Вітрова електрична установка з вертикальною віссю обертання

1. Вітрова електрична установка з вертикальною віссю обертання, що містить ротор з горизонтально розташованими лопатями, які встановлені на роторі на перших штангах і складаються кожна з двох частин, верхньої і нижньої, з можливістю розвороту на певний кут, генератор, кінематично пов'язаний з ротором, опору, яка відрізняється тим, що установка містить другу штангу C2 2 97318 1 3 розкритися, оскільки в даному патенті відсутній пристрій, що виключає таку ситуацію. Найближчим по технічній суті до пристрою, який пропонується, є вітроелектрична установка з вертикальною віссю обертання по патенту US 6929450 [12], що містить ротор з лопатями, які встановлені на штангах і складаються кожна з двох частин (верхньої і нижньої), кінематично пов'язаних з штангами з можливістю розвороту по відношенню до них на певний кут, генератор, кінематично зв'язаний з ротором, опору, на якій встановлений ротор, при цьому розворот лопатей в положення "потужність" здійснюється гідравлічними циліндрами. У даній ВЕУ лопаті, при їх переході в робочу зону, розгортаються гідроциліндрами, різко збільшуючи аеродинамічний опір, а при виході з робочої зони згортаються гідроциліндрами в обтічну конструкцію з мінімальним аеродинамічним опором, який на порядок нижче за опір лопатей в робочій зоні. Але застосування гідроциліндрів для управління розворотом лопатей ускладнює конструкцію ротора і вимагає додаткової системи управління гідроциліндрами. Крім того установка ротора на торцевій частині опори вимагає установки додаткової шарнірної розв'язки, яка несе основне навантаження від дії набігаючого вітрового потоку. Задачею даного винаходу є пропозиція такої конструкції ротора і лопатей, яка була б позбавлена від вищенаведених недоліків, що дозволило б спростити конструкцію ротора і усунути необхідність додаткової і складної системи управління гідроциліндрами. Поставлена задача в запропонованій ВЕУ вирішена за рахунок закріплення верхніх частин лопатей на перших штангах ротора нерухомо, а нижні частини лопатей закріплені на верхніх частинах лопатей за допомогою шарніра, розташованого перед лобовою частиною нижньої лопаті, при цьому на лобовій частині обтічної аеродинамічної форми нижньої частини лопаті встановлена противага, і центр тяжіння нижньої лопаті зміщений таким чином, що в умовах відсутності набігаючого (з боку противаги) вітрового потоку вона опускається і спирається на другу штангу-обмежувач, закріплену на візку, утворюючи з верхньою частиною лопаті певний кут, перші штанги і лопаті ротора встановлені на візках (кількість яких може бути парною наприклад, два, чотири, шість, двадцять і т. д.), які зв'язані один з одним нерозтяжною ниткою, переміщаються навколо вертикальної осі по рейках опори, а кінематичний зв'язок генератора з візками здійснюється через нерозтяжну нитку (наприклад ланцюг Галя). У пазах перших штанг встановлені другі штанги-обмежувачі з можливістю переміщення в цих пазах, кінематично пов'язані з приводом, що здійснює це переміщення. Установка може містити принаймні два ротори, при цьому другий ротор розташований над першим ротором і може обертатися як в ту ж, так і в протилежну сторону. 