Вітроелектричний агрегат

1. Вітроелектричний агрегат, який містить установлену на нерухомій опорі поворотну головку з основним вітроколесом, вісь обертання якого по суті розташована горизонтально, перетворювач енергії, виконаний у вигляді рознесених по лопатях основного вітроколеса генераторів з їхньою кабельною мережею, а також додаткові вітроколеса, кінематично з’єднані з відповідними генерато 3 нічного обслуговування. Відомий вітродвигун (патент США № 5 151 610, F03D1/00, публ. 1992.09.29), що містить генератори, основне вітроколесо з горизонтальною віссю обертання, що установлено на нерухомій опорі і споряджено додатковими вітроколесами, які закріплено на валах генераторів і мають діаметр менший, ніж діаметр основного вітроколеса. У цьому вітроагрегаті генератори розташовані переважно на кінцях лопатей основного вітроколеса симетрично щодо осі його обертання. Основне вітроколесо рухає додаткові вітроколеса через повітряний простір при значно більшій швидкості, чим швидкість вітру і це дозволяє використовувати швидкохідні генератори без застосування мультиплікаторів. Головною метою створення такого вітроагрегату є досягнення найбільшої швидкості обертання додаткових вітроколіс для використання без мультиплікаторів швидкохідних, легких і дешевих генераторів. Тому додаткові вітроколеса розташовані на кінцевих частинах лопатей переважно на самому кінці лопатей основного вітроколеса, де лінійна швидкість їхнього проходження через повітряний простір максимальна. Однак, це раціонально для вітроагрегатів невеликої потужності (від 3 до 100 кВт), діаметр основного вітроколеса яких не перевищує 20 м. Для вітроагрегатів великої потужності, які мають діаметр основного вітроколеса більш ніж 20 м, різко зростають навантаження на лопаті внаслідок зростання відцентрових сил, що діють на розташовані далеко від осі обертання основного вітроколеса генератори і додаткові вітроколеса. Збільшення товщини силових елементів лопатей основного вітроколеса для збільшення їхньої міцності приводить до зростання їхньої власної ваги і, відповідно, до додаткового зростання відцентрових сил. До тогож, при розміщені додаткових вітроколіс на кінцевих частинах лопатей суттєво зменшується їх ККД, що обумовлено неоптимальними умовами їх обтікання повітряним потоком. Таким чином у цьому відомому вітроагрегаті використовуються швидкохідні генератори, але зазначені недоліки викликають збільшення ваги лопатей вітроколеса та його маточини, а також інших вузлів цього вітроагрегату, які призводять до збільшення вартості самого вітроагрегату і собівартості виробленої ним електроенергії, а також до зменшення його надійності. Найбільш близьким по технічній суті і досягаемому ефекту, до пристрою, що заявляється є вітродвигун по патенту UA №75359 С2 (МІЖ [2006] F03D 1/00, публікація від 2006.17.04). Він містить установлену на нерухомій опорі поворотну головку з основним вітроколесом, вісь обертання якого по суті розташована горизонтально, перетворювач енергії, виконаний у вигляді рознесених на лопатях основного вітроколеса генераторів з їхньою кабельною мережею, а також додаткові вітроколеса, що кінематично з'єднані з відповідними генераторами. У цьому вітроагрегаті лопаті встановлені шарнірно на маточині поворотної головки, генератори розміщені на відстані від 0,4 до 0,8 довжини лопаті від осі обертання вітроколеса, а додаткові вітроколеса розміщені на валах генераторів. Під 86606 4 час роботи вітродвигуна його включення, підтримка швидкості обертання вітроколеса і зупинка відбувається за рахунок повороту лопатей основного вітроколеса навколо своїх повздовжніх осей. Головною метою цього вітроелектричного агрегату є зменшення вартості вітроагрегату і собівартості виробленої ним електричної енергії шляхом розміщення генераторів і додаткових вітроколіс у зоні, де додаткові вітроколеса мають високий ККД, а відцентрові сили, які діють на генератори, є