Украина UA 43161 U, 10.08.2009
МПК F03D 5/00
Полезная модель: Ветровой агрегат малой мощности для генерирования электроэнергии с регулированием скорости обращения лопастей
Авторы и владельцы патента: Левенко Александр Сергеевич, Высоченко Эдуард Валентинович
Полезная модель относится к ветрогенераторам, ветроагрегатам, ветротурбинам, ветроэлектростанциям.
Известны ветровые агрегаты (ветрогенераторы, ветроенергетические установки, автономные электростанции с ветротурбинами) малой мощности, которые предназначены для производства электрической энергии. Часть из них имеет горизонтальное расположение ветроколеса с ориентацией против действия ветра благодаря флюгеру; редукторы, которые повышают количество оборотов; генераторы для производства электроэнергии. Известен многолопастный ветроагрегат малой мощности в составе ветроэнергетического комплекса ВП-3,72 (предприятие "ВЕТРОМОТОРЫ", Российская Федерация, г. Челябинск).
В составе ВП-3,72 ветроколесо, повышающий редуктор, генератор; ось вращения рабочего органа (ветроколеса) горизонтальная, ориентация на ветер с помощью флюгера, установленного в оси ветроколеса, передача электрического тока через токосниматель. Производимый генератором ток постоянен, используется инвертор для обеспечения в сети потребления (одно- и трехфазной) напряжения 220/380 В.
Защита ветроагрегата от буревых нагрузок автоматическая, осуществляется поворотом плоскости колеса относительно горизонтальной оси вращения (перебрасывание) и выведением его, таким образом, из-под ветра. Для этого в установке предусмотрен аэродинамический регулятор.
Количество лопастей ветроколеса - шесть.
Стеклопластиковые лопасти ветроколеса выполнены с переменной круткою по длине и переменными относительно длины параметрами особого профиля, который сглаживает случайные влияния ветрового потока.
Лопасти имеют сложную внутреннюю конструкцию: частично пустотелые с конструктивными и сотовыми укреплениями в наиболее нагруженных местах.
Оптимальные параметры толщины и ширины профиля угла атаки и угла установки в сочетании с высоким качеством геометрии поверхности и принятой схемой с шестью лопастями позволили достичь коэффициента использования энергии ветра h = 0,47.
Система в целом - ветрогенератор с хвостовым флюгером и розчаленная в три яруса вышка - защищена от резонанса в диапазоне рабочих частот вращения.
Электроэнергия от ветроагрегата попадает для накопления в аккумуляторные батареи, где первичное напряжение стабилизируется, дальше она поступает на три инверторные модули. Там электричество превращается в переменное синусоидальное, во второй раз стабилизируется, частота и фаза задаются внешней сетью (той фазой, на которую работает данный модуль) : реализуется инвертор, управляемый внешней сетью.
В случае полного заряда аккумуляторов при автономном режиме излишки энергии сбрасываются на балластное сопротивление.
[Малая энергетика. Анализ состояния и перспективы развития. Кукушкин В. И., Левенко А. С. – Д.: Арт-Пресс, 2005. – С. 49-51]
Рассмотренная конструкция имеет недостатки:
- выведение ветроколеса из ветрового потока до его перебрасывания при буревом ветре возможно только при большом количестве лопастей;
- лопасть флюгера находится в ветровом потоке после ветроколеса в его оси - это снижает быстродействие флюгера при изменении направления ветра и его чувствительность для обеспечения ориентации ветроколеса против ветра;
- при вырабатывании генератором постоянного тока нужен инвертор (который превращает постоянный ток в переменный для потребителя), стоимость которого в современных автономных ветровых электростанциях достигает стоимости ветрогенератора и превосходит ее;
- лопасти имеют сложный внешний профиль и сложную внутреннюю конструкцию, что при изменении профиля по длине лопасти приводит к сложной технологии изготовления и высокой стоимости;
- применение тросовых расчаливаний для вышки ветроагрегата в случае ослабления их натяжения или несанкционированного снятия приведет к потере ее устойчивости.
