Вітрова електрична установка

Реферат: Вітрова електрична установка з горизонтальною віссю обертання містить концентратор вітрового потоку у вигляді конфузора, встановлений на поворотну навколо вертикальної осі опору, ротор з лопатями, встановлений усередині конфузора на роликових або кулькових опорах, генератор, кінематично зв'язаний з ротором, стабілізатор напряму кильового типу, жорстко пов'язаний з конфузором. Внутрішня поверхня ротора виконана конусною і є продовженням внутрішньої поверхні конфузора. Лопаті закріплені на внутрішній поверхні ротора в опорах з можливістю розвороту під тиском вітрового потоку, що набігає. На зовнішній поверхні ротора закріплене зубчасте колесо. Між внутрішньою поверхнею конфузора і зовнішньою поверхнею ротора рівномірно розміщені і закріплені на конфузорі генератори, кількість яких є парною, на валах яких встановлені шестерні, кінематично зв'язані із зубчатим колесом ротора. Усередині кожної лопаті, в області її комля, вбудована замкнута камера, подовжня вісь якої зорієнтована в радіальному напрямі, а в камері розташований вантаж з можливістю переміщення уздовж її подовжньої осі. UA 98276 C2 (12) UA 98276 C2 UA 98276 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до нетрадиційних відновлюваних джерел енергії, а саме до вітроенергетики, і може бути використаний у вітрових електричних і енергетичних установках (далі ВЕУ). Відомі ВЕУ, в яких застосовуються концентратори вітрового потоку (генератори вихорів), що дозволяють підвищити коефіцієнт корисної дії ротора ВЕУ і коефіцієнт відбору потужності повітряного потоку за рахунок використання в ролі концентраторів вітрового потоку конфузорів, дифузорів, аеродинамічних труб і т. д. [див. 1-8, 10-14]. Одним з таких рішень є вітроенергетична установка по патенту UA 38867 [2], яка містить щоглу, закріплені на щоглі вхідний конфузор, з гладкою конічною внутрішньою поверхнею, в якому встановлені вітроколеса з великою кількістю лопатей, пов'язані з валом генератора, поворотний навколо вертикальної осі пристрій конфузора з кильовим пристроєм орієнтації вітроколеса, ежектор, розташований за вітроколесами і генератором. Проте застосування багатолопатевих вітроколіс (перше з більшою, а друге з меншою кількістю лопатей) зумовило характерний для багатолопатевих ВЕУ недолік [див. 15], а саме: - дуже складний механізм регулювання кута атаки лопатей; - багатолопатеве колесо практично неможливо вивести в положення флюгера, що робить уразливими такі колеса при роботі в умовах граничних швидкостей вітру. Крім, того в даній ВЕУ генератор встановлений в безпосередньо у вітровому потоці і, у результаті, працює в жорстких умовах вітрового навантаження і пов'язаних з ним пиловим навантаженням і вологістю, що знижує термін його служби. Найбільш близьким по технічній суті до того, що пропонується, є вітрова електрична установка з горизонтальною віссю обертання, яка містить концентратор вітрового, потоку у вигляді конфузора, встановлений на поворотну, навколо вертикальної осі, опору, ротор з лопатями, встановлений усередині конфузора, генератор кінематично пов'язаний з ротором, стабілізатор напряму, жорстко пов'язаний з конфузором, в якій конфузор є зовнішньою обоймою "підшипника", ротор є його внутрішньою обоймою, встановленою в конфузорі на роликових (або кулькових) опорах, лопаті встановлені усередині ротора в опорах з можливістю розвороту під тиском набігаючого вітрового потоку і додатково пов'язані з внутрішньою поверхнею ротора за допомогою пружин, при цьому на зовнішній поверхні ротора закріплено зубчате колесо, а між внутрішньою поверхнею конфузора і зовнішньою поверхнею ротора рівномірно розміщені і закріплені на конфузорі генератори, на валах яких встановлені шестерні, кінематично пов'язані із зубчатим колесом ротора. Виконання в прототипі ротора, який обертається, дозволило застосувати нову конструкцію з лопатями, які закріплені на його внутрішній поверхні, а додаткове кріплення лопатей за допомогою пружин дозволило використовувати вітроколесо у всьому діапазоні вітрових навантажень. Дійсно, під впливом набігаючого вітрового потоку лопаті відхиляються від