Изобретение относится к ветроэнергетике и может найти применение для автономного энергоснабжения объектов и выработки электроэнергии в энергосистему.

Известна ветроэлектростанция «Ротор с вертикальным валом и регулировкой оборотов ветровой установки» (Патент

031 105 А I ), которая имеет отношение к ветряной турбине с регулировкой оборотов или мощности, вертикальным валом, состоящим из нескольких формованных заготовок, расположенных на вращающемся вале с дугообразными поверхностями для передачи энергии в главный вал; при этом формованные заготовки вращаются с целью преобразования энергии. Управляемое движение осуществляется благодаря центробежной силе масс или вспомогательного привода.

Недостатком изобретения, является то, что движение груза по шине не всегда возможно.; Например, при попадании на шину посторонних предметов, занесенных ветром или попадание снега, а также воды и смерзание воды в холодное время года не даст возможности двигаться грузу по шине, что приведет к поломке установки при высокой скорости ветра. Если шину закрыть гофрированным шлангом, то при попадании на гофры воды и смерзании роды, получившийся лед не даст возможности сжиматься шлангу Следовательно, груз не будет двигаться но шине, что также приведет к поломке установки при сильном ветре. Кроме того, создается стук между грузом и шиной, поскольку давление ветра на лопасти будет отклонять груз к шине.

Для повышения мощности необходимо увеличить площадь лопастей (полукруглых ободов). А это при водит к снижению скорости вращения ветроагрегата, в связи с чем существенно снижается центробежная сила и .движения груза по шине не происходит, следовательно, не будет управления изб ыточно й мощифстыо.

Следующим I недостатком является то, что две лопасти (полукруглые обода) неуправляемо смыкаются под действием: силы ветра, когда направление ветра совпадает с линией, проходящей через ось вращения между вертикальными кромками двух противоположных лопастей (полукруглых ободов). Это ведет к вращению ветроагрегата рывками, что приводи т к преждевременному разрушению подшипников главного вала и неравномерной нагрузке генератора.

Известна ветроэлектростанция «Модифицированный ротор Савониуса» (Патент США US 6,283,7! I Ш). В данном изобретении ротор состои т из двух профилей, симметрично расположенных вокруг оси вращения. Каждый профиль состоит I из внешней лопасти, имеющей переднюю кромку и хвостовую кромку! и внутренней лопасти, имеющей хвостовую и переднюю кромку, прикреш шой к хвостовой кромке внешней лопасти. Внешняя лопасть имеет ^· радйус R и тянется не более че на 90 градусов вокруг оси вращения. Внутренняя лопасть тянется на 180 градусов вокруг оси, которая расположена параллельно к оси вращения, но смещена от нее. Радиус внутренней лопасф составляет десятичные доли радиуса внешней лопасти в пределах от 0,6 до 0,8. Автоматическое ограничение скорости вращения в одной конструкции, позволяя центробежной силе деформировать внутренние лопасти с тем, чтобы сократить площадь поперечного сечения пути потока воздуха через ротор.

Недостаток | данного изобретения заключается в следующем. В положении, когда! лопасти будут перпендикулярн направлению ветра, воздух не попадает внутрь лопастей и установка должна проскочить этот участок пути вращения за счет инерции. Следовательно, отбор мощности на генератор будет снижать скорость вращения, поэтому вращение будет рывками. При увеличении площади лопастей, для увеличения мощности, скорость вращения снижается, энергии инерции не хватит для преодоления сопротивления вращению, создаваемое генератором. Равномерность вращения можно обеспечить увеличением количества лопастей, однако в данном изобретении этого сделать не возможно в принципе, поскольку любое усовершенствование требуе т изобретательский уровень.

Известна «Вертикально-осевая 'турбина» (Патент ВеликобританииСВ 2 420 597 А). Турбина состоит из лопастей, установленных вокруг центральной оси таким образом, что они могут вращаться вместе вокруг центральной оси, причем каждая лопасть турбины установлена на оси по направлению к ее внешней периферии вокруг оси, главным образом параллельные к ! центральной оси. Устройство смещения смещает внутреннюю периферию лопастей турбины по направлению к центральной оси. Когда лоиастй турбины по е! даются в поток жидкости, они вращаются совместно вокруг центральной оси, и с увеличением скорости вращения, они вращаются вокруг опоры против смещения, означая, что происходит снижение скорости вращения.

