Вітровий агрегат малої потужності для генерування електроенергії з регулюванням швидкості обертання лопат

Конструкція вітрового агрегату, що має вітроколесо, редуктор, що підвищує кількість обертів, генератор, вісь обертання робочого органа (вітроколеса) горизонтальна, орієнтація на вітер за допомогою флюгера, передача електричного струму через струмознімач, який відрізняється тим, що здійснюється регулювання швидкості обертання вітроколеса з обмеженням швидкості обертання за допомогою відцентрового регулятора, установленого на додатковому валу, зв'язаному з валом вітроколеса шестірнею з підвищувальною передачею, взаємодіючим з гальмовим пристроєм; вантажі відцентрового регулятора обертаються в протилежну сторону щодо напрямку обертання лопат вітроколеса, що усуває додаткові сили, які вини U 2 (19) 1 3 43161 4 Оптимальні параметри товщини і ширини - лопати не мають крутки по довжині, що допрофілю, кута атаки і кута установки в сполученні зволяє виготовити складну внутрішню конструкцію з високою якістю геометрії поверхні і прийнятою з забезпеченням мінімальної маси при максимасхемою з шістьма лопатами дозволили досягти льній міцності, для виготовлення застосовують коефіцієнта використання енергії вітру h = 0,47. відомі технології зниженої вартості, а згладжує Система в цілому - вітрогенератор із хвостовипадкові впливи вітрового потоку механічний відвим флюгером і розчалена в три яруси вишка центровий регулятор обертів вала вітроколеса; захищена від резонансу в діапазоні робочих час- вишка вітроагрегата виконана без тросових тот обертання. розчалювань, що підвищує її безаварійність з виЕлектроенергія від вітроагрегата попадає для ключенням втрати стійкості. накопичення в акумуляторні батареї, де первісна Поставлене завдання досягається застосунапруга стабілізується, далі вона надходить на три ванням, наприклад, дешевого асинхронного генеінверторні модулі. Там електрика перетворюється ратора для вироблення перемінного струму напрув перемінну синусоїдальну, удруге стабілізується, гою 380/220 В. Швидкість обертання вала частота і фаза задаються зовнішньою мережею вітроколеса корегується регулятором, по констру(тією фазою, на яку працює даний модуль): реалікції близьким до відцентрового регулятора Уатта зується інвертор, відомий зовнішньою мережею. для парової машини [МеркинД.Р. Введение в теоУ випадку повного заряду акумуляторів при рию устойчивости движения. - М.: Наука, 1971. - с. автономному режимі надлишки енергії скидаються 114; ru.wikipedia.org]: зміна швидкості обертання на баластовий опір. вала вітроколеса забезпечує номінальну швид[Малая энергетика. Анализ состояния и перскість обертання пов'язаного з ним ротора генерапективы развития. Кукушкин В. И., Левенко А. С. тора. Д.: Арт-Пресс, 2005. - С. 49-51] У відомій конструкції ВЕУ 1500 ТОВ СКБ Розглянута конструкція має недоліки: «Спецремтекс» [Малая энергетика. Анализ состо- виведення вітроколеса з вітрового потоку до яния и перспективы развития. Кукушкин В. И., Лейого перекидання при буремному вітрі можливе венко А. С. - Д.: Арт-Пресс, 2005. - С. 60-62] для тільки при великій кількості лопат; регулювання швидкості обертання вітроколеса - лопата флюгера знаходиться у вітровому позастосовується відцентрово-аеродинамічний регутоці після вітроколеса в його осі - це знижує швидлятор - лопата вітроколеса повертається щодо кодію флюгера при зміні напрямку вітру і його чутсвоєї подовжньої осі в залежності від швидкості ливість для забезпечення орієнтації вітроколеса обертання вітроколеса. Але в конструкції присутні проти вітру; раніше відзначені недоліки: лопата флюгера роз- при вироблянні генератором постійного міщена по осі за вітроколесом, необхідний інверструму потрібен інвертор, вартість якого сягає ватор, використовується вишка з тросовими розчартості вітрогенератора і перевершує її; люваннями. В пропонованій корисній моделі - лопати мають складний зовнішній профіль і регулювання обертів вала вітроколеса здійснюскладну внутрішню конструкцію, що при зміні проється безпосередньо, а не приблизним розрахофілю по довжині лопати приводить до складної ваним аеродинамічним регулюванням зміни полотехнології виготовлення і високої вартості; ження лопат. - застосування тросових розчалювань для виПропонована корисна модель має сполучені в шки вітроагрегата у випадку ослаблення натягу єдиному комплексі механізми гальмування і регутросу чи його несанкціонованого зняття приведе лювання швидкості обертання вітроколеса та будо втрати її стійкості. ремного захисту (шляхом зупинки обертання лоВ основу корисної моделі поставлене завданпат): механічний відцентровий регулятор обертів ня створення конструкції, що не мала б наведених вала; гальмовий пристрій обмеження обертання у прототипі недоліків: підпружиненого вала вітроколеса при його пере- при буремному вітрі немає необхідності виміщенні під тиском потоку вітру аж до зупинки з водити з потоку вітру вітроколесо - з будь-якою механічною фіксацією і наступною автоматичною кількістю лопат, починаючи з однієї, достатньо розфіксацією. загальмувати вал вітроколеса при досягненні криЛопата з конструкційної пластмаси в дволопатичної швидкості вітру і знизити парусність; тевому і трилопатевому варіантах ВЕУ ЛВ-5 для - лопата флюгера розташована вище вітровозабезпечення міцності при малій масі має складго потоку після вітроколеса - це підвищує швидконий внутрішній профіль, незмінний по довжині лодію флюгера при зміні напрямку вітру і його чутлипати, і незмінний зовнішній аеродинамічний провість для забезпечення орієнтації вітроколеса філь без крутки по довжині. Додаткове зміцнення проти вітру, а дія окремих короткочасних поривів лопати здійснюється металевим профільованим вітру компенсується конструкцією лопати флюгера елементом, встановлюваним усередині по довжині у вигляді двох ромбовидних пластин, розташовалопати. Виробництво лопати нескінченної довжини них під кутом 45°, яка вільно повертається навколо з наступною нарізкою до необхідного розміру доосі кріплення; зволяє на порядок знизити вартість її виготовлен- застосовано генератор перемінного струму з ня, при цьому, у порівнянні з прототипом складної забезпеченням номінальної кількості обертів вітаеродинамічної форми, при нерухомо закріплених роколеса механічним відцентровим регулятором у вітроколесі лопатах з регулювання швидкості обертів вала вітроколеса, що виключає необхідобертання шляхом зниження максимальної швидність в інверторі; кості знижується коефіцієнт використання енергії 5 43161 6 вітру до h = 0,4, що характерно для 2-х, 3-х лопароколеса. Лопата закріплюється на маточині під тевих вітротурбін. кутом, достатнім для роботи при номінальній Відома конструкція вітроенергетичної установшвидкості вітру. Лопата складена: перехідник (6) ки «Сапсан-5,0», ЗАТ «Сапсан - енергія вітру». для кріплення до маточини, лопата і кінцевий елеРосійська Федерація, Москва. У цій конструкції мент лопати (7) - весь цей пакет стягається за долопата флюгера розташована вище вітроколеса, помогою внутрішньої тяги з різьбленням (на фігурі при наявності інших відзначених недоліків - у цьовнутрішня тяга і внутрішня конструкція лопати му випадку вітроколесо не затінює лопату, і флюумовно не показані). гер використовується більш ефективно для орієнЛопати (3) з їх складовими (6,7), маточина (5) і тації вітроколеса проти дії вітру. (Малая вал (4) утворюють вітроколесо вітроагрегата. энергетика. Анализ состояния и перспективы разЧерез шестірню (8) обертання передається на вития. Кукушкин В. И., Левенко А. С. - Д.: Артпідвищувальний планетарний редуктор (9), з'єднаПресс, 2005. - С. 58-60). ний з валом генератора (10). Коефіцієнт підвиВ іншій конструкції для підвищення ефективщення кількості оборотів у редукторі може складаності використання