітроенергетична установка виготовлена, експериментальне випробувана і показала гарні показники Джерела інформації 1 Патент Російської Федерації №2059877, МКП 6 F03D 1/00 Надрук 10 05 96р Бюл №13 2 Опис винаходу до заявці РФ №94031431, МКП 6 F03D 3/00 Надрук 20 06 96р Бюл №17 3 А с СРСР №1746054, МКП F03D 3/06 Надрук 07 07 92р Бюл №25 4 Патент України №31757 А , МКП F 03 D 3/00 Надрук 15 12 2000р , Бюл № 7-І! (прототип) 60494 20 Фіг. 1 46 Фіг.2 Комп'ютерна верстка Т Чепелєва Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119