97318 4 Лопаті можуть бути матрицями, що складаються з набору лопатей, - по декілька лопатей по горизонталі (принаймні, дві) і по декілька рядів по вертикалі (принаймні дві). Кількість лопатей в ряду (по горизонталі) і кількість рядів по вертикалі вибираються з конструктивних міркувань, виходячи з розрахункової потужності вітроелектроустановки, розміру одиничної лопаті матриці і технології виготовлення лопаті. За наявності декількох роторів діаметр кожного подальшого ротора може бути менше діаметра попереднього ротора і він може обертатися як в ту ж, так і в протилежну сторону. Виконання лопатей з рухомої і нерухомої частини дозволило спростити конструкцію ротора. Оскільки відпала необхідність в складних гідроциліндрах і в системі управління ними. При цьому граничну швидкість потоку для даної ВЕУ можна змінювати в широких межах, переміщаючи другі штанги в пазах перших штанг, переводячи лопаті з положення максимально розкритого стану фактично в повністю закрите, тобто в положення флюгера. Виконання ротора з двох частин, тих, що обертаються в протилежні сторони, дозволило збалансувати навантаження на конструкцію установки. Виконання лопаті з матриці лопатей, що складаються з набору лопатей - по декілька лопатей по горизонталі (принаймні, дві) і по декілька рядів по вертикалі (принаймні, дві) дозволило спростити конструкцію лопатей, оскільки при значних габаритах конструктивне вирішення аеродинамічної поверхні лопаті набагато складніше, ніж лопаті малих габаритів. Так, наприклад, при діаметрі опори нижнього ротора, рівному 1000м, і ширині ротора, рівної, наприклад, 10 % від діаметра опори, розміри матриці можуть бути 100м завширшки і 100м у висоту, при цьому кількість матриць в роторі може дорівнювати 40шт., а кількість лопатей в матриці може дорівнювати 30шт. і більше, виходячи з сучасного рівня технології їх виробництва (наприклад, крил літака типу "Руслан"). Така кількість матриць і лопатей в матрицях вимагає максимальної простоти як конструкції лопатей, так і технології її виробництва, а також уніфікації конструкції лопатей, матриць і роторів. Крім того зменшення діаметрів роторів при переході від першого до другого і далі дозволило збільшити стійкість опори при вітровому навантаженні. Необхідно відзначити, що існують вирішення матричних конструкцій лопаті. Таке рішення запропоноване в патенті Франції FR 2873764 [23], в якому ротор набраний з матриць лопатей з вертикальною подовжньою віссю. Така конструкція лопатей конструктивно ускладнює завдання виводу їх в положення флюгера, а також вибору кута їх установки в потужність, оскільки вимагає наявності приводу розвороту лопатей в положення флюгера при знаходженні їх в пасивній зоні, і розвороту в положення "потужність" при знаходженні їх в "робочій" зоні (зоні відбору потужності). Таким чином, пропоноване рішення має істотні відмінності і новизну як по відношенню до аналогів 5 і прототипу, так і по відношенню до інших аналогічних рішень. Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому представлені: на Фіг.1 - креслення лопаті; на Фіг.2 - креслення візка ротора з матрицею лопатей; на Фіг.3 - загальний вид ВЕУ (вид збоку); на Фіг.4 - вид А на Фіг.3; на Фіг.5 - креслення, що пояснює зв'язок ланцюга Галя з генератором і з фіксатором обмежувачем. На кресленні представлений варіант реалізації ВЕУ з двома роторами, що обертаються в різні боки. Кожен ротор (по даному кресленню) містить по парній кількості візків з матрицями лопатей. Кожна матриця лопатей містить 25 лопатей (по 5 лопатей в ряду - по горизонталі, і 5 рядів - по вертикалі). Можливі і інші варіанти вирішення ВЕУ, які не відбиваються на суті винаходу. Наприклад, роторів може бути 2, 4, 6 і так далі. Так, наприклад, вибір кількості роторів в одній ВЕУ залежить від заданої потужності установки і діаметра першого (нижнього) ротора. За умов заданої стійкості опори [24] її висота може бути 2,2…2,5 діаметра основи (опори) першого ротора, при цьому з підйомом на висоту (переході до подальшого ротора) діаметр подальших роторів зменшується. Як