Вітрова електрична установка

1. Вітрова електрична установка (ВЕУ), яка містить дирижабль, опору, систему закріплених з одного боку на дирижаблі, а з другого боку - на опорі тросів змінної довжини, перший концентратор вітрового потоку у вигляді горизонтального крила аеродинамічного профілю (перше крило), дві вітротурбіни з горизонтальною віссю обертання, які встановлені за лобовою кромкою першого крила таким чином, що їх ротори виступають над верхньою боковою поверхнею першого крила щонайменше на третину своїх робочих поверхонь, дві вітротурбіни з вертикальною віссю обертання, пристрої зупинки роторів вітротурбін, систему керування ВЕУ, силовий та сигнальний кабелі, що C2 2 (19) 1 3 71661 4 аеродинамічна труба повинна мати достатню системи трьох крил аеродинамічного профілю, при конструктивну жорсткість, являючись опорою для цьому горизонтальні крила (далі перше крило) ротора з генератором, тобто у вн утрішньому об'ємі являються його складовою частиною, до нижньої аеростата з'являється значний об'єм та маса, котрі поверхні яких прикріплено друге крило, вертикане мають піднімальної сили. Це звичайно потребує льне, яке розташовано симетрично відносно перзбільшення об'єму самого аеростата і, з урахуваншого крила, а на його нижньому торці закріплено ням необхідної піднімальної сили, потребує значтретє крило, горизонтальне, симетрично відносно ного збільшення його габаритів. другого крила, при цьому лобові кромки усіх трьох Необхідно також відмітити, що у конструкції цікрил зорієнтовані в один бік, дві перші вітротурбіни єї ВЕУ відсутні елементи захисту повітряного гвирозташовані на першому крилі симетрично відноснта (ротора) від поривчастих та граничних вітроно другого крила, а опори висей роторів двох друвих потоків. гих вітротурбіни з вертикальною віссю обертання Найближчим за технічної суті до пристрою, що закріплені верхня на нижній боковій поверхні перпропонується є вітроенергетична установка (далі шого крила, а нижня на верхній боковій поверхні ВЕУ) по патенту України №57794 з пріоритетом від третього крила. 25.01.2000р., яка містить дирижабль, опору, сисКрім того в ВЕУ пристрій зупинки роторів віттему закріплених з одного боку на дирижаблі, а з ротурбін з горизонтальною віссю обертання може другого боку - на опорі тросів змінної довжини, бути виконаний у вигляді четвертого горизонтальзакріплений на дирижаблі концентратор вітрового ного крила, яке розташоване з зазором відносно потоку, виконаний у вигляді кільового пристрою першого крила паралельно йому і закріплено над дирижабля, закріпленого під ним вертикально, та ним при допомозі тяг змінної довжини. зорієнтованого вздовж його вісі симетрії, який явВиконання дирижаблю у вигляді трьох крил ляє собою крило аеродинамічного профілю, за дозволило значно спростити конструкцію дирижалобовою кромкою якого симетрично з обох боків блю, а також зменшити лобову кромку другого виконані два вікна, у яких розташовані дві вітротукрила за рахунок винесення вітротурбін з вертикарбіни з вертикальною віссю обертання таким чильною віссю за межи другого крила. ном, що їх ротори виступають як мінімум на третиКрім того виконання пристрою зупинки роторів ну своєї поверхні понад бокових поверхонь крила, вітротурбін з горизонтальною віссю обертання у які мають пристрої зупинки роторів, виконані у вивигляді четвертого горизонтального крила, дозвогляді напівциліндричних кожухів, встановлених лило: по-перше - замінити (у порівнянні з прототиспіввісно з відповідними роторами вітротурбін з пом) два пристрої одним, а по-друге - надати йому спроможністю обертання навколо вертикальної додатково функції концентратору вітрового потоку вісі, два горизонтальних крила дирижаблю, встаза рахунок керованої зміни довжини тяг, якими новлених симетрично вісі його корпуса, при цьому четверте крило закріплене на першому крилі. за лобовими кромками кожного крила на їх верхній Відомі