Недостатком ! изобретения является то, что движение груза по валу не всегда возможно. ! Например, при попадании между валом и грузом посторонних предметов, занесенных ветром или попадание снега, а также водь ^] и смерзаний ^В °Д ^Ы в холодное время года не даст возможности з двигаться грузу up валу, что приведет к поломке установки при высокой скорости ветра. Вели вал закрыть гофрированным шлангом, то при попадании на гофры воды и смерзании воды, получившийся лед не даст возможности сжийаться шлангу. Следовательно, груз не будет двигаться по валу, что также приведет к поломке установки при сильном ветре. Кроме того, создается стук между грузом и валом, поскольку давление ветра на лопасти будет отклоня ть груз к валу. В этом случае можно исключит ь поступательное движение груза по валу, убрав вал между опорами лопастей. Однако в этом случае не контролируемое движение груза не позволит одновременно открываться и закрываться лопастям. Это снижает эффективность регулирования скоростью вращения и может при сильном ветре привести к поломке установки. Кроме того, для увеличения мощности необходимо увеличить параметры лопастей, а также удлинить соединения, что приводит к увеличению диаметра окружности, описываемые опорами. В этом случае скорофть вращения (число оборотов) снижается и центробежная сила не может отклонить лопасти (стойки) и поднять груз, что исключит регулирование скоростью вращения. Кроме того, смещение центра тяжести лопастей турбины |от оси вращения на конец соединения также не позволяет развиться центробежной силе при увеличении диаметра.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является Ветроэлектростанция (Патент РК 31790) состояния из вала, груза, двух или более лопастей в виде сегментов цилиндра, имеющих внутренние и внешние кромки. Лопасти закреплены в торнах между внутренней и внешней кромкой к подшипникам. лопастям в местах крепления подшипниками жестко закреплены V-обрарные рычаги, концы которых шарнирно соединены между собой тягами. Ba.it шарнирно соединен с опорной осью, которая жестко закреплена к земде. На валу прикреплен шарнирно шкив и жестко ограничитель грузф на ограничи теле расположен груз с возможностью перемещения по ограничителю. Груз закреплен к одному концу гибкой связи, которая переброшена через шкив и другим концом прикреплена к внутренней кромтф лопасти. Между лопастями в виде сегментов цилиндра ус ановлены две цди более аэродинамические лопасти. Эт и лопасти также имеют внутренние и внешние кромки. В торцах аэродинамических лопастей ближе к центру Шарнирно прикреплены траверсы, вторые концы гравере жестко соединены! с валом. Наружные кро ки аэродинамических лопастей в торцах шарнирно ^соединены между собой траверсами. Внутренняя кромка одной аэродинамической лопасти соединена гибкой связью с лопастью в виде сегмента цшйшдра между ее внутренней кромки и осью. Гибкая связь переброшена через горизонтальный шкив, который шарнирно прикреплен к валу. Наружная кромка одной аэродинамической лопасти соединена гибкой связью с грузом, которая переброшена через вертикальный шкив. Груз помещен в/на ограничителе с возможностью вертикального перемещения, вертикальный шкив шарнирно прикреплен к валу. Траверсы лопастей в виде сегментов цилиндра выполнены короче, чем траверсы аэродинамических лопастей.

Недостатком! данного технического решения является то, что на ветрах с малой скоростью практически работают только парусные лопасти, а аэродинамические ! лопасти не вносят существенного вклада в выработку электроэнергии.

Целью настоящего изобретения является разработка ветроэлектростанции (ВЭС), позволяющей:

» повысить ! коэффициент полезного действия, коэффициент использованйя номинальной мощности и коэффициент использования во времени;

• обеспечить Практически постоянную мощность электростанции не зависимо от скорости и направления ветра;

• упростить конструкцию и повысить эффективность работы, как на малых скоростях ветра, так и на повышенных скоростях;

• повысить надежность работы, при существенном увеличении мощности, что ведет к снижению стоимости и затрат на эксплуатацию. Технический результат - увеличение выработки электроэнергии, повышение коэффициента использования энергии ветра во времени и по мощности вне зависимости от направлени и скорости ветра, упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных характеристик, снижение удел ьной стоимости изготовления и эксплуатационных расходов, повышение эффективности работы ветроэлектростанции на малых, средних и больших скоростях ветра и надежности при увеличении единичной мощности ветроэлегфосташфш .

Технический результат достигается тем, что при работе аэродинамических! лопастей увеличивается коэффициент полезного действия. Использование парусных лопастей и установка аэродинамических лопастей, а также их конструкции существенно повышает эффективность работы ветроэлектростанции при малых скоростях ветра, поскольку аэродинамические !лопасти на малых скоростях ветра работают как парусные. Возможность изменения площади! ометаемой поверхности за счет смыкания и открывания парусных и аэродинамических лопастей увеличивает диапазон используемых скоростей ветра, т.е. увеличивается коэффициент использования энергии ветра во времени. Отклонение аэродинамическихлопастей от нормального положения позволяет им работать на малых скоростях ветра Как парусные, а при закрывании парусных лопастей переходят к работе! как аэродинамические, дальнейшее закрывание парусных лопастей при дальнейшем увеличении скорости ветра не позволяет увеличить скорость вращения ветроприемной части ветроэлектростанции, что обеспечивает ! надежность работы при сильных скоростях ветра и расширяет диапазон используемых скоростей ветра.

