Резонансний пристрій для запуску вітроустановки

Реферат: Резонансний пристрій для запуску вітроустановки, встановлений на її опорно-силовому каркасі, виконаний у формі додаткового силового вузла та з можливістю передачі стартового крутильного моменту на вал ротора Дар'є. Додатковий силовий вузол виконаний у вигляді різноплечового маятника, довге плече якого містить силову раму, виконану у вигляді циліндричної ажурної клітки, яка складається з системи опорних штанг, скріплених між собою на декількох рівнях та по торцях поясами міцності. Рама сполучена з площадкою опорносилового каркаса вітроустановки за допомогою кульової опори, а на протилежному її кінці жорстко закріплений тягар, виконаний у вигляді симетричного обтічного тіла. Силовий елемент виконаний у вигляді плоскої лопаті, встановленої на валу з можливістю обертального руху. Вал протилежними своїми кінцями розкріплений між торцями клітки за допомогою підшипникових вузлів. Габарити лопаті визначені діаметром об'єму, обмеженого кліткою силової рами. В порожнину, виконану в тілі тягаря в місці його з'єднання з кліткою та відкриту в бік об'єму клітки, вмонтована рушійна система, що складається з двох зв'язаних між собою крокових двигунів біполярного та багатополюсного, які живляться від акумуляторної батареї. Корпус біполярного двигуна зафіксований в охоплюючій його муфті, насадженій на вал багатополюсного двигуна, який у свою чергу жорстко пов'язаний з донною площиною порожнини тягаря, а вал біполярного двигуна зістикований із лопатевим валом. Біполярний двигун виконаний як синхронізатор і налаштований на 90-градусний крок. Багатополюсний двигун виконаний з можливістю встановлення оптимального положення біполярного двигуна по сигналу від флюгера, при якому лопать в послідовних фазах повороту виконана з можливістю орієнтування строго уздовж або UA 107237 C2 (12) UA 107237 C2 упоперек повітряного потоку. Коротке плече маятника сполучено через зубчате зчеплення з коробкою силової передачі, яка виконана з можливістю спрацювання по сигналу від блока управління та передачі енергії руху маятника на вал ротора Дар'є. UA 107237 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вітроенергетики, а саме до конструкції регульованих вітроенергоустановок, не маючих здатності до самозапуску. Більшість континентальних регіонів України характеризується нестійкими переривними вітрами. І хоча активні значення течій виходять на рентабельний рівень для вертикальноосьових і горизонтальноосьових ВЕУ, часті зупинки потоку загострюють проблему запуску середніх і великих вітроколіс, маючих великий момент зрушування. ВЕУ, не здатні до самозапуску, до яких належать, в першу чергу, вертикальноосьові з ротором типу Дар'є, забезпечуються пристроями для запуску - стартерами. Стартове розкручування здійснюють різними способами. Для репелерних ВЕУ найбільш часто застосовують реверсивний спосіб тимчасового переведення генератора в режим електродвигуна, для чого витрачається мережна або акумульована енергія. Рідше застосовують механічний спосіб, що полягає в тому, що енергію для розкручування основного вітроколеса отримують від додаткового вітроколеса того ж типу, але маючого невеликий момент зрушування. Ще рідше використовуються вітроколеса, оснащені механізмами установки лопатей на пускові кути, внаслідок їх конструктивної ускладненість і зменшену стійкість. Для стартового розкручування роторів Дар'є (як для класичних скруглених модифікацій, так і для ортогональних форм) використовують стартери у вигляді роторів Савоніуса, що функціонують на парусному принципі. Ці ротори, які створюють крутильний момент за рахунок різниці тиску на протилежних лопатях, починають роботу при слабких вітрових напорах. Незалежний тихохідний Савоніус постійно знаходиться в робочому стані, використовує щонайменший вітер, а вироблена їм енергія запасається в акумуляторі або прямо передається на вал робочого ротора. Але існують такі режими повітряних течій, коли ці способи запуску неефективні. 1. При дуже частих зупинках потоку (переривчатих вітрах) процес запуску вітроколеса стартером займає більше часу, ніж триває черговий порив. І внаслідок цього ВЕУ не повністю синхронізується з хвилями енергії, що надходить, втрачаючи продуктивність. 