Вітроенергетична установка з вертикальним ротором

1. Вітроенергетична установка з вертикальним ротором, у якій ротор виконаний у вигляді двох співвісних циліндрів з великою кількістю вертикальних пластинчастих лопатей, закріплених на них з постійним кроком, яка також містить вал обертання ротора, зв’язаний з електрогенератором через механічний підвищуючий редуктор, яка відрізняється тим, що циліндри ротора обертаються у протилежних напрямах, для чого у нижньому циліндрі лопаті повернуті на кут, протилежний куту, на який повернуті лопаті, що встановлені у верхньому циліндрі, а також вал нижнього циліндра виконаний пустотілим та через нього проходить 3 25573 рює вітроколесо під час тиску на нього повітряного потоку. Отже, великі габаритні розміри установки зумовлені невдосконаленістю її конструкції. Слід також зазначити, що система охолодження електричного генератора також має складну конструкцію, оскільки генератор встановлений на поворотній частині платформи, внаслідок чого, обертається разом з опорами під час повороту вітроколеса «на вітер». Це викликає технічну необхідність приймати заходи, що виключають сплутування охолоджуючих трубопроводів. Таким чином, використання двоопорного ексцентрично встановленого вітроколеса велосипедного типу, а також розміщення електрогенератора на поворотній частині башти вітродвигуна, у сукупності, приводить до значного збільшення габаритів та ваги відомої вітроенергетичної установки, а також до нерівномірності тиску вітрового потоку на вітроколесо через часткове його «затінення» передньою опорою, що розташована попереду вітроколеса. Цей недолік усунений у вітроенергетичній установці, яка містить вітроколесо крильчастого типу з поворотними лопатами, консольні кінці яких зв’язані з центральною втулкою вітроколеса за допомогою розтяжок. Поворотна головка з вітроколесом встановлена на вершині вертикальної башти. Обертаючий момент передається з валу вітроколеса через конічну пару і карданний вал на вертикальний вал і, далі, до фундаменту башти на електрогенератор. Встановлення вітроколеса «на вітер» здійснюється за допомогою хвосту, який поворотне встановлений на підшипникових опорах для попередження поперечних коливань. В конструкції установки передбачений механізм примусового складання хвосту відносно вертикальної осі башти для виводу вітроколеса з-під вітру при його буряних швидкостях [див. патент США №43705610 з класу F03D7/04 опублікований 13.09.83p.]. Одним з суттєви х недоліків відомої вітроенергетичної установки є те, що її робота викликає значний аеродинамічний шум, поява якого зумовлена наявністю розтяжок попереду лопат вітроколеса. До того ж, зазначені розтяжки порушують ламінарність повітряного потоку, безпосередньо перед вітроколесом, а турбулентний потік, як відомо, знижує ефективність роботи вітроприймального пристрою - його потужність знижується, оскільки тиск повітря на лопати зменшується та становиться нерівномірним. Другим недоліком цієї вітроенергетичної установки є досить низький коефіцієнт використання енергії повітряного потоку. Наявність цього недоліку пояснюється наступним. По-перше, оскільки вал вітроколеса розташований горизонтально, а електрогенератор розташований біля фундаменту башти, то для передачі обертового моменту від валу вітроколеса до електрогенератора використовується конічна пара, карданний вал та вертикальний для зміни напряму обертання (з горизонтального до вертикального). Але передача механічної енергії через конічну пару неефективна, принаймні, внаслідок низького коефіцієнту корисної дії зубчастих конічних передач та високого коефіцієнту тертя у конічній парі, яка, до того ж, при великих швидкостях обертання утворює значний шум. 4 Цей недолік, а саме, необхідність зміни напряму обертового моменту, а також недолік, вказаний раніше, а саме, необхідність повороту головки «на вітер», є завжди присутніми, майже для всіх вітроенергетичних установок такого типу, тобто установок з лопатевими вітроколесами з горизонтальним валом обертання. Саме такі установки мають досить