ветроэнергетическая установка с осью вращения, пересекающей направление ветра

Формула изобретения

1. Ветроэнергетическая установка с осью вращения, пересекающей направление ветра, и ротором с лопастями, установленными под углом к оси вращения, отличающаяся тем, что в статическом положении ветроэнергетической установка ее лопасти с осью вращения ветроустановки образуют угол 42 - 55^o, при этом ротор содержит число лопастей 2n + 3, где n 0 или любому другому натуральному числу.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что упругие элементы выполнены таким образом, чтобы при увеличении частоты вращения ротора с лопастями происходило синхронное отклонение лопастей в зону, где нагрузки на лопасти и мощность, подводимая к электрогенератору, уменьшаются в одинаковой степени и не превышают допускаемых этими устройствами.

Описание изобретения к патенту

Данное техническое решение относится к области техники, в рамках которой производится изучение и разработка ветроэнергетических установок (ВЭУ) с осью вращения, пересекающей направление ветра.

Известны ВЭУ с осью вращения, пересекающей направление ветра, как это приведено в материалах заявки Великобритании N 2175350, F 03 D 3/00, 11/04, 1986, органы которых, непосредственно взаимодействующие с ветровым энергонесущим потоком, лопасти, в количестве двух, расположены под углом в диапазоне 0.80 градусов от оси вращения.

Ось вращения при этом перпендикулярна направлению ветра.

После предварительной раскрутки ВЭУ может сама вращаться, забирая энергию от ветрового потока, при этом с увеличением скорости ветра угол между осью вращения и лопастями увеличивается до 80 градусов.

Недостатками приведенного решения являются:

необходимость раскручивания системы лопастей при возникновении ветрового потока; как следствие, включение в состав ВЭУ систем и устройств, определяющих наличие ветрового потока и обеспечивающих выдачу управляющих сигналов и силового питания на провод раскрутки;

необходимость защиты лопастей от разрушения в поле инерционных сил и электрогенератора от перегрузки при большой мощности ветрового потока.

Существует другое решение, приведенное в материалах авторского свидетельства СССР N 1460393, которое также используется для преобразования энергии движущегося потока в энергию вращения ротора.

В соответствии с ним каждая лопасть ротора соединена с валом ротора с помощью упругого элемента, жесткость которого подобрана таким образом, чтобы при вращении ротора воздействующие на лопасть и уравновешивающиеся силами упругости инерционные и аэродинамические (гидродинамические) силы определяли необходимое положение лопасти относительно энергонесущего потока и вала ротора.

Направление потока при этом параллельно оси вала ротора.

Подобная схема ротора с лопастями в энергонесущем потоке адекватна ВЭУ с осью вращения, параллельной направлению энергонесущего потока; при этом увеличение скорости потока увеличивает частоту вращения ротора с лопастями, которые отклоняются в положение, близкое к перпендикулярному к потоку, что, в свою очередь, приводит к увеличению частоты вращения ротора и съему с потока большей мощности.

Изменение направления потока относительно оси ротора на 90 градусов позволит изменить зависимость между скоростью потока и частотой вращения ротора, а также вырабатываемой им мощностью, обеспечив уменьшение значений мощности, которую можно "снять" с вала ротора при увеличении скорости потока, а также уменьшить инерционные нагрузки, являющиеся основными по своей величине, и определяющие конструкцию лопасти или даже возможность существования ее при больших значениях частоты вращения.

Описанные решения приняты в качестве прототипов.

Целью предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков прототипов и создание в результате этого ветроэнергетической установки, которая обеспечивала бы выработку дешевой электроэнергии за счет применения в схеме ВЭУ и ее конструкции решений, позволяющих отказаться от систем ориентации на ветер, систем раскручивания ротора с лопастями, устройств, обусловленных проблемами сброса электроэнергии потребителю, а также защитить электрогенератор и лопасти ВЭУ от перегрузки и обеспечить хороший технологический и эксплуатационный облик установки.

Для реализации поставленной задачи предлагается создавать ветроэнергетические установки на базе известной схемы с осью вращения рабочих органов лопастей, пересекающей направление этого потока. Лопасти выполняются прямыми, форма их обеспечивает применение технологии без деформации с вытяжкой листового материала, используемого в качестве обшивки.

Число лопастей должно быть равным 3, 5, 7, и так далее, что можно выразить формулой (2n+3), где n=0 или любому числу из натурального ряда.

Отсутствие симметрии по нагрузкам, действующих в плоскостях, перпендикулярных оси вращения системы лопастей, позволяет в принципе создать предпосылки для определения облика самораскручивающейся установки с осью вращения, пересекающей направление ветра.

Как показали исследования, проведенные на математической модели и действующем реальном макете ВЭУ, самораскрутка устойчиво обеспечивается при сравнительно узком диапазоне углов развала лопастей от оси вращения.

Значения этих углов лежат в диапазоне от 42 до 55 градусов, т.е. самораскрутка может быть обеспечена для ВЭУ с осью вращения, пересекающей направление ветра под углом, близким к прямому, с числом лопастей 3, 5, 7, которые образуют с осью вращения угол в диапазон от 42 до 55 градусов.