свого початкового положення, розтягуючи пружини. При певній граничній швидкості вітру лопаті займають положення, при якому відбувається зрив вітрового потоку і ротор уповільнює своє обертання. При цьому граничну швидкість потоку для даної ВЕУ можна змінювати в певних межах, змінюючи жорсткість пружин. Проте необхідно відзначити, що також відоме рішення [патент RU 2032831], в якому генератор, зі встановленим на його валу лопатями закріплений на півдиску, який жорстко пов'язаний з кільцевою обоймою, встановленою на підшипникових опорах в нерухомій кільцевій обоймі [див. 9]. Як і в прототипі в даному вітродвигуні присутні дві обойми: одна нерухома, а інша рухома (у прототипі конфузор і ротор). Але в цьому рішенні немає пристрою, що виконує функцію орієнтації установки на вітер, оскільки зміна напряму вітру відбувається, природно, в горизонтальній площині (по відношенню до поверхні землі), і тому для реалізації функції орієнтації установки на вітер необхідна вертикальна вісь обертання, яка в даному вітродвигуні відсутня. Крім того, на відміну від даного вітродвигуна, в прототипі лопаті закріплені на внутрішній поверхні ротора, а в даному вітродвигуні на осі генератора, який (як у випадку з аналогом) встановлений безпосередньо у вітровому потоці і, у результаті, працює в жорстких умовах вітрового навантаження і пов'язаних з ним пиловим навантаженням і вологістю, що знижує термін його служби. Також необхідно відзначити, що на відміну від даного вітродвигуна в прототипі присутній концентратор вітрового потоку, виконаний з двох частин: внутрішньої поверхні конфузора і внутрішньої поверхні ротора, що дозволило збільшити поверхню концентратора і тим самим збільшити його ефективність. 1 UA 98276 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Проте в даному рішенні присутні пружини (або механічні, або гідравлічні), що ускладнює конструкцію. До того ж пружини працюють практично при постійному розтягуванні, що позначається на терміні їх служби і, у результаті, на надійності роботи установки в цілому. Задачею даного винаходу є пропозиція такої конструкції багатолопатевого колеса, яка була б позбавлена вищенаведених недоліків (як аналогів, так і прототипу), що дозволило б використовувати вітроколесо у всьому діапазоні вітрових навантажень, а також спростити і підвищити надійність конструкції. Поставлена задача в запропонованій ВЕУ вирішена шляхом введення в лопать, в області її комля, замкнутої камери, подовжня вісь якої зорієнтована в радіальному напрямі лопаті і ротора, а в камері розташований вантаж з можливістю переміщення уздовж її подовжньої осі. Пропоновані зміни конструкції дозволили позбавитися від складних пружин, а також збільшити жорсткість конструкції лопаті за рахунок введення в неї жорсткої камери і підвищити надійність установки в цілому. Таким чином пропоноване рішення має істотні відмінності і новизну як по відношенню до аналогів, так і до прототипу. Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому представлені: на фіг. 1 - загальний вид ВЕУ; на фіг. 2 - переріз А-А по конфузору і ротору; на фіг. 3 - переріз Б-Б по лопаті; на фіг. 4 - елемент І по фіг. 2. ВЕУ (див. фіг. 1, 2) містить: конфузор 1, закріплений на опорі 2, встановленою в підшипнику 3 основи 4. Усередині конфузора 1 на роликових опорах 5 встановлений ротор 6, на якому закріплені лопаті 7 за допомогою опор 8. На конфузорі 1 за допомогою тяг 9 і 10 закріплений стабілізатор напряму 11. Внутрішня поверхня 12 ротора 6 виконана конусною і є продовженням конусної поверхні 13 конфузора 1. На зовнішній поверхні ротора 6 виконане зубчате колесо 14, з яким за допомогою шестерень 15 зв'язані генератори 16, встановлені на конфузорі 1. Усередині кожної лопаті виконані камери 17, в яких розташовані вантажі 18, з можливістю переміщення уздовж подовжньої осі камер 17. ВЕУ працює таким чином. У початковому положенні (за відсутності вітру) лопаті 7 під впливом вантажів 18 встановлені в положення "потужність" (максимальний кут атаки). Вітровий потік, проходячи через конусні поверхні 13 (конфузора 1) і 12 (ротора 6), створюючи концентратор вітрового потоку, посилюється