відносно невеликі і тому нема потреби збільшувати міцність лопатей. Недоліком цього вітроелектричного агрегату є великі розміри, вага і вартість шарнірів лопатей на основному вітроколесі, що розміщені на маточині поворотної головкі основного вітроколеса, і пристроїв їх повороту і, збільшення розмірів, ваги і вартості маточини вітроколеса, що ажає зменшенню вартості вітроагрегату. Зазначене обумовлене наявністю генераторів на шарнірно встановлених на маточині основного вітроколеса лопатях і дією на ці шарніри великих відцентрових сил і згинальних моментів, що в свою чергу обумовлює великі сили тертя у шарнірах і потребує потужних пристроїв повороту лопатей. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення відомого вітроелектричного агрегату шляхом зміни конструкції основного вітроколеса, яка забезпечує зменшення навантажень на його вузли і їх ваги, що підвищує його надійність і забезпечує зменшення вартості вітроагрегату, а також шляхом оптимального розміщення на ньому додаткових вітроколіс для підвищення ККД вітроелектричного агрегату. Поставлене дання вирішується тим, що у відомому вітроелектричному агрегаті, який містить установлену на нерухомій опорі поворотну головку з основним вітроколесом, вісь обертання якого по суті розташована горизонтально, перетворювач енергії, виконаний у вигляді рознесених по лопатях основного вітроколеса генераторів з їхньою кабельною мережею, а також додаткові вітроколеса, що кінематично з'єднані з відповідними генераторами, згідно з винаходом лопаті основного вітроколеса споряджені кінцевими частинами, які виконані з можливістю повороту навколо своєї поздовжньої осі, генератори розміщені наприкінці нерухомих частин лопатей, а додаткові вітроколеса розміщені назустріч повітряному потоку на відстані від 0,25 до 0,35 діаметра основного вітроколеса від осі його обертання з відхиленням осей їхнього обертання відносно площини перпендикулярної до осі обертання основного вітроколеса на кут V g = (0,7 ¸ 1,0 )arctg ном градусів, w×L де Vном - номінальна швидкість вітрового потоку; L - відстань від осі обертання основного вітроколеса до осі обертання додаткового вітроколеса; w - кутова швидкість обертання основного вітроколеса при номінальній швидкості вітрового потоку. У переважному варіанті кінцеві частини лопатей основного вітроколеса шарнірно встановлені 5 на корпусах генераторів і споряджені пристроями їхнього повороту. Спорядження лопатей основного вітроколеса кінцевими частинами, які виконані з можливістю повороту навколо своєї поздовжньої осі, і розміщення генераторів наприкінці нерухомих частин лопатей, дозволяє уникнути потреби повороту генераторів навколо поздовжньої осі лопаті і, відповідно, виключити шарніри між маточиною основного вітроколеса і його лопатями. Це дозволяє використовувати малі за розміром, легкі і дешеві шарніри, а також пристрої повороту кінцевих частин лопатей із такими перевагами, дяки дії на них навантажень лише з боку кінцевих частин лопатей, що підвищує надійність вітроелектричного агрегату. Таке рішення зменшує розміри і вагу маточини основного вітроколеса, що веде до зменшення ії вартості. Нерухоме закріплення лопатей основного вітроколеса на його маточині призводе до постійної дії на них крутильного моменту як підчас його обертання, так і під час зупинки. Тому довжина рухомих кінцевих частин лопатей повинна бути такою, щоб при потребі вони могли надійно зупинити вітроколесо і в той же час їх довжина повинна бути мінімальною для зменшення навантажень на шарніри. Розміщення додаткових вітроколіс на відстані від 0,25 до 0,35 діаметра основного вітроколеса від осі його обертання, обумовлює довжину кінцевих частин відповідно від 0,15 до 0,25 діаметра основного вітроколеса, що є достатньою для надійної зупинки вітроколеса навіть при відмові одного або кількох пристроїв повороту кінцевих частин лопатей. Зазначена довжина кінцевих частин лопатей