флюгера його хвостове опети, наприклад, 1:10, і він вибирається виходячи з рення (додатково) виконано у вигляді двох ромбообраної швидкості обертання вітроколеса і необвидних пластин, розташованих під кутом 45° [ВЕУхідної швидкості обертання вала ротора генерато0,5 - ВЕУ-5, НІЦ "ВІНДЕК", Російська Федерація, м. ра (10). Вироблювані генератором перемінний Москва (Малая энергетика. Анализ состояния и струм і трифазна напруга 380 В передаються на перспективы развития. Кукушкин В. И., Левенко А. контактний пристрій поворотного вузла кріплення С. - Д.: Арт-Пресс, 2005. - С. 62-63)]. Виконана в (11) вітроагрегата на вишці (2, Фіг.1). такий спосіб лопата флюгера вільно повертається Через шестірні (12, 13) обертання вала (4) пенавколо осі кріплення, демпфіруючи відхилення редається на допоміжний вал (14) зі збільшенням вітроколеса при окремих поривах вітру швидкості обертання допоміжного вала по віднозапобігається нишпорення вітроколеса при поришенню до валу (4) вітроколеса. вах вітру. На валу (14) монтується відцентровий регуляВідомі також інші конструкції вітрогенераторів тор Уатта, що складається з нерухомої втулки (15), з флюгерами [Ветрогенератор флюгерный, патент пружини (16), вантажів (17) і рухливої втулки (18), Российской Федерации RU № 2310091 СІ, 2007г; з'єднаної з рухливим елементом (19) гальмового патент Российской Федерации RU №2062352 СІ, пристрою, вантажі кріпляться до втулок (15, 18) 1996 г.; патент Франции №2286954 А1, 1976 г.]. тягами (20). При збільшенні швидкості обертання У ВЕУ ЛВ-5 лопату флюгера розташована в вала (14) вище розрахункової, вантажі відцентротакий же спосіб - вище вітроколеса - і вона має в вого регулятора при обертанні віддаляються від перетині V-подібну форму, де ромбовидні пластиосі обертання і підтягують по валу (14) рухливу ни розташовані під кутом 45°. втулку, стискаючи пружину (16), у результаті чого Відомі різні типі вітроагрегатів малої потужноз'єднаний з нею елемент (19) взаємодіє зі стаціості, як з розчалюванням вишки, так і у вигляді тенарним елементом гальмового пристрою (21), лескопічних конструкцій (www.vetrogenerator.rn). знижуючи швидкість обертання як допоміжного Для установки вітротурбіни ВЕУ ЛВ-5 на висоті до вала (14), так і вала вітроколеса (4). У такий спосіб 24 м застосовують складену трубну вишку, що обмежується максимальна швидкість обертання закріплють на елементах фундаменту без викоривітроколеса і підтримується номінальний режим стання тросових розчалювань. У фундаменті мовироблення електроенергії. жуть використовувати трубні палі. Товщина і зовВантажі (17) мають масу менше лопат (3), але нішній діаметр трубних секцій вишки збільшують обертаються в протилежну сторону стосовно навід фундаменту до вітроагрегату. прямку обертання лопат (3) з більшою швидкістю, Сутність корисної моделі пояснюється крескомпенсуючи виникаючі сили від обертання вітроленням на Фіг.1, 2. колеса (ефект стабілізатора). В корисній моделі, на відміну від прототипу, віПри досягненні буремної швидкості вітру, коли троагрегат (1, Фіг.1) установлюють на секційну безпечна експлуатація вітроагрегата неможлива, трубну вишку (2, Фіг.1.) без тросових розчалювань. під тиском вітру на лопаті (3) вал (4) зміщається, Це можливо завдяки правильно спроектованому стискаючи пружину (22), при цьому рухливий елефундаменту з заставними елементами у виді чомент гальмування і фіксації вала (23) взаємодіє зі тирьох трубних паль, до яких кріпиться нерухомо стаціонарним елементом гальмового пристрою нижня секція вишки. Наступні секції вишки кріп(21), що приводить до гальмування обертання ляться нерухомо. Товщина стінки і зовнішній діавала (4) аж до його зупинки і механічної фіксації в метр труб кожної секції збільшуються від фундастаціонарному елементі, закріпленому на рамі (24) менту до вітроагрегата. Розміри труб вибираються вітроагрегата. При зниженні сили вітру зусиллям