В основу полезной модели поставленное задание создания конструкции, которая не имела бы приведенных в прототипе недостатков:
- при буревом ветре нет необходимости выводить из потока ветра ветроколесо - с любым количеством лопастей, начиная с одной, достаточно затормозить вал ветроколеса при достижении критической скорости ветра, и снизить парусность;
- лопасть флюгера расположена выше ветрового потока после ветроколеса - это повышает быстродействие флюгера при изменении направления ветра и его чувствительность для обеспечения ориентации ветроколеса против ветра, а влияние отдельных кратковременных порывов ветра компенсируется конструкцией лопасти флюгера в виде двух ромбовидных пластин, расположенных под углом 45 градусов, которая свободно вращается вокруг оси крепления;
- применен генератор переменного тока с обеспечением номинального количества оборотов ветроклеса механическим центробежным регулятором оборотов вала ветроколеса, что исключает необходимость в инверторе;
- лопасти не имеют крутки по длине, что позволяет изготовить сложную внутреннюю конструкцию с обеспечением минимальной массы при максимальной прочности, для изготовления применяют известные технологии сниженной стоимости, а сглаживание случайных влияний ветрового потока осуществляет механический центробежный регулятор оборотов вала ветроколеса;
- вышка ветроагрегата выполнена без тросовых расчаливаний, это повышает ее безаварийность с исключением потери устойчивости.
Поставленная задача достигается применением, например, дешевого асинхронного генератора для вырабатывания переменного тока напряжением 380/220 В в одно- трехфазной линии потребления. Скорость обращения вала ротора генератора и связанную с ним ветроколеса ограничивается регулятором, по конструкции близким к центробежному регулятору Уатта для паровой машины (Меркин Д. Р. Введение в теорию устойчивости движения. - М.: Наука, 1971. - с. 114; ru.wikipedia.org). В этом случае повышение скорости вращения вала ветроколеса регулируется механически, применением тормозного устройства, которое обеспечивает необходимую скорость вращения ротора генератора электроэнергии.
В известной конструкции ветроэнергетичної установки ВЕУ 1500 [ООО СКБ "Спецремтекс", Российская Федерация, г. Москва (Малая энергетика. Анализ состояния и перспективы развития. Кукушкин В. И., Левенко А. С. - Д.: Арт-Пресс, 2005. - С. 60-62)] для регулирования скорости вращения ветроколеса применяется центробежно-аэродинамический регулятор - лопасть возвращается относительно своей продольной оси в зависимости от скорости обращения ветроколеса. Но в конструкции присутствуют другие, раньше отмеченные недостатки: лопасть флюгера размещена по оси за ветроколесом, необходим инвертор для преобразования постоянного тока в переменный, используется вышка с тросовыми расчаливаниями. В предлагаемой полезной модели регулирования оборотов вала ветроколеса осуществляется непосредственно, а не приблизительным рассчитанным аэродинамическим регулированием изменения положения лопастей.
Предлагаемая полезная модель (которая может быть воплощена в ВЕУ ЛВ-5: авторы ВЕУ Левенко А. С. и Височенко Э. В., мощность ветроагрегата 5 кВт) имеет объединенные в едином комплексе три механизма торможения для регулирования скорости вращения ветроколеса и буревой защиты путем остановки вращения лопастей (для снижения парусности ветроколеса): электрическое торможение применением балластной нагрузки (замыкание обмоток ротора генератора); торможение с управлением механического тормозного устройства от центробежного регулятора; ограничение вращения подпружиненного вала ветроколеса при осевом перемещении вала под давлением потока ветра вплоть до остановки и механической фиксации со следующей автоматической расфиксацией.
Лопасть из конструкционной пластмассы в двухлопастном и трехлопастном вариантах ВЕУ ЛВ-5 для обеспечения прочности при малой массе имеет сложный внутренний профиль, неизменный по длине лопасти, и неизменный внешний аэродинамический профиль без крутки по длине. Дополнительное укрепление лопасти осуществляется металлическим профилируемым элементом, устанавливаемым внутри по длине лопасти. Производство лопасти бесконечной длины со следующей нарезкой по необходимому размеру позволяет на порядок снизить стоимость ее изготовления, при этом, в сравнении с прототипом сложной аэродинамической формы, при неподвижно закрепленных в ветроколесе лопастях при регулировании скорости вращения путем снижения максимальной скорости снижается коэффициент использования энергии ветра к h = 0,4, что характерно для 2-х 3-х лопастных ветротурбин.
Известна конструкция ветроенергетической установки "Сапсан-5,0", ЗАО "Сапсан - энергия ветра", Российская Федерация, Москва. В этой конструкции лопасть флюгера расположена выше ветроколеса при наличии других отмеченных недостатков - в этом случае ветроколесо не затеняет лопасть флюгера, и флюгер используется более эффективно для ориентации ветроколеса против действия ветра. (Малая энергетика. Анализ состояния и перспективы развития. Кукушкин В. И., Левенко А. С. - Д.: Арт-Пресс, 2005. - С. 58-60).
В другой конструкции для повышения эффективности использования флюгера его хвостовое оперение (дополнительно) выполнено в