2. При слабких поривах для розкручування крупногабаритного Н-ротора Дар'є стартеру може просто не вистачити вітру. В цих ситуаціях доцільно застосувати буферну технологію, при якій додаткові вітроколеса виконують не тільки функцію стартера, але і функцію додаткового енерговиробника малої потужності. Так, відома вітроенергетична установка за пат. РФ 2304232, МПК F03D 7/02 (2006.01), автори і патентовласники Шахмаметов Рауіль Абдул-Хакимовіч і Хснулов Шаміль Рестемовіч, заявл. 29.04.2004, опубл. 20.10.2005. Винахід може бути використаний при створенні вітроенергетичних установок, що забезпечують вироблення електроенергії в умовах зниженого вітрового навантаження. Вітроенергетична установка включає башту, поворотний вузол, вітроколесо, що містить лопаті, електрогенератор, вузол накопичення пневматичного навантаження з датчиком тиску для регулювання подачі пневматичного навантаження на лопаті вітроколеса, вузол подачі пневматичного навантаження на лопаті ветроколеса, виконаний у вигляді трубок з соплами, тангенціально розташованими відносно до лопатей. Поворотний вузол виконаний у вигляді поворотної платформи, на якій встановлені флюгер-стабілізатор і вертикальні стійки, в яких вмонтований порожнистий вал вітроколеса. Зверху стійок встановлений майданчик, на якому розташовані редуктор і електрогенератор, струмознімач розміщений під платформою. Вузол накопичення виконаний у вигляді компресора, сполученого з ресивером-накопичувачем, які встановлені в основі башти і сполучені трубопроводом з порожнистим валом вітроколеса. Внутрішній простір лопатей заповнений спіненим матеріалом, а трубки вузла подачі пневматичного навантаження на лопаті вітрового колеса вбудовані в порожнистий вал вітроколеса. Експлуатація установки забезпечить стаціонарний робочий режим в умовах зниженого вітрового навантаження, нижче критичного значення, а також при його відсутності протягом достатньо тривалого періоду. До недоліків аналога слід віднести наявність великих втрат енергії при створенні резервного запасу енергії і низьку ефективність використання цієї енергії. 3 Відомий вітроагрегат за а.с. СРСР № 1048158, МКІ F03D 1/02, автор В.А. Попов, заявка № 3415594/25-06, заявл. 01.04.82, опубл. 15.10.83, Бюл. № 38. Вітроагрегат містить два співвісних вітроколеса з концентрично розташованими внутрішнім і зовнішнім валами. Останній вал сполучений з генератором за допомогою силової передачі. Для полегшення запуску при малих швидкостях вітру, він оснащений додатковим генератором, приєднаним до внутрішнього вала, і встановленими на обох валах обгінними муфтами і маховиками. Вітроколесо з внутрішнім валом має менший діаметр, ніж інше вітроколесо, а перший генератор виконаний у вигляді 1 UA 107237 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 оборотної електричної машини. Силова передача виконана у вигляді ланцюгового редуктора із зубчастим колесом. До недоліків аналога слід віднести неможливість резервного накопичення енергії на випадок роботи в режимі переривчастого вітру з великими проміжками між поривами. Найближчим до винаходу технічним рішенням, прийнятим за прототип, є вітродвигун, 5 описаний в декларативному пат. України №1 9590, МПК F03D 3/02, автор Яковлев А.І., заявл. 03.02.94, опубл. 25.12.97, Бюл. № 6. Пристрій містить вертикальний вал і закріплені на ньому за допомогою діагональних зв'язків криволінійні робочі лопаті, зігнуті в подовжньому перерізі, а два пускові ротори Савоніуса, які утворюють додатковий силовий вузол, розміщено на валу над і під лопатями, причому кожний ротор виконаний у вигляді упорів і двох криволінійних пластин, забезпечених тягарями, встановленими з можливістю повороту на діаметрально протилежних шарнірах за допомогою пружин різної жорсткості і взаємодіючих з упорами, причому шарніри пластин ротора розташовані взаємно перпендикулярно. Згідно з винаходом, робочі лопаті як силовий елемент додатково містять викривлені під певним радіусом пластини з подовжніми ребрами жорсткості, на які з двох сторін встановлені напівпрофільні накладки, що скріпляють в моноліт з вказаними пластинами і створюючи разом обтічний профіль. До недоліків прототипу слід віднести те, що слабкий вітровий натиск може не дати потрібного стартового моменту для пускових роторів. ВЕУ простоюватиме внаслідок того, що, не розкрутившись наперед, буде пропускати чергові цілком рентабельні пориви вітру. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача забезпечення безперервної роботи вітроустановки в переривистих вітрових потоках шляхом резервування механічної енергії за допомогою резонансного пускового пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що додатковий силовий вузол виконаний у вигляді різноплечового маятника, довге плече якого містить силову раму, виконану у вигляді циліндричної ажурної клітки, яка складається з системи опорних штанг, скріплених між собою на декількох рівнях та по торцях поясами міцності, рама сполучена з площадкою опорно-силового каркаса вітроустановки за допомогою кульової опори, а на протилежному її кінці жорстко закріплений тягар, виконаний у вигляді симетричного обтічного тіла, силовий елемент виконаний у вигляді плоскої лопаті, встановленої на валу з можливістю обертального руху, вал протилежними своїми кінцями розкріплений між торцями клітки за допомогою підшипникових вузлів, а габарити лопаті визначаються діаметром об'єму, обмеженого кліткою силової рами, в порожнину, виконану в тілі тягаря в місці його з'єднання з кліткою та відкриту в бік об'єму клітки, вмонтована рушійна система, що складається з двох зв'язаних між собою крокових двигунів біполярного та багатополюсного, які живляться від акумуляторної батареї, при цьому корпус біполярного двигуна, зафіксований в охоплюючій його муфті, насадженій на вал багатополюсного двигуна, який у свою чергу жорстко пов'язаний з донною площиною порожнини тягаря, а вал біполярного двигуна зістикований із лопатевим валом, коротке ж плече маятника сполучено через зубчате зчеплення з коробкою силової передачі, яка спрацьовує по сигналу від блока управління та передає енергію руху маятника на вал ротора Дар'є. Проведемо порівняльний аналіз основних відмінних ознак технічного рішення, що заявляється. Відмінна ознака "додатковий силовий вузол виконаний у вигляді різноплечового маятника, довге плече якого містить силову раму, виконану у вигляді циліндричної ажурної клітки, яка складається з системи опорних штанг, скріплених між собою, рама сполучена з площадкою опорно-силового каркаса вітроустановки за допомогою кульової опори, а на протилежному її кінці жорстко закріплений тягар, виконаний у вигляді симетричного обтічного тіла" визначає основний конструктивний крок, згідно з яким ВЄУ набуває найбільш значущі свої переваги. Для передачі робочому ротору вітроустановки стартового крутильного імпульсу, застосовується стартер у вигляді механічного накопичувача. Доцільність цього прийому виправдана тим, що енергія вітру є кінетичною енергією руху повітряної маси. Механічний накопичувач, згідно з принципом своєї роботи, зв'язує механічну енергію і передає її без втрат на вал, а не перетворить її заздалегідь в електричну, з тим, щоб потім перетворювати її знову в механічну форму для розкручування ротора. Крім того, поривчастий вітер характеризується хвилеподібним характером енергонадходжень на робочий орган накопичувача. Тому принцип його роботи заснований на резонансному типі взаємодії. Виходячи з цих міркувань накопичувач виконаний у формі різноплечового маятника, на більшому плечі якого встановлений тягар. Для його роботи використовується принцип синхронізації частоти сили аеродинамічного тиску з власною частотою маятника. Накопичувачем, тобто елементом, що акумулює енергію є тягар. Енергія тягаря може бути передана ротору з положення щонайвищого відхилення, при максимумі потенціальної енергії. 2 UA 107237 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Опускаючись в нейтральне положення, маятник віддає запасену енергію, підтримуючи роботу ротора або ж виводячи його на динамічний режим. Перевага буферного способу запуску вітроустановки полягає в тому, що маятниковий накопичувач в стані резонансної настройки здатний сприймати щонайменші рухи повітряних мас, тоді як пускові ротори в прототипі не спрацьовують нижче за порогове значення швидкості вітру. Відмінні ознаки "силовий елемент виконаний у вигляді плоскої лопаті, встановленої на валу з можливістю обертального руху, в порожнину, виконану в тілі тягаря вмонтовані крокові двигуни - біполярний і багатополюсний, причому корпус біполярного двигуна, зафіксований в охоплюючій його муфті, насадженій на вал багатополюсного двигуна, а вал біполярного