виходячи з необхідної по навантаженнях стійкості стиснутої пружини (22) розфіксовується вал (4). вишки. Лопати (25) флюгера кріплять на щоглі (26) і На Фіг.2 показана конструкція корисної моделі розташовують вище лопат (3) вітроколеса. Лопати в двохлопатевому варіанті ВЕУ ЛВ-5. Під впливом (25) являють собою дві ромбовидні пластини, завітру лопата (3) - у варіанті дволопатевого чи трикріплені між собою по осі повороту А під кутом 45° лопатевого вітроагрегату - обертає вал вітроколеУ поперечному перерізі лопати утворюють Vса (4). Лопата незмінного по довжині профілю без образну фігуру. Лопати вільно повертаються відкрутки встановлюється нерухомо на маточині (5) носно осі А. У такий спосіб флюгер винесений за найпростішої конструкції, у якій кріпиться вал вітзону збурювань потоку повітря, створену обертан 7 43161 8 ням лопат (3) вітроколеса, і знаходиться в незбудодатково розширює діапазон швидкостей вітру, реному потоці, здійснюючи орієнтування вітрокопри якому виробляється якісна електроенергія, а леса проти напрямку дії вітру. Флюгер не реагує автоматична механічна фіксація (і наступна розфімиттєво на різкі пориви вітру, що компенсуються ксація) вала вітроколеса при буремному вітрі зі поворотами лопат (25) без передачі зусилля на зниженням парусності вітроколеса виключає необщоглу (26). Тим самим запобігається нишпорення хідність виводу усього вітроколеса з потоку вітру; вітроколеса при поривах вітру. - відсутність тросових розчалювань при обраВнутрішні механізми ВЕУ ЛВ-5 захищені від ній конструкції вишки виключає можливу нестійзовнішніх впливів корпусом (27), закріпленим на кість конструкції. рамі (24). Відомості, які підтверджують можливість здійШестірні планетарного редуктора (9), а також снення винаходу шестірні, установлені на валах (8, 12, 13), можуть Корисна модель може використовуватися як бути неметалічними з низьким коефіцієнтом тертя автономний вітроагрегат для виробництва електдля усунення необхідності застосування мастильроенергії. Вартість її виготовлення нижча від проних матеріалів. тотипу, технологія виробництва спрощена. КорисВ порівнянні з прототипами корисна модель на модель може виготовлятися як в умовах має переваги: машинобудівних підприємств, так і в умовах різних -корисна модель орієнтовно вдвічі дешевша за промислових площадок без застосування для збипрототип однієї з нею потужності; рання складної техніки. -орієнтація вітроколеса проти напрямку дії вітЛопата спрощеної аеродинамічної форми мору здійснюється більш ефективно і без нишпоренже виготовлятися з конструкційної пластмаси за ня при поривах вітру за рахунок винесення Vтехнологією, застосовуваною для виготовлення образної вільно закріпленої на щоглі лопати флюелементів металопластикових віконних рам: шлягера вище вітроколеса; хом екструзії при незмінних по довжині зовнішньо-використання відцентрового регулятора, ванму і внутрішньому профілях лопати і без її крутки. тажі якого обертаються в протилежну сторону стоДжерела інформації: совно напрямку обертанню вітроколеса, стабілізує 1. Малая энергетика. Анализ состояния и перобертання вітроколеса; спективы развития. Кукушкин В. И., Левенко А. С. -використання гальмового пристрою з керуД.: Арт-Пресс, 2005. - 100 с. ванням від відцентрового регулятора для обме2. 1. МеркинД. Р. Введение в теорию устойчиження збільшення швидкості обертання вітроколевости движения. - М.: Наука, 1971. - с.114. са і вала ротора генератора забезпечує 3. Інтернет-публікація ru-patent.info номінальний режим вироблення електроенергії; 4. Інтернет-публікація www.ntpo. corn/patents -застосування підпружиненого вала вітроколеelektricity са з автоматичним гальмуванням його обертання 5. Інтернет-публікація ru.wikipedia.org при перевищенні розрахункової швидкості вітру 9 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 43161 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601