При достижении определенных значений частоты вращения ротора с лопастями мощность, отбираемая у ветрового потока и направляемая к нагрузке, в частности к электрогенератору, может превысить значение, на которое рассчитан электрогенератор.

Возникающую проблему его защиты от перегрузки предлагается решать за счет уменьшения значения подаваемой на его вход мощности путем снижения способности ротора с лопастями забирать эту мощность от ветрового потока.

Для рассматриваемой схемы ветроустановки данный способ возможно реализовать, изменяя синхронно угол развала каждой лопасти относительно оси вращения.

Мощность N, забираемая у ветрового потока, в основном пропорциональна площади сечения проходящего через ось вращения конуса, образованного лопастями ВЭУ при их вращении с углом полураствора v.

Площадь сечения этого конуса плоскостью, проходящей через его ось вращения, равна S = L²cossin,, что соответствует величине мощности, забираемой у ветрового потока, пропорциональной cossin.

В соответствии с изменением произведения cossin будет изменяться величина мощности, подаваемой на вход электрогенератора.

С другой стороны, каждая лопасть ВЭУ при вращении с частотой подвергается воздействию изгибающего момента М, в основном, зависящего от возникающих инерционных сил F и определяемого как M = Flcos,, т.е. пропорционально величине cos; этой же величине пропорционально и значение напряжения в материале лопасти.

Оказывается, что при изменении положения лопасти в диапазоне углов v45. 90 градусов значения cossin и cos весьма близки, иными словами, решение задачи предохранения электрогенератора от перегрузки за счет отклонения лопастей настолько же эффективно, насколько эффективно это же решение для предохранения самих лопастей от разрушения при их вращении.

На фиг. 1 показан общий вид ветроэнергетической установки с осью вращения, пересекающей направление ветра;

на фиг. 2 приведены графики зависимости крутящего момента М_кр от частоты вращения и угла развала лопастей v,

на фиг. 3 графики изменения мощности, подводимой к электрогенератору, и нагрузки от инерционных сил, действующих на лопасти, изгибающего момента - от угла развала лопастей v

Ветроэнергетическая установка состоит из центрально вала 1, на котором с помощью кронштейна установлены лопасти 2. Центральный вал 1 через опорный подшипник соединен с устройством фиксации 3 ВЭУ на земной поверхности.

Электрогенератор 6 через мультипликатор 5 и муфту 7 связан с центральным валом 1.

Каждый упругий элемент 9 рессора двумя своими концами шарнирно оперт на центральный вал 1 и лопасть 2.

Каждая лопасть 2 образует с осью вращения угол v и может синхронно со всеми отклоняться от своего положения, изменяя значение этого угла.

Работа установки начинается с появления ветрового потока, минимальная скорость которого определяется началом превышения крутящего момента над моментом сил трения и моментом сопротивления в электрогенераторе.

При вращении лопастей возникает момент от сил инерции, стремящийся повернуть каждую лопасть в сторону увеличения угла v.

Ему противодействует момент сил упругости упругого элемента 9.

После достижения определенной частоты вращения w под действием момента от сил инерции (центробежные силы) лопасти занимают новое положение, определяющееся новой величиной угла v.

На фиг. 2 зависимость крутящего момента М_кр от частоты вращения w и угла развала лопастей v иллюстрирует возможность самораскрутки ВЭУ.

Например, для угла v45 градусов, рассматривая верхнюю и нижнюю кривые графика, можно заметить, что при соответствующей ориентации системы лопастей относительно ветрового потока возможно начало их вращения в сторону, обратную рабочей, при этом нижняя кривая графика показывает, что крутящий момент уменьшается по абсолютной величине, достигая нуля и переходя в зону его положительных значений; ротор с лопастями при этом тормозится, затем раскручивается в необходимую сторону.

Разница в угловом положении системы лопастей, находящейся в зоне положительных значений крутящего момента и в зоне отрицательных его значений, составляет величину (180/n).

Иными словами, при самораскрутке возможен поворот системы лопастей на угол (180/n) градусов в сторону, обратную рабочей, затем начинается нормальный процесс самораскрутки.

График, приведенный на фиг. 3, иллюстрирует возможность спасения электрогенератора от перегрузки избыточной мощностью, подводимой от ротора с лопастями, и спасения лопастей от разрушения при высоких скоростях вращения.

При выходе ротора с лопастями на высокие значения угловой скорости вращения w начинается процесс их синхронного поворота в сторону увеличения угла v. При новой конфигурации системы лопастей уменьшается их способность брать энергию от ветрового потока; одновременно уменьшаются значения изгибающего момента, являющегося результатом действия инерционных сил.

Оба процесса весьма близки друг к другу, о чем свидетельствует близость двух графиков на фиг. 3, упругие элементы выполнены таким образом, чтобы при увеличении частоты вращения ротора с лопастями происходило синхронное отклонение лопастей в зону, где нагрузки на лопасти и мощность, подводимая к электрогенератору, уменьшаются в одинаковой степени и не превышают допускаемых этими устройствами.