складні вузли повороту головки та вузол зміни напряму обертового моменту, що суттєво їх ускладнює, збільшує габарити та знижує експлуатаційні характеристики, зокрема, надійність, коефіцієнт використання енергії вітру та збільшує вартість. Тому отримали розповсюдження вітроенергетичні установки других типів, які поєднує те, що вони мають вертикальний вал обертання вітроприймального пристрою, у якості якого можуть бути використані різні конструкції ротора Дар’є, ортогональні ротори, ротори Савоніуса, та звичайні багато лопатеві вертикальні ротори. Щодо роторів Дар’є та ортогональних роторів, то їх треба спочатку розігнати до мінімальної швидкості обертання. Для цього їхні електрогенератори, звичайно, спочатку працюють у режимі електродвигуна, що розганяє ротор, а лише потім його переключають у режим електрогенератора для вироблення електроенергії. Ця особливість таких вітроенергетичних установок знижує їхню ефективність, потребує певного обслуговування, а враховуючи досить високу конструктивну складність самого ротору (вони мають аеродинамічні профілі лопатей), ці вітроенергетичні установки поки-що не знаходять певного розповсюдження. Отже, серед вітроенергетичних установок з вертикальним валом обертання вітроприймального пристрою, у якому лопаті також розташовані вертикально, найбільш широке застосування на практиці знаходять установки, у яких вітроприймальник виконаний у вигляді ротора Савоніуса або із звичайними радіальними лопатами. Але у всі х вітроенергетичних установок з вертикальним ротором є одна проблема, сутність якої полягає у наступному. Повітряний потік, що набігає, створює певний тиск на весь ротор, але тільки одна частка лопат створює обертовий момент на валу, а саме та, що знаходиться з одного боку від осі, оскільки лопаті, що знаходяться з іншого боку від осі, рухаються назустріч вітр у та чинять опір обертанню ротору. Тому цю частину ротору приховують або «притінюють» різноманітними пристроями. Наприклад, відома вітроенергетична установка з вертикальним ротором, який містить встановлене на вертикальному валу вітроколесо, що виконане у вигляді циліндричного ободу, на зовнішній поверхні якого радіально закріплені лопаті, та розташований коаксіально йому спрямовуючий апарат, виконаний у вигляді лопаток, які закріплені нерухомо і розташовані відносно вітроколеса таким чином, що їхні проекції на плоскість перерізу вітроколеса за діаметром перекривають одна другу [див. патент України №7315 з класу F03D1/04 опублікований 30.06.95p.]. Основним недоліком відомої вітроенергетичної установки невдосконаленість конструкції спря 5 25573 мовуючого апарату. Цей недолік обумовлений наявністю в апараті великої кількості лопаток, що занадто підвищує тр удомісткість його виготовлення, а розташування цих лопаток під певним кутом збільшує діаметр вітроприймальника на 20%, що призводить до збільшення його габаритів за діаметром та ваги у цілому. Враховуючи, що ротор звичайно встановлюють на щоглі, збільшення його ваги та габаритів, вимагає використовува ти більш міцнішу щоглу, оскільки зростає згинаючий момент та опір повітряному потоку. Тому подальше вдосконалення вітроенергетичних установок такого класу пішло шляхом зменшення спрямовуючого апарату за рахунок принципової зміни його конструкції. Так, наприклад, відома вітроенергетична установка з вертикальним ротором, у якості якого обрано ротор Савоніуса з вертикальною віссю обертання, виготовлений у вигляді вертикального вала, вертикальними лопатями, причому ротор виконаний двосекційним з однаковим напрямом обертання кожної секції, а також ротор розташований в середині поворотного циліндричного дефлектораконцентратора з вікнами на боковій поверхні, виконаними симетричними з кутом розхилу 80-110°, а дефлектор-концентратор розміщений між верхнім и нижнім концентраторами вітрового потоку, виконаними у вигляді урізаних конусів з гострим кутом, що сполучені між собою жорстко вертикальними опорами, розташованими на платформі, а на верхньому концентраторі вітрового потоку встановлений прилад орієнтації за вітровим потоком, кінематично зв’язаний з поворотним приладом дефлектора-концентратора [див. патент України №35530 з класу F03D3/00, F03D3/06 опублікований 15.03.2001p.]