опора ВЕУ можуть бути використані природні утворення рельєфу місцевості (горб, гора) при цьому значно скорочуються об'єми будівельних робіт на виробництво фундаментів опор роторів. Нижній ротор ВЕУ (див. Фіг.3 і 4) містить: опору 1, із закріпленими на ній рейками 2, на яких встановлені візки 3 з матрицями лопатей 4. Візки 3 зв'язані один з одним нерозтяжною жорсткою ниткою 5 (у даному прикладі - це ланцюг Галя). Зв'язок візка 3 з ланцюгом Галя 5 здійснюється через кронштейн 6. Для фіксації ланцюга Галя 5 по центру рейок 2 встановлені фіксаториобмежувачі 7 (виконані у вигляді роликів 8, які на підшипникових опорах 9 встановлені на стійкахопорах 10). Можлива і інша конструкція фіксаторівобмежувачів 7. Генератори 11 встановлені під ланцюгом Галя 5 на опорі 1. Кінематичний зв'язок генераторів 11 з ланцюгом Галя 5 здійснюється за допомогою ролика 12. Електричний зв'язок генераторів 11 з промисловою мережею (споживачем) здійснюється за допомогою колектора 13, який захищений від впливів зовнішнього середовища кожухом 14. Верхній ротор ВЕУ (див. Фіг.3 і 4) встановлений на опорі 15. У останньому його конструкція аналогічна конструкції нижнього ротора і не вимагає додаткового опису. Тому на кресленні деякі позиції нижнього ротора, природно, повторені для верхнього ротора. Кожна лопать 16 матриць лопатей 4 містить верхню (нерухому) частину лопаті 17, закріплену за допомогою осей 18 і 19 на першій штанзі 20. Нижня частина лопаті 21 закріплена на верхній частині лопаті 17 за допомогою шарніра 22. На 97318 6 її лобовій частині встановлена противага 23, яка кріпиться до неї за допомогою штанг 24. Під нижньою частиною лопаті 21 в штангах 20 (у виконаних в них пазах 25) встановлені обмежувачі 26, кінематично пов'язані з електричними приводами (на кресленні не показані). Електричний зв'язок приводів з системою управління (на кресленні не показана) здійснюється через колектор 13. Перші штанги 20 жорстко пов'язані з матрицею лопатей 4 і встановлені на візках 3. Для забезпечення жорсткості конструкції штанги 20 сполучені з торцями візків 3 жорсткими нитками 29, і жорсткими нитками 30 з штангами 20 інших (поряд розташованих) візків 3. Для опису роботи ВЕУ умовно прийнятий напрям вітру і орієнтація лопатей 16 в матрицях 4, вказане на Фіг.4. При цьому при досягненні вітром швидкості, що перевищує стартову, візки В і Г нижнього ротора (див. Фіг.4) переміщатимуться в напрямі, вказаному стрілкою Д, а візки Ε і Ж верхнього ротора (див. Фіг.3) - в напрямі, вказаному стрілкою И. ВЕУ працює таким чином. У початковому положенні, за відсутності вітру, нижні частини лопатей 21 матриць лопатей 4 із-за зміщеного їх центру тяжіння опускаються і спираються на обмежувач 26, утворюючи з верхньою частиною лопатей 17 заданий стартовий кут атаки (тобто максимальний для даного вітру аеродинамічний опір). При виникненні певних вітрових умов вітер створює шарнірний момент на матрицях лопатей візків 3, що знаходяться в зоні В нижнього ротора і на матрицях лопатей візків 3, знаходяться в зоні Ε верхнього ротора і під дією цього моменту лопаті візка В і Ε починають розгортатися в напрямі, вказаному стрілками Д і И відповідно. Одночасно з цим для візків Г і Ж вітер підтискає нижні частини лопатей 21 впритул до верхніх частин лопатей 17, переводячи лопаті матриць лопатей 4 візків Г і Ж в положення флюгера, забезпечуючи мінімальний аеродинамічний опір лопаті набігаючому вітровому потоку. Нижній і верхній ротори починають обертатися в протилежних напрямах і візки 3 через їх ланцюги Галя 5 і ролики 12 починають обертати вали генераторів 11. При досягненні генераторами 11 певної швидкості