рішення, у яких на прив'язних аеростабоковій поверхні виконані симетрично до вертикатах встановлені більш як одна вітротурбіни (1, 2). льної вісі дирижабля по вікну, у яких встановлені Однак у цих рішеннях відсутні концентратори віттретя та четверта вітротурбіни, ротори яких вистурового потоку, які і дозволили реалізувати запропають понад поверхнями крил як мінімум на трепонований винахід з наведеними перевагами як у тину своїх поверхонь, систему керування ВЕУ, відношенні до прототипу, так і у відношенні до силовий та сигнальний кабелі, що зв'язують ВЕУ з аналогів. навантаженням та з системою керування. Суть винаходу пояснюється кресленням, на В даній ВЕУ виконання концентратора вітровоякому представлений варіант реалізації, в якому го потоку у вигляді кільового пристрою дирижабвикористані для вітротурбін з горизонтальною віслю, встановленого під ним вертикально, та зорієнсю обертання - вітротурбіни з ротором барабаннотованого у вздовж його вісі симетрії, який являє го типу, а для вітротурбін з вертикальною віссю собою крило аеродинамічного профілю, та двох обертання - вітротурбіни з ротором Дар’є. Викоригоризонтальних крил дозволило (з урахуванням стання інших типів вітротурбін не міняє суті винавідомої залежності величин швидкості вітрового ходу. На кресленні представлені: потоку на лобовій кромці крила та на його бокових на фіг.1 - блок-схема ВЕУ; поверхнях (10)) сформувати вітровий потік на рона фіг.2 - загальний вид реалізації ВЕУ; торах вітротурбін, швидкість якого набагато перена фіг.3 - вид А по фіг.2; вищує швидкість потоку, що набігає на лобову на фіг.4 - розтин Б-Б по фіг.2. кромку крила. ВЕУ (див. фіг.1...4) містить дирижабль 1, який Таким чином реалізація концентратора вітроскладається з трьох крил 2, 3, 4 аеродинамічного вого потоку здійснюється за межами пристрою, що профілю, за лобовою кромкою крила 2 на боковий дозволило у значній мірі зменшити його габарити. поверхні 5 виконані вікна 6 та 7, у яких встановлені Але таке розташування вітротурбін, коли їх вітротурбіни 8 та 9, які містять ротори 10 та 11, ротори більш як на половину діаметру знаходятькінематично зв'язані з генераторами 12 та 13. Вася у крилах приводить до збільшення хорди лоболи генераторів 12 та 13 з'єднані з валами роторів вої кромки крила (кіля дирижаблю), а тому й до 10 та 11 відповідно напівмуфтами 14 та з датчизбільшення габаритів дирижаблю. ками обертів 15 та 16. Крім того сама конструкція дирижаблю виявНа боковий поверхні 5 крила 2 встановлені даляється складною. тчики швидкості вітру 17 та напрямку вітр у 18. Поставлена задача в запропонованій ВЕУ виДо нижньої поверхні 19 крила 2 прикріплено рішена шляхом виконання дирижабля у вигляді крило 3 вертикальне, яке розташовано симетрич 5 71661 6 но відносно крила 2, а на його нижньому торці зазонтальної повздовжньої вісі дирижаблю 1, то сискріплено крило 4, горизонтальне, симетрично відтема керування 49 формує управляючий сигнал на носно крила 3, при цьому лобові кромки крил 2, 3, привід рульових поверхонь 38, що дозволяє зміни4 зорієнтовані в один бік. ти орієнтацію дирижаблю 1 таким чином, щоб векНа поверхні 19 крила 2 і поверхні 20 крила 4 тор вітрового потоку, що набігає, збігався з горисиметрично відносно крила 3 встановлені опори зонтальною повздовжньою віссю симетрії 21, 22 та 23, 24 вітротурбін з вертикальними висядирижабля 1. Ця орієнтація на вітер контролюєтьми обертання 25, 26, ротори яких 27, 28 з прися та піддержується за вищеописаним алгоритмом строями їх з упинки 29, 30 з'єднані через мультіпз визначеною періодичністю системою керування лексори 31, 32 з генераторами 33, 34 та з 49. давальниками обертів 35, 36. Далі система керування 49 формує сигнал заУ задній кромці 37 крила 3 встановлені рульові пуску двигунів 59, 60, 61, 62, які через гвинтові поверхні з приводом 38. передачі 58 встановлюють задану довжину тяг 53, Дирижабль 1 з'єднаний тросовою системою 39 54, 55, 56, яка дозволяє здійснити запуск роторів з лебідкою 40, кінематично зв'язаною з приводом 10 та 11 вітротурбін 8, 9, відкриваючи їх вітровому 41 та датчиком висоти 42, встановленими на опорі потоку, що набігає. 