одночасно забезпечує найменші навантаження на шарніри і пристрої повороту кінцевих частин, що також підвищує надійність вітроелектричного агрегату. Таким чином, підвищення надійності забеспечується як за рахунок зменшення навантажень на шарніри, які використовуються у вітроколесі, так і за рахунок забезпечення зупинки вітроколеса навіть при відмові одного або кількох пристроїв повороту лопатей. Місце розміщення додаткових вітроколіс вибирається у залежності від кількості лопатей основного вітроколеса і кількості допустимих відмов функціювання пристроїв повороту кінцевих частин лопатей. 86606 6 Розміщення додаткових вітроколіс назустріч повітряному потоку і з відхиленням осей їхнього обертання відносно площини, що перпендикулярна до осі обертання основного вітроколеса, на кут V g = (0,7 ¸ 1,0 )arctg ном градусів, w×L дозволяє забезпечити найбільший ККД додаткових вітроколіс при їх розміщені на нерухомих частинах лопатей. Шарнірне встановлення кінцевих частин лопатей основного вітроколеса на корпусах генераторів і спорядження їх пристроями повороту у сукупності з розміщенням генераторів наприкінці нерухомих частин лопатей дозволяє, використовувати корпуси генераторів як частини лонжеронів лопатей, зменшуючи вагу і вартість лонжеронів, а також розміщувати вісь обертання роторів генераторів уздовж лопатей, кінематично з'єднуючи їх з додатковими вітроколесами за допомогою передачі з двох конічних зубчастих коліс. При розміщенні генераторів уздовж лопатей корпуси їх статорів мають значно більшу міцність, що дозволяє зменшити ії вагу, одночасно забезпечуючи потрібну жорсткість. До того ж, зазначений діапазон відстаней розміщення додаткових вітроколіс від 0,25 до 0,35 діаметра основного вітроколеса, який обумовлений забезпеченням надійної роботи вітрагрегату, і від якого залежить довжина кінцевих частин лопатей основного вітроколеса, співпадає з діапазоном, де додаткові вітроколеса мають найвищий ККД, обумовлений коефіцієнтом Cn перетворення потужності вітрового потоку (табл.1 і фіг. 4), а розміщенні у цьому діапазоні генератори діють з найменшою силою на лопаті (Fц, фіг. 4) у будь-яких варіантах виконання вітроелектричного агрегату. В таблиці 1 наведена залежність значень коефіцієнта Cn перетворення потужності вітрового потоку і відцентрової сили Fц, яка діє на генератори у залежності від відносного місця їх розміщення L генераторів і додаткових вітроколіс, а також інших пов'язаних з цим параметрів для вітроелектричного агрегату потужністю 750 кВт. На фіг. 4 представлені відповідні криві залежності основних параметрів цього вітроелектричного агрегату, що зазначені у таблиці 1. Таблиця 1 1 2 4 5 6 7 8 Параметр, розмірність L - відносна відстань від осі основного вітроколеса до місця розташування генератора і додаткового вітроколеса (по відношенню до діаметра основного вітроколеса) R - радіус розташування генераторів і додаткових вітроколіс, [м] nх - відносне перевантаження, [g] nx = R*w2 mген - маса генератора, [кГ] Fц - відцентрова сила, [кГ] Fц=mген*nx=m ген*R*w2 V - лінійна швидкість додаткового вітроколеса, [м/с] V=R*w Cn - коефіцієнт перетворення потужності додаткового вітроколеса Значення параметра 0,2 0,243 0,4 10,81 13,1 21,6 12 338 39800 35,6 14,2 234,7 32751 43,2 23,85 168 39422 71,2 0,3 0,32 0,2 7 Технічна сутність винаходу пояснюється фігурами графічних зображень і описом принципу його роботи. На фіг.1 і фіг.2 представлений загальний вигляд вітроелектричного агрегату. На фіг. 3 зображена частина лопаті основного вітроколеса на якій встановлено генератор з додатковим вітроколесом. На фіг.4 представлені криві залежності значень відносного коефіцієнта вартості і інших параметрів від місця розміщення генераторів і додаткових вітроколіс. Вітроелектричний агрегат містить установлену на нерухомій опорі 1 (фіг. 1) поворотну головку 2 з основним вітроколесом 3, вісь обертання а - b, якого розташована горизонтально, а лопаті 4 споряджені поворотними кінцевими частинами 5, перетворювач енергії, виконаний у вигляді генераторів 6, додаткові вітроколеса 7, які розміщені на відстані L (фіг.2), що дорівнює від 0,25 до 0,35 діаметра основного вітроколеса D, від осі його обертання а - b (фіг. 1) з відхиленням осей їхнього обертання відносно площини с - е (фіг.