двигуна зістикований із лопатевим валом, при цьому біполярний двигун виконує функцію синхронізатора, а багатополюсний двигун змінює кутове положення біполярного двигуна" відображують ряд конструкційних змін, які забезпечують ефективну роботу модернізованого по основній ідеї накопичувача енергії. Лопать, у фазі руху назустріч вітру за допомогою біполярного двигуна встановлюється уздовж швидкості вітру, маятник при цьому піддається дії сили з боку потоку. В нейтральному положенні лопать поворотом орієнтується уздовж потоку, що відбувається у фазі руху маятника за вітром. Лопать міняє своє положення з частотою, співпадаючою з частотою власних коливань маятника. Резонансний режим силової взаємодії набагато ефективніший режиму звичайного вітроприйому в роторі Савоніуса, який застосований у прототипі. Відмінна ознака "коротке плече маятника сполучено через зубчате зчеплення з коробкою силової передачі, яка спрацьовує по сигналу від блока управління та передає енергію руху маятника на вал ротора Дар'є" визначає спосіб, за яким відбувається передача енергії від накопичувача на ротор ВЕУ. Коротке плече маятника входить в коробку силової передачі. Енергія його руху може при зчепленні передаватися на вал ротора ВЕУ. Зчеплення спрацьовує при зупинці ротора. Така форма енергопідтримки вигідно відрізняється від прототипу, оскільки у момент необхідності подачі на ротор пускової сили в пристрої, що патентується, є запас енергії, а в прототипі вона з'являється тільки з приходом чергового пориву вітру. За відомостями, що є у авторів, запропонована сукупність відмітних ознак, яка характеризує суть винаходу, не відома в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використане при проектуванні переважно вертикальноосьових ВЕУ для регіонів з переривчастим характером вітрових течій. Схема пристрою, що патентується, пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 приведений загальний вигляд ВЕУ зі схематичним відображенням резонансного пристрою, на фіг. 2 представлена докладна структура маятника, на фіг. 3 - переріз маятника по АА. Схема ВЕУ з резонансним пристроєм для запуску ротора, що патентується, який інтегрований до складу вітроустановки, приведена на фіг. 1. Пристрій виконаний у вигляді різноплечового маятника 1, розміщеного у вільному просторі між палями 2 опорного каркаса ВЕУ, що підтримують площадку 3, на яку спирається вал 4 ротора Дар'є 5. Довге плече маятника (фіг. 2 та фіг. 3)) містить силову раму, виконану у вигляді циліндричної ажурної клітки, яка складається з системи опорних штанг 6, скріплених між собою на декількох рівнях та по торцях поясами міцності 7. Клітка сполучена з площадкою 3 каркаса вітроустановки за допомогою кульової опори 8. На протилежному від кульової опори кінці довгого плеча встановлений тягар 9, який має форму симетричного обтічного тіла. Маса тягаря підбирається в прямій залежності від потужності ротора ВЕУ. Силова рама оснащена плоскою лопаттю 10, закріпленою по центру клітки на валу 11 з можливістю руху навколо осі. Вал 11 протилежними своїми кінцями розкріплений між торцями клітки за допомогою підшипникових вузлів 12 та 13. Габарити лопаті пропорційні діаметру об'єму, обмеженого кліткою. В порожнину, виконану в тілі тягаря 9 в місці його з'єднання з кліткою вмонтована система енергопостачання, що складається з двох зв'язаних крокових двигунів - біполярного 14 і багатополюсного 15. Корпус біполярного двигуна зафіксований в охоплюючій його муфті 16, насадженої на вал 17 багатополюсного двигуна, який у свою чергу жорстко пов'язаний з донною площиною порожнини тягаря 9. Вал 18 біполярного двигуна зістикований із лопатевим валом 11. Коротке плече 19 маятника сполучено через зубчате зчеплення (не показано) з редуктором 20. Обидва двигуни живляться від акумуляторної батареї 21. На опорі встановлений флюгер 22 для орієнтування лопаті через блок управління 23. Флюгер забезпечений датчиками положення (не показані). Описаний пристрій працює наступним чином. 