43. У даному стані ВЕУ готова до запуску у роботу Генератори 12 та 13 вітротурбін 8 та 9 та геі, при досягненні швидкості вітру рівня включаючої, нератори 33, 34 вітротурбін 25, 26 електрично система керування 49 з визначеною вибраною з'єднані з навантаженням за допомогою силових періодичністю починає опитувати датчики обертів кабелів 44 через блок автоматів 45 (включення15 та 16 генераторів 12 та 13, а також 35 та 36 відключення вітротурбін 8, 9 та 25, 26), блок датгенераторів 33, 34, які контролюють швидкість їх чиків потужності 46 та блок релейного захисту 47, обертання. встановлені в шафі силовий 48. При досягненні швидкості обертів генераторів Електричне живлення від мережі живлення 12, 13, 33 та 34 величини, що відповідає завданій (380В 50Гц; 220В 50Гц) надходить на привод 41 потужності (завдання здійснюється через блок лебідки 42 та блоки автоматів 45 і релейного захизадатчиків 50) система керування 49 формує сигсту 47 безпосередньо, а на систему керування 49 нал на включення блока автоматів 45 і контролює та блок задатчиків 50 через блок живлення 51. по сигналам датчиків потужності 46 досягнення Електричний зв'язок системи керування 49 з завданого рівня потужності. давальниками 15-18, 42 та 46, блоками автоматів У даному стані ВЕУ вийшла на режим вироб45 та релейного захисту 47, приводом 41 лебідки лення електричної енергії і 3 може бути підключе40, а також з приводом рульових поверхонь 38 на до навантаження (наприклад, до промислової здійснюється за допомогою сигнального кабелю мережі). (на кресленні показаний у вигляді окремих провідУ режимі вироблення електроенергії система ників - див. фіг.1) керування 49 із завданою періодичністю отримує Блок задатчиків 50 складається із потенціомеінформацію від датчиків напрямку вітру 18, швидтричних задатчиків, або задатчиків іншого типу, кості вітру 17, обертів 15 та 16, потужності 44 і за задавальні сигнали від яких надходять на входи їх даними керує відповідними виконавчими мехасистеми керування 49. нізмами, піддержуючи завданий рівень потужності Крім того ВЕУ містить четверте горизонтальне , яка генерується, а саме - по її керуючим сигнакрило 52, розташоване з зазором відносно крила 2 лам: паралельно йому і закріплене на ньому за допомо- привод рульових поверхонь 38 піддержує гою тяг 53, 54, 55, 56, які з одного боку за допомоорієнтацію дирижабля 1 у ) напрямку вітрового гою шарнірів 57 зв'язані з крилом 52, а з другого потоку; через, наприклад, гвинтові передачі 58 з крилом 2. - двигуни 59, 60, 61, 62 через гвинтові передачі Управління гвинтовими передачами 58 здійсню58 можуть змінювати довжину тяг 53, 54, 55, 56 і ється за допомогою двигунів 59, 60, 61, 62 через тим самим або екранувати або відкривати ротори систему керування 49. Живлення на двигуни 59, 10, 11, змінюючи ефективність використання віт60, 61, 62 і на пристрої зупинки роторів 29, 30 надрового потоку, що набігає. ходить через блок живлення 63. В цьому режимі система керування 49 також ВЕУ забезпечує такі режими роботи: отримує інформацію від блока релейного захисту а) запуск ВЕУ; 47, який містить реле перевантаження (на кресб) режим вироблення електричної енергії; ленні не наведені) по струму, по напруженню, по в) зупинка ВЕУ. температурі обмоток генераторів 12, 13, 33 та 34. У режимі запуску ВЕУ працює таким чином. В цьому режимі можна змінювати завданий ріСпочатку подають живлення на систему керування вень вироблення потужності та височину встанов49, блок задатчиків 50 через блок живлення 51. лення ВЕУ відповідними потенціометрами блока Одним з потенціометрів блока задатчиків 50 задазадатчиків 50, по сигналам якого система керуванють височину