Причинно-следственная связь между существенными признаками изобретения и достигаемыми результатами заключается в том, что при

!

применении указанных признаков ветроэлектростанция работает эффективно за счет парусн х и ^аэродинамических лопастей на малых скоростях ветра как парусная , а при повышенных скоростях на принципе т о дъемно й силы крыла самолета (аэродинамический принцип). Так, при малых лопасти (в виде сегментов полого тора)

и аэродинамические лопасти, при повышении скорости ветра парусные лопасти за счет давления ветра прикрываются, аэродинамические лопасти принимают нормальное положение и начинают работать только как аэродинамические; Это повышает коэффициент полезного действия. При дальнейшем усилении ветра, парусные лопасти смыкаются, а аэродинамические; паруса отклоняются относительно своей оси и оказывают сопротивление вращению. Это не позволяет ускорять вращение, что обеспечивает надежность работы ветроэлектростанции. Кроме того, приведенные признаки увеличиваю ! коэффициент использования энергии ветра во времени, т.е. ветроэлектростанция будет работать в диапазоне скоростей от 2-3 до 60 м/с. В результате ВЭС работает большее количество дней, следовательно, и выработка электроэнергии увеличится. Но более важным фактором является то. что увеличенные параметры лопастей позволяют достигать номинальную мощность при малых скоростях ветра. А также можно существенно увеличить единичную мощность установки, не снижая надежности. Эго достигается тем, что при малых скоростях ветра, например, при сфрости до 8-10 м/с, увеличивается площадь ометаемой поверхности за счет открытия парусных лопастей и изменения положения и конструкции аэродинамических лопастей, которые в это время работают’ как парусные. При увеличении скорости ветра, например, до 20-25 м/с площадь ометаемой поверхности парусных лопастей уменьшается за счет смыкания, а аэродинамические допасти принимают нормальное положение. При порывах ветра выше, например, 25 м/сдавление ветра смыкает парусные лопасти. Надежность работах обеспечивается также за счет простоты конструкции и за счет того, что площадь ометаемой поверхности увеличивается при уменьшении скорости ветра и уменьшается при увеличении скорости ветра. А при значительном увеличении скорости ветра, аэродина ические лопасти о казывают со противление вращению . Следует от е шть, ч то при закрывании лопастей, как показали эксперименты, ветроэлектростанция продолжает работать по следующей причине. При закрывании лопастей сопротивление ветру уменьшается, лопасти начинаю† открываться, но из-за сильного ветра лопасти вновь смыкаются и продолжаю! вращение.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 и Фиг. I A представлена схема расположения парусных и аэродинамических лопастей, а также расположение шкивов и гибкой связи. На Фиг. 2а показано положение аэродинамических! лопастей при отсутствии ветра или слабом ветре, т.е. в режиме работы как парусные при слабом ветре, вид сверху и на Фиг, 26- положение парусных лопастей при отсутствии ветра или слабом: ветре, вид сверху. Па Фиг. За и на Фиг. 36 представлены соответственно положение аэродинамических! и парусных лопастей при усилении ветра. На Фит. 4а и 46 - положение аэродинамических и парусных лопастей при скорости ветра, например, от 8-10 до 20-25 м/с, вид сверху. Фиг. 5 - положение аэродинамических! лопастей в режиме торможения и в работе парусных лопастей при скорости ветра более 20-25 м/с, вид сверху. На Фиг. 6- расположение груза в ограничителе.

Ветроэлектростанция состоит (Фиг. 1 - 5) из вала 1 , двух и более аэродинамических !лопастей 2 с наружными и внутренними: кромками, двух и более парусных лопастей 3 имеющие форму части полого тора с наружными и внутренними кромками, V-образных рычагов 4 аэродинамических лопастей 2 и V-образных рычагов 5 парусных лопастей 3, тяг аэродинамических лопастей 6 инаруфных лопастей 7, траверсов (стяжек) аэродинамических лопастей 8 и паруфных лопастей 9, рычаги аэродинамической лопасти 10 и 1 1 , гибкой связи ! 12, 13, и 14, шкивов 15, 15а, 16, 16а, 17, груза 18, ограничителя 19 (фиг. 6).