3 UA 107237 C2 5 10 15 20 25 Діапазон вітрових швидкостей, при яких можлива робота резонансного пристрою, істотно ширше за діапазон роботи ротора, оскільки у останнього існує поріг самозапуску. Причому та, швидкість вітру, при якій самозапуск стає можливим, достатньо висока. Вона може помітно перевищувати величину підтримуючої швидкості. Резонансний пристрій починає роботу при щонайменших поривах. Він запускається одразу ж після проведення орієнтування лопаті 10 на вітер. Інформація з флюгера 22 про вітровий напрямок поступає на блок управління 23, і служить сигналом для спрацьовування багатополюсного крокового двигуна 15. Він встановлює оптимальне положення, при якому лопать 10 в послідовних фазах повороту орієнтується строго уподовж або упоперек потоку. Після цього включається біполярний двигун 14, швидкість спрацьовування якого наперед задається по значенню власної частоти коливань маятника. Таким чином, при кожному відхиленні маятника лопать 10 повертається, встановлюючись уздовж потоку при русі маятника назустріч вітру і упоперек при його русі за вітром (фіг. 3). Спрацьовуючи з 90-градусним кроком біполярний двигун 14 за один оборот двічі виводить лопать на вітер. Таким чином,даний двигун виконує функцію синхронізатора. Періодичний силовий тиск на маятник 1 в такт його гойданням, збільшує амплітуду коливань. При максимальному відхиленні маятник набуває значного запасу енергії, передача якої через редуктор 20 на вал 4 ротора Дар'є, може дати йому стартовий імпульс при кожній зупинці ротора через відсутність вітру. При цьому маятник втрачає частину амплітуди, а ротор 5 починає рух, підхоплюючи вітер. Після віддачі енергії на розкручування зчеплення з валом 4 ротора знімається, і маятник 1 продовжує накопичувати енергію, відновлюючи її запас. Оскільки лопать 18 симетрична щодо вала 11, то для утримання її у фіксованому робочому положенні не треба витрачати великих зусиль. Тиск повітряного потоку розподілиться теж симетрично по площині лопаті 10 і не вимагає скільки-небудь істотної силової корекції. Запуск ВЕУ за допомогою резонансного пристрою здійснюється як при першому старті, так і при періодичних штильових зупинках. Крім того, немає серйозних технічних перешкод для використання резонансного пристрою і для вироблення електроенергії при її надмірному надходженні на маятник. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 50 55 Резонансний пристрій для запуску вітроустановки, встановлений на її опорно-силовому каркасі і виконаний у формі додаткового силового вузла, що містить силові елементи у вигляді керованих лопатей, та з можливістю передачі стартового крутильного моменту на вал ротора Дар'є, який відрізняється тим, що додатковий силовий вузол виконаний у вигляді різноплечового маятника, довге плече якого містить силову раму, виконану у вигляді циліндричної ажурної клітки, яка складається з системи опорних штанг, скріплених між собою на декількох рівнях та по торцях поясами міцності, рама сполучена з площадкою опорно-силового каркаса вітроустановки за допомогою кульової опори, а на протилежному її кінці жорстко закріплений тягар, виконаний у вигляді симетричного обтічного тіла, силовий елемент виконаний у вигляді плоскої лопаті, встановленої на валу з можливістю обертального руху, вал протилежними своїми кінцями розкріплений між торцями клітки за допомогою підшипникових вузлів, а габарити лопаті визначені діаметром об'єму, обмеженого кліткою силової рами, в порожнину, виконану в тілі тягаря в місці його з'єднання з кліткою та відкриту в бік об'єму клітки, вмонтована рушійна система, що складається з двох зв'язаних між собою крокових двигунів біполярного та багатополюсного, які живляться від акумуляторної батареї, при цьому корпус біполярного двигуна зафіксований в охоплюючій його муфті, насадженій на вал багатополюсного двигуна, який у свою чергу жорстко пов'язаний з донною площиною порожнини тягаря, а вал біполярного двигуна зістикований із лопатевим валом, при цьому біполярний двигун виконаний як синхронізатор і налаштований на 90-градусний крок, а багатополюсний двигун виконаний з можливістю встановлення оптимального положення біполярного двигуна по сигналу від флюгера, при якому лопать в послідовних фазах повороту виконана з можливістю орієнтування строго уздовж або упоперек повітряного потоку, коротке ж плече маятника сполучено через зубчате зчеплення з коробкою силової передачі, яка виконана з можливістю спрацювання по сигналу від блока управління та передачі енергії руху маятника на вал ротора Дар'є. 4 UA 107237 C2 5 UA 107237 C2 6 UA 107237 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 7