підняття дирижабля 1 і система кеня 49, діючи на виконавчі механізми тяг 53, 54, 55, рування 49 через свій мікропроцесор формує сиг56 та пристроїв 29, 30 і лебідки 40 може відпранал пуску приводу 41 лебідки 40 і дирижабль 1 цьовувати нове завдання. (заповнений, наприклад, гелієм) підіймається на У режимі зупинки ВЕУ працює таким чином. завдану висоту, яка контролюється датчиком виСистема керування 49, отримавши управляючий сочини 42. Якщо сигнал датчика напрямку вітру 18 сигнал від блока задатчиків 50, керуючи двигунами показує різність у напрямках вітру і орієнтації гори59, 60, зменшує довжину тяг 53, 54 таким чином, 7 71661 8 щоб екранувати ротори 10 та 11 від дії вітрового Система захисту та передавання енергії (блопотоку, а також переводить ротори 27, 28 вітротуки 43 та 45) у навантаженні може бути реалізована рбін 25,26 у "флюгерне положення", а потім вимина базі шафи керування Уг 4.100.003 виробництва кає блок автоматів 45, вимикаючи тим самим вітфірми "Уиндэнерго ЛТД". ротурбіни 8, 9, 25 та 26 від навантаження. Як лебідки 40 з керуючим приводом можуть В разі необхідності (ремонт, технічне обслугобути використані лебідки суднові вантажні по вування та інше) система керування 49 діючи на ГОСТ 12617-78. привід 41 лебідки 40 може опустити дирижабль 1 Рульова поверхня з приводом 38 може бути на "землю". реалізована на базі тримерів та керуючих ними Цей режим може бути реалізований і у випадрульових механізмів, наприклад, літаків АН-10, ЯКку аварійних ситуацій: 40 та інше. - токового перенавантаження; Як датчики обертів 15 та 16 можуть бути вико- перенавантаження по напрузі; ристані стандартні тахометри. - перевищення температури обмоток генераЯк датчики потужності 44 можуть бути викоритора (граничної - зазначеної у те хнічних умовах). стані датчики потужності Уг 2.720.000 виробництва Ці сигнали поступають на систему керування фірми "Уиндэнерго ЛТД". 49 від блока релейного захисту 47 і система керуДжерела інформації вання 49 аналогічним чином екранує ротори 10 1. А.с. SU 1783143, FO3D3/02, 7/00, 1988г. "Ветроабо 11, і зупиняє ту вітротурбіни (8, 9), по яким агрегат". прийшов сигнал перенавантаження або переви2. А.с. SU 1743096, FO3D5/00, 1993г. "Ветроэнерщення температури обмоток генератора. Вітротугетическая установка". рбіни 25, 26 зупиняються за допомогою пристроїв 3. Патент RU 2052658, FO3D3/02, 7/06, 1996г. "Ве29, 30 переводом їх роторів 27, 28 у флюгерне троагрегат и гидроагрегат". положення. 4. Патент SU 1745134, FO3D1/04, 1992г. "ВетроусАналогічно реалізується режим зупинки ВЕУ тановка". при граничних швидкостях вітр у, які визначаються 5. А.с. SU 1254810, FO3D9/00, В60К9/00 1992г. по сигналу від датчика швидкості вітру 17, який "Ветросиловая установка транспортного средстнадходить на інформаційний вхід системи керува". вання 49. 6. Патент RU 2095619, FO3D1/04, 1997г. "ВетроэЯк вітротурбіни 8 та 9 можуть бути використані нергетическая установка напорно-вытяжного дейустановки з роторами барабанного типу, роторами ствия". Дар'є або Савоніуса та асинхронними або синхро7. Заявка ЕПВ 0045202, FO3D1/04, 1982г. "Ветроэнними генераторами. нергетическая установка". Як давальник напрямку вітру 18 може бути ви8. Заявка FR 2092851, В63Н13/00, 1972г. "Ветроэкористаний давальник Wind Vane 200P 1-107969лектроэнергетическая установка". 01 виробництва фірми NRG Systems, а як даваль9. Патент RU 2103545, FO3D1/02, 1998г. "Ветроэники швидкості вітру 17 - Anemometer 040 1нергетическая установка". 107968-02 тієї ж фірми. 10. Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо. ПереСистема керування 49 може бути реалізована вод с английского под ред. Шефтера. М., Энергоана базі пристрою керування Уг 3.035.159 виробнитомиздат, 1982г. УДК 621548. цтва фірми "Уиндэнерго ЛТД". 9 71661 10 11 Комп’ютерна в ерстка О. Гапоненко 71661 Підписне 12 Тираж 37 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