З), перпендикулярної до осі обертання основного вітроколеса а - b на кут V g = (0,7 ¸ 1,0 )arctg ном градусів, w×L де Vном - номінальна швидкість вітрового потоку; L - відстань від осі обертання основного вітроколеса а - b до осі обертання додаткового вітроколеса; w - кутова швидкість обертання основного вітроколеса при номінальній швидкості вітрового потоку, при цьому кінцеві частини 5 (фіг. 2) лопатей основного вітроколеса З встановлені за допомогою шарнірних вузлів 8 на корпусах генераторів. Кріплення лопатей 4 виконано до маточини основного вітроколеса 3. На фіг. 2 генератори 6 розміщені так, що вісь обертання їх роторів перпендикулярна повздовжній вісі лопаті 4. Імовірно варіант, коли вісь обертання ротора генератора збігається із напрямком повздовжньої вісі лопаті 4 (на фігурах не показано). У такому випадку генератор з'єднано з додатковим вітроколесом 7 через передачу із двома конічними зубчатими колесами, яка може мати передаточне відношення від 5 до 7, що зумовлює використання більш швидкохідних генераторів, ніж у випадку, що показано на фіг. 2. Робота пристрою, який заявляється, відбувається наступним чином. Під дією вітру лопаті основного вітроколеса 3 (фіг. 1, фіг. 2) обертаються 86606 8 разом з закріпленими на їх нерухомих частинах 4 генераторами 6, на валах яких закріплені додаткові вітроколеса 7. дяки руху додаткових вітроколіс 7 по колу на них діє сумарний потік повітря, який складається з швидкості вітру та швидкості руху додаткових вітроколіс 7 по колу і тому значно перевищує швидкість вітру, що забезпечує швидкість обертання додаткових вітроколіс 7 достатню для використання швидкохідних генераторів 6 без редукторів. При змінах напрямку вітру поворотна головка 2 постійно орієнтується на вітер.При змінах швидкості вітру рушії повертають кінцеві частини 5 (фіг. 2) і підтримують необхідну швидкість обертання вітроколеса 3, при цьому на шарніри 8 діють відцентрові сили і згинальні моменти тільки від кінцевих частин 5, які мають мінімальну, але достатню для надійної роботи і зупинки вітроколеса 3 довжину і, відповідно, мінімальну вагу, дяки розміщенню генераторів 6 і додаткових вітроколіс 7 на відстані L від 0,25 до 0,35 D (у залежності від конкретного виконання вітроелектричного агрегату) від осі обертання а - b (фіг. 1) основного вітроколеса 3. Для надійної зупинки вітроколеса з трьома лопатями при умові допущення відмови двох пристроїв повороту кінцевих частин лопатей і найменшої ваги вітроколеса, додаткові вітроколеса повинні бути розміщені на відстані 0,25 діаметра основного вітроколеса від осі його обертання, а для вітроколеса з двома лопатями при умові надійної роботи обох пристроїв повороту кінцевих частин лопатей на відстані 0,35 діаметра основного вітроколеса. Розміщення додаткових вітроколіс 7 з відхиленням осей їхнього обертання відносно площини перпендикулярної до осі обертання основного вітроколеса 3 на кут V g = (0,7 ¸ 1,0 )arctg ном градусів, w×L забезпечує їх високий ККД незважаючи на те, що частини лоптей 4 на яких вони розміщені закріплені на маточині нерухомо. Для зупинки вітроелектричного агрегату рушії повертають кінцеві частини лопатей 5 (фіг. 2) у положення, в якому вони створюють крутильний момент достатній для протидії крутильному моменту від нерухомих частин лопатей 4. Таким чином, вітроелектричний агрегат, який заявляється, відповідає критеріям винаходу "новизна", "винахідницький рівень", "промислова придатність". 9 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 86606 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