обертання система управління 28 підключає генератори до мережі. ВЕУ починає працювати на навантаження (мережа). Вибір оптимального кута атаки для лопатей здійснюється за умовами швидкості вітру і заданої потужності і міцності конструкції. Виходячи з цього, система управління 29 видає сигнал, що управляє, на приводи 27 обмежувачів 26. Приводи 27 переміщають обмежувачі 26 в пазах 25 штанг 24, вибираючи певний кут атаки, що забезпечує необхідну швидкість обертання візків 3 для генерації заданої потужності при будь-якій швидкості вітру, включаючи максимальну. Як очевидно з креслення візків 3 повинна бути парна кількість (з умови симетричності і рівномірності розподілу вітрових навантажень щодо вертикальної осі) - на кресленні представлено чотири 7 пари візків 3 для нижнього роторів і п'ять візків з складу верхнього ротора. Кількість пар візків може бути і іншим. Позиції креслення (матеріал довідковий): 1 - опора нижнього ротора; 2 - рейка; 3 - візок; 4 - матриця лопатей; 5 - жорстка нитка (ланцюг Галя); 6 - кронштейн; 7 - фіксатор-обмежувач; 8 - ролик; 9 - підшипникова опора; 10 - стійка-опора; 11 - генератор; 12 - ролик; 13 - колектор; 14 - кожух; 15 - опора верхнього ротора; 16 - лопать; 17 - верхня частина лопаті; 18, 19 - осі верхньої частини лопаті; 20 - перша штанга; 21 - нижня частина лопаті; 22 - шарнір; 23 - противага; 24 - штанги; 25 - пази в штангах 20; 26 - обмежувач; 29 - жорсткі нитки-розтяжки; 30 - жорсткі нитки-сполучні. Джерела інформації: 1. Патент UA 6418С1, F03D7/06, 1994p., "Вітродвигун" Бюл. №8-1. 2. Патент UA 18218A, F03D3/06, 1997p., "Вітродвигун з вертикальною віссю обертання". 3. Патент UA 21823A, F03D3/06, 1998p., "Вітродвигун з вертикальною віссю обертання "Катерина". 4. Патент UA 22029A, F03D3/00, 1998p., "Вітрова електростанція "Крилаті паруси". 5. Патент UA 27062С1 F03D1/00, 2000p., "Ротор вітродвигуна". 97318 8 6. Патент UA 33697A, F03D3/00, 2001p., "Лопатевий двигун". 7. А. с. SU 1178931A, F03D3/00 1985г. "Парусный ветродвигатель". 8. Патент RU 2052658С1, F03D3/02, F03D7/06, 1996г. "Ветроагрегат и гидроагрегат" 9. Патент RU 2032831, F03D1/00, F03D1/04, 1995г. "Ветродвигатель". 10. Патент RU 2095622C1, F03D3/02, 1997г. "Ветродвигатель". 11. Патент US 6972498В2, F03B15/06, 2005г. "Вітродвигун з змінною довжиною лопатей крильчатки". 12. Патент US 6929450В2, F03D7/06, 2005г. "Вітротурбіна і засіб роботи" - прототип. 13. Заявка FR 2820172, F03D3/06, F03D3/02, 2006г. "Вітрова установка з лопатями змінними по геометричній формі". 14. Заявка DE 10318231, F03D3/06, 2004г." Вітроенергетична установка". 15. Заявка DE 10007355, F03D3/00, F03D3/06, 2001г. "Вертикальна установка для вироблення енергії за допомогою вітру". 16. Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо. Перевод с английского под ред. Шефтера. М.: Энергоатомиздат, 1982 г. УДК 621548. 17. Патент US 5823749В2 F03D7/06, 2005г. "Вітротурбіна з вертикальною віссю обертання з двох фазним вітрильним ротором" - аналог. 18. Патент US 4624279 F03D3/06, 1981г. " Вітроелектроустановка з вертикальною віссю обертання". 19. Заявка FR 2864175, F03D7/04, 2005г. "Вітроенергетична установка". 20. Заявка FR 2867815, F03D5/04, 2005г. "Вітряна установка парашутного типу". 21. Патент US 6902370, F03D7/00, 2005г. "Вітрова установка парашутного типу". 22. Патент US 6784566, F03D 9/00, 2004ною геометрією" - аналог. 24. Машиностроение. Энциклопедический справочник. Конструирование машин. Том 12. ГНТИ машиностроительной литературы. Москва. 1948г. 9 97318 10 11 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 97318 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601