. Основним недоліком відомої вітроенергетичної установки є невелика її установча потужність, що зумовлено неможливістю збільшення розмірів ротору такого типу (Савоніуса). Це обумовлено, щонайменше, двома обставинами. По-перше. Лопать Савоніуса має складний профіль, що викликає певні труднощі його виготовлення великих розмірів, зокрема, великої довжини. Саме з цієї причини автори відомої вітроенергетичної установки роблять його багатосекційним (щоб уникнути великої довжини однієї лопаті). Також, при виготовлені такої складнопрофільної лопаті значної ширини, потрібно використовувати нестандартне обладнання. Більш за те, установки з малою кількістю лопатей Савоніуса (а їх у відомій установці всього дві), як загальновідомо, відносяться до швидкохідних. Якщо ротор Савоніуса такої установки зробити великим (для збільшення потужності, яка залежить від розмірів ротора), то непропорційно зростає відцентрова сила, яка може розірвати ротор, тобто зробити установку небезпечною. Тому вітроенергетичні установки з ротором Савоніуса завжди мають невеликий розмір, що виключає отримання від них великої потужності. Оскільки сьогодні, майже індивідуальний споживач, потребує великого енергопостачання через наявність у власності потужної побутової та іншої техніки, відома вітроенергетична установка, з-за невеликої потужності не є привабливою для купівлі, а це 6 означає, що й недоцільною до виготовлення у серійному виробництві. Цей недолік усунений у вітроенергетичних установках з багатолопатевими роторами з вертикальною віссю обертання різноманітних конструкцій. Найбільш близькою за своєю суттю та ефекту, що досягається, і яка приймається за прототип, є вітроенергетична установка з вертикальним ротором, у якій ротор виконаний у вигляді двох співвісних циліндрів з багатою кількістю вертикальних пластинчастих лопатей, закріплених на них з постійним кроком перпендикулярно радіусу, причому обидві циліндри мають спільну вісь обертання, завдяки якої обертаються разом у один бік, а також вал обертання циліндрів пов’язаний з електрогенератором через механічний підвищуючий редуктор. У якості електрогенератора використаний звичайний електродвигун постійного струму. Ця установка має секційний напрямний прилад, який складається з двох жорстко сполучених між собою сегментних обичайок, з однаковими направленими кутами, які охоплюють ротор і зв’язані з флюгерним планом, який слугує для орієнтації напрямного приладу за вітром [див. патент Німеччини №3734106 з класу F03D3/06 опублікований 27.04.1989p.]. Основним недоліком відомої вітроенергетичної установки є те, що вона модулює низькочастотну вібрацію, яка, як загальновідома, небезпечна для людини, причому вказана вібрація виникає незважаючи на присутність чи відсутність напрямного пристрою будь-якої конструкції, оскільки її поява обумовлена роботою самого ротору. При цьому немає сенсу який ротор використовується: чи це ротор Савоніуса, чи це багатолопатевий ротор. Справа в тому, що вітровий потік навантажує лопать по різному у залежності від кута її нахилу по вітрового потоку. Оскільки лопаті постійно обертаються навколо валу, то вони, звичайно, кожну мить опиняються під різним кутом до напряму повітряного потоку, одна частка якого штовхає лопать, а друга складова тиску діє в напрямі до валу, викликаючи в ньому появу згинаючого моменту, через який вал постійно знаходиться у циклічному режимі згинаючого навантаження, що і викликає появу низькочастотної вібрації. Амплітуду коливань валу можна знизити шляхом збільшення кількості лопатей, але це не усуває вібрації. Циклічні коливання валу швидко приводить до втомленості металу, з якого він виготовлений, що зменшує ресурс безпечної роботи вітроенергетичних установок роторного типу. Отже, другим недоліком відомої вітроенергетичної установки є обмеженість ресурсу її безпечної експлуатації з-за можливості поламання валу, що, у свою чергу, потребує постійного наглядання за технічним станом установки, яке пов’язане зі складним вимірюванням властивостей валу. Всі перелічені негативні явища роблять відому вітроенергетичну установку небезпечною, особливо при поривах вітру та при буряних вітрах, та незручною у експлуатації. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення терміну безпечної експлуатації вітроенергетичної установки роторного типу з одночас 7 25573 ним усуненням низькочастотної вібрації за рахунок створення врівноважуючих коливань тиску однакових за величиною, але протилежних за знаком (за напрямом дії) шляхом зміни напряму обертання одного з двох циліндрів ротору на протилежний. Рішення поставленої задачі досягається тим, що у вітроенергетичній установці з вертикальним ротором, у якій ротор виконаний у вигляді двох співвісних циліндрів з багатою кількістю вертикальних пластинчастих лопатей, закріплених на них з постійним кроком, а також вал обертання ротору зв’язаний з електрогенератором через механічний підвищуючий редуктор, згідно з пропозицією, зазначені циліндри ротору обертаються у протилежних напрямах, для чого у нижньому циліндрі лопаті повернути на кут, протилежний ніж лопаті, що встановлені у вер хнім циліндрі, а також вал нижнього циліндру виконаний пустотілим та через нього проходить вал верхнього циліндру, який зв’язаний через редуктор з електрогенератором. Завдяки протилежному напряму обертання циліндрів ротору з’являється можливість відмовитися від механічного підвищуючого редуктору, оскільки відносна швидкість обертання циліндрів один проти другого зростає у два рази та її вистачатимуть для роботи електрогенератора без механічного редуктору, якщо ротор генератора приєднати до валу одного циліндру, а статор генератору приєднати до валу іншого циліндру. Це дозволяє підвищити коефіцієнт використання енергії вітрового потоку установкою. Завдяки протилежному напряму обертання циліндрів ротору, можливий і інший варіант отримання електричного струму: до валу кожного циліндру підключити незалежний генератор, та саме так задовольняти потреби разом двох споживачів. Крім того, для спрощення конструкції генератора, його ротор (або статор) можна виконати у вигляді набору радіальних парних постійних магнітів, встановлених з чергуванням магнітної полярності у осьовому напрямі, а статор (або ротор) -у вигляді набору такої ж кількості феромагнітних сердечників з котушками індуктивності, виводи яких з’єднані згідно-послідовно. Оскільки обидві циліндри відрізняються один від іншого лише кутом встановлення лопатей, то вони врівноважують один другого при обертанні та компенсують згинаючий момент на валу, що дозволяє експлуатувати установку при будь-якій силі вітру без вібрацій. Крім того, обертання циліндрів у різних напрямах дозволяє розширити технічні можливості установки взагалі шляхом відмови від механічного редуктора, або використовувати одночасно два електрогенератора, нехай і з механічними редукторами: все однак коефіцієнт використання енергії вітру зростає. Подальша сутність корисної моделі пояснюється ілюстративним матеріалом, на якому зображене наступне: Фіг.1 - загальний вигляд збоку на вітроенергетичну установку, що пропонується. Варіант, коли нижній циліндр не використовується для вироблення енергії, а тільки стабілізує роботу установки; Фіг.2 - переріз верхнього циліндру ротора; Фіг.3 - переріз нижнього циліндру; Фіг.4 - загальний вигляд збоку на вітроенергетичну устано 8 вку, що пропонується. Варіант, коли нижній циліндр використовується окремо для вироблення енергії; Фіг.5 - загальний вигляд збоку на вітроенергетичну установку, що пропонується. Варіант, коли верхній циліндр зв’язаний з ротором, а нижній циліндр - зі статором; Фіг.6 - схема електрогенератора, вигляд зверху. Вітроенергетична установка, що пропонується, містить опорну ферму 1, на якій вертикально встановлений багатолопатевий ротор, що складається з співвісних верхнього циліндру 2 та нижнього циліндру 3. Вказані циліндри 2 і 3 зовні мають однакову конструкцію, що