ними і надходить на активні поверхні лопатей 7. При досяганні швидкості вітру певних граничних умов, на поверхнях лопатей 7 виникає момент, що крутить, і ротор 6 починає обертатися в роликових опорах 5, передаючи через зубчате колесо 14 і шестірню 15 момент, що обертає, на вали генераторів 16. Після досягнення генераторами 16 швидкостей оборотів, яка відповідає заданій потужності, система управління (на кресленні не показана) підключає генератори до навантаження (споживачеві). Орієнтація установки на вітер здійснюється за допомогою стабілізатора напряму 11, який жорстко пов'язаний з конфузором 1, встановленим на опорі 2 в підшипнику 3, а також за допомогою конструкції самого конфузора 1 і ротора 6 (конусні поверхні 12 і 13). Конусна поверхня, що обертається, 12 ротора 6 сприяє закручуванню вітрового потоку, підсилюючи тим самим тиск вітрового потоку на активних поверхнях лопатей 7. При збільшенні швидкості вітру до певної величини лопаті 7 відхиляються і зменшують кут атаки, наближаючись до положення флюгера. При досягненні лопатями 7 положення флюгера відбувається зрив вітрового потоку з активних поверхонь лопатей 7 внаслідок чого тиск вітру на них зменшується і ротор 6 уповільнює швидкість обертання. При спаді швидкості вітрового потоку вантажі 18 у верхніх лопатях 7 зміщуються вниз в камерах 17, переводячи лопаті в положення "потужність". Це досягається підбором маси вантажів 18. Після повної зупинки ротора вантажі 18 в камерах 17 займають положення, вказане на фіг. 2 (див. переріз по верхній і нижній лопатях). Джерела інформації: 1. Патент UA 24847, F03D1/04, 1998 p., "Вітроенергетична установка". 2 UA 98276 C2 5 10 15 20 25 30 35 2. Патент UA 38867, F03Dl/00, 2001 p., "Вітроенергетична установка малої потужності крильчастого типу". 3. А.с. SU 1254810, F03D9/00, В60K9/00 1992 р. "Вітросилова установка транспортного засобу". 4. А.с. SU 1592572, F03D1/04, 1990 р. "Вітродвигун". 5. А.с. SU 1657722, F03D3/00 1991 р. "Вітродвигун". 6. Патент SU 1745134, F03D1/04, 1992 р. "Вітроустановка". 7. А.с. SU 1815417, F03D11/02 1993 р. "Вітроенергетична установка". 8. Патент RU 2003832, F03D1/02, F03D1/04, 1991 р. "Вітрова електрична станція". 9. Патент RU 2032831, F03D1/00, F03D1/04, 1995 р. "Вітродвигун". 10. Патент RU 2036329, F03D1/04, F03D1/06, 1992 р. "Вітроколесо". 11. Патент RU 2095622, F03D3/02, 1997 р. "Вітродвигун". 12. Патент RU 2103545, F03D1/02, 1998 р. "Вітроенергетична установка". 13. Заявка ЕПВ 0045202, F03D1/04, 1982 р. "Вітроенергетична установка". 14. Заявка FR 2092851, В63н13/00, 1972 p." Вітроенергетична установка". 15. Вітроенергетика. Під ред. Д. де Рензо. Переклад з англійської під ред. Шефтера. - М.: Енергоатоміздат, 1982 р. УДК 621548. 16. Заявка № а 200706518, F03D1/00, F03D7/02 "Вітрова електрична установка". ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Вітрова електрична установка з горизонтальною віссю обертання, що містить концентратор вітрового потоку у вигляді конфузора, встановлений на поворотну навколо вертикальної осі опору, ротор з лопатями, встановлений усередині конфузора на роликових або кулькових опорах, генератор, кінематично зв'язаний з ротором, стабілізатор напряму кильового типу, жорстко пов'язаний з конфузором, при цьому внутрішня поверхня ротора виконана конусною і є продовженням внутрішньої поверхні конфузора, а лопаті закріплені на внутрішній поверхні ротора в опорах з можливістю розвороту під тиском вітрового потоку, що набігає, при цьому на зовнішній поверхні ротора закріплене зубчасте колесо, а між внутрішньою поверхнею конфузора і зовнішньою поверхнею ротора рівномірно розміщені і закріплені на конфузорі генератори, кількість яких є парною, наприклад чотири, шість і т. д., на валах яких встановлені шестерні, кінематично зв'язані із зубчатим колесом ротора, яка відрізняється тим, що усередині кожної лопаті, в області її комля, вбудована замкнута камера, подовжня вісь якої зорієнтована в радіальному напрямі, а в камері розташований вантаж з можливістю переміщення уздовж її подовжньої осі. 3 UA 98276 C2 4 UA 98276 C2 5 UA 98276 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 6