Аэродинамические лопасти 2 расположены диаметрально выше и ниже парусных лоиастей! 3. Аэродинамические лопасти 2 в торцах шарнирно соединены с наружными концами траверсы (стяжки) 8. Второй конец траверса 8 жестко закреплен к валу 1 (Фиг 1 а-5а), В месте соединения стяжки 8 с аэродинамической; лопастью 2 одним концом жестко закреплен рычаг 10, а на противоположной лопасти 2 жестко закреплен рычаг 1 1 Другой конец рычага 10 соединен с гибкой связью 12, которая переброшена через вертикальные шкИвы 15 и 15а (Фиг- 1а-5а). Вертикальный шкив 15 и 1 5а шарнирно прикреплены к валу 1 , Второй конец гибкой связи 12 закреплен к смежной парусной] лопасти 3 между внутренней кромкой и ее осью (Фиг. 26, 36, 46, 56). К противоположной лопасти 2 в месте крепления к траверсу 8 жестко ирикреплеа рычаг- 1 1 к другому концу прикреплена гибкая связь 13. Гибкая связь 13 пропущена через вертикальные шкивы 16, 16а (Фиг. 1 -5) и соединена с наружной кромкой лопасти 3 (Фиг. 26, 36, 46, 56). Вертикальный шкив 17 шарнирно! прикреплен к валу 1 (Фиг. 26, 36, 46, 56). Гибкая связь 14 соединен с внутренней кромкой лопасти 3, пропущен через шкив 17 (Фиг. 26, 36, 46, 56). Другой! конец гибкой связи 14 соединен с грузом 18 (Фиг.6). Груз 18 свободно перемещается по ограничителю 19, ограничитель 19 жестко прикреплен к вал Д.

Раздельные Гонцы V-образных рычагов 4 и 5 шарнирно соединены соответственно с Гонцами тяг- 6 и 7 (Фиг. 1-5). Общие концы рычагов 4 жестко соединены в торцах лопастей 2 (Фиг. 2а, За, 4а, 5а). Общие концы V- обрати ых рычагов 5 жестко соединены с парусными лопастями 3 в торцах

(Фиг. 26, 36, 46,

ростанции происходит следующим образом. При отсутс лопасти 3 открыты полностью (Фиг. 26) за счет натяжения гибкой связи 17 грузом 18 (Фиг. 6), а лопасти 2 прикрыты, как показано на Фит, 2а, т.е. траверс 8 и ось лопасти 2 с широкой стороны образуют острый угол оц (Фиг. 2а). При слабых скоростях давление ветра происходит на открытые парусные лопасти 3 (Фиг 26) и аэродинамические лопасти 2 (Фиг. ]2а), ветроприемная часть начинает вращение, которое посредством вала передается на электромеханическую часть (на чертежах не показана).

При увеличении скорости ветра лопасти 3 начинают прикрываться за счет давления ветфа (Фиг. 36), а лопасти 2 - отклоняться, т.е. угол между осью лопасти 2 и фтяжки 8 увеличивается до угла аз, другими слова и угол а;;>ем (Фиг. За). При дальнейшем усилении ветра лопасти 3 закрываются в большей степени (Фиг 46), а лопасти 2 переходят в положение, когда длинная ее ось будет перпендикулярна траверсу 7 и начинают работать как аэродинамические зопасти (Фиг. 4а),

При значительном увеличении скорости ветра, парусные лопасти 3 закрываются (Фи) . 56) и посредством гибкой связи 12 отклоняют аэродинамические ! .лопасти 2 от положения, когда ее длинная ось перпендикулярна Траверсу 8, до положения, когда ее длинная ось с острой стороны лопасти 2 образуют острый угол b с траверсами 8 (Фиг. 5а). Лопасти 2 начинают оказывать сопротивление вращению, т.е. тормозить, что удерживает ветройриемную часть БЭС от увеличения скорости вращения. Тем самым увеличивается диапазон используемых скоростей ветра.

При ослабевании скорости ветра, давление на лопасти 3 уменьшается и груз 1 8 опускается) по ограничителю 19 (Фиг. 6), что приводит: к открытию лопастей 3, как показано на Фиг. 26. Это в свою очередь ослабляет натяжку гибкой связи 12 и лопасти 2 возвращаются в первоначальное положение (Фиг. 2а).

В целом, при малы скоростях ве тра аэродинамические лопасти 2 и парусные лопасти 3 работают как парусные. При ускорении ветра аэродинамические лопасти 2 работает как аэродинамические. При сильном ветре парусные лопасти 3 прикрываются, снижая площадь сметаемой поверхности, а аэродинамические допасти 2 переходя т в режим торможения.