складається з торцевих кілець 4, між якими вертикально розташовані пластинчасті вгнуті лопаті 5. Лопаті 5 встановлені з постійним кроком та під певним кутом. Кожний з циліндрів 2 і 3 мають однакову кількість однакових за розмірами лопатей 5, а також вони на обох циліндрах 2 і 3 встановлені з однаковим кроком та під однаковим кутом. Різниця лише в тому, що в нижньому циліндрі 3 лопаті 5 повернути на кут, протилежний ніж лопаті 5, що встановлені у верхнім циліндрі 2, що забезпечує обертання циліндрів 2 і 3 у протилежних напрямах. Завдяки цьому згинаючи сили, що виникають під час обертання верхнього циліндру 2, повністю компенсуються згинаючими силами, що виникають під час обертання нижнього циліндру 3, оскільки згинаючі сили, що виникають у обох циліндрах 2 і 3 абсолютно однакові за величиною, але абсолютно протилежні за напрямом дії, тому й повністю врівноважуються. Вертикальний вал 6 обертання нижнього циліндру 3 виконаний пустотілим (трубчастим, порожнистим) і через нього проходить вертикальний вал 7 верхнього циліндру 2, що забезпечує співвісність обох циліндрів 2 і 3 незалежно один від другого. Вертикальний вал 7 верхнього циліндру 2 зв’язаний з електрогенератором 8 через механічний підвищуючий редуктор, який схематично зображений у вигляді зубчастій передачі 9. У цьому варіанті виконання вітроенергетичній установки нижній циліндр 3 не використовується для вироблення енергії, оскільки не зв’язаний з електрогенератором 8. У цьому випадку він призначений лише для стабілізації роботи установки (Фіг.1). Оскільки нижній циліндр 3 обертається незалежно від верхнього циліндра 2, він може бути самостійно наділений аналогічним електрогенератором 8 і зв’язаний з ним через аналогічну зубчасту передачу 9. У цьому варіанті виконання вітроенергетичній установки нижній циліндр 3 вже використовується одночасно і для вироблення електроенергії і для стабілізації роботи установки (Фіг.4). У цьому випадку одна вітроенергетична установка може задовольняти потреби вже двох споживачів, або одного двома джерелами електропостачання. Обертання циліндрів 2 і 3 у різних напрямах з’являється можливість відмовитися від механічного підвищуючого редуктору, оскільки відносна швидкість обертання циліндрів 2 і 3 один проти другого зростає у два рази та такої швидкості вже вистачає для роботи електрогенератора 8 без механічного редуктору. Для цього ротор електрогенератора 8 приєднують, наприклад, до вертика 9 25573 льного валу 7 верхнього циліндру 2, а статор електрогенератора 8 - до вертикального валу 6 нижнього циліндру 3 (Фіг.5). У всіх перелічених варіантах виконання установки один з циліндрів 2 або 3 завжди виконує функцію стабілізатора її роботи, а у останніх двох варіантах виконання - ще і підвищується коефіцієнт використання енергії вітрового потоку, оскільки нижній циліндр 3 також приймає участь у виробленні електроенергії. Для спрощення конструкції електрогенератора 8, його ротор 10 можна виконати у вигляді набору радіальних парних постійних магнітів 11, встановлених з чергуванням магнітної полярності у осьовому напрямі, а статор 12-у вигляді набору такої ж кількості феромагнітних сердечників 13 з котушками індуктивності 14, виводи яких з’єднані згіднопослідовно для складення в них електрорушійний сили. Подальша сутність корисної моделі пояснюється спільно з принципом роботи запропонованої вітроенергетичної установки при оснащенні її електрогенератором 8 магнітної конструкції, про яку сказано вище, оскільки робота зі звичайним електрогенератором 8 або двигуном постійного струму добре відома і неодноразово описана у сотнях патентах. Вітровий потік обдуває лопаті 5 верхнього циліндра 2 і нижнього циліндра 3. Під впливом тиску повітря циліндри 2 і 3 обертаються у протилежних напрямах і перетворюють кінетичну енергію вітру у обертальний рух вертикальних валів 6 і 7, які також обертаються у протилежних напрямах. Обертання зазначених вузлів установки у протилежним напрямах повністю усуває низькочастотну вібрацію та стабілізує роботу установки. Оскільки один чи обидва вертикальних вала 6 і 7 пов’язані з електрогенератором 8, останній виробляє електричний струм, який потрапляє до споживачів. Якщо електрогенератор 8 виконаний у вигляді набору магнітів, то він працює наступним чином. Обертальний момент від вертикального валу 7 передається до ротору 10 із закріпленими на його променях постійними магнітами 11, наприклад, керамічними або феритовими. Магніти 11 на основі фериту мають широке розповсюдження, внаслідок їхньої низької вартості та досить простої технології виготовлення. Оскільки постійні магніти 11 на діаметрально протилежних променях мають яскраво виражену різнойменну полярність, утворюється потужне магнітне поле збудження, яке замикається через феромагнітні сердечники 13, які радіально закріплені на статорі 12. При цьому утворюється магнітний ланцюг збудження з мінімальним магнітним опором. При обертанні магнітне поле збудження, що утворено постійними магнітами 11, перетинає котушки індуктивності 14 і наводить в них електрорушійну силу. Оскільки котушки індуктивності 14 з’єднані згіднопослідовно, наведена в них електрорушійна сила складається і передається далі споживачу у якості джерела електроенергії. 10 Суттєва відмінність технічного об’єкту, що заявляється, від раніш відомих, полягає в тому, що ротор вітроенергетичної установки виконаний у вигляді двох циліндрів однакової, але дзеркально відображеній конструкції, що обертаються у протилежних напрямах, вертикальні вали яких чи один з них зв’язаний з електрогенератором, виконаним у вигляді набору магнітів. Вказані відмінності, у сукупності, дозволяють стабілізувати роботу установки незалежно від сили вітрового потоку та усун ути низькочастотну вібрацію, а завдяки протилежним напрямам обертання циліндрів, розширити варіанти отримання електричної енергії з одночасним підвищенням коефіцієнту використання енергії вітрового потоку. Жодна з відомих вітроенергетичних установок роторного типу не можуть володіти зазначеними властивостями, оскільки їхні ротори або суцільні, або секційні, але обертаються в один бік, що взагалі не дозволяє отримати вказані властивості. При цьому сутність пропозиції не змінюється при використанні напрямних або «затіняючи» пристроїв та електрогенераторів будь-якої відомої конструкції, оскільки принцип, на якому здійснюється, стабілізація роботи, гасіння вібрацій та розширення технічних можливостей через збільшення варіантів використання від цього не залежить і завжди зберігається. До технічних переваг запропонованого технічного рішення, у порівнянні з прототипом, можна віднести наступне: - підвищення терміну експлуатації за рахунок зменшення втомливості металу на зменшення циклічного навантаження на вузли установки: - усунення низькочастотної вібрації за рахунок компенсації тиску, що діє на лопаті одного циліндру, тиском, що діє на лопаті другого циліндру; - спрощення конструкції за рахунок використання багатолопатевих циліндрів з простими лопатями; - розширення технічних можливостей за рахунок можливості використання кожного циліндру як окремого джерела енергії; - стабілізація роботи установки за рахунок протилежного обертання циліндрів ротора; - спрощення конструкції електрогенератора за рахунок використання в ньому постійних магнітів для котушок індуктивності для створення електрорушійної сили. Соціальний ефект від впровадження корисної моделі, в порівнянні з використанням прототипу отримують за рахунок підвищення безпечності установки, як для користувачів, так і для довкілля за рахунок зниження низькочастотної вібрації и за рахунок зниження ймовірності руйнування вузлів установки, а також отримання одночасно двох джерел елестропостачання. Економічний ефект від використання запропонованої вітроенергетичної установки, у порівнянні з прототипом, отримують за рахунок зниження вартості установки внаслідок спрощення конструкції лопатей, зменшення вартості електрогенератора та вилучення у деяких випадках механічного редуктору. 11 Комп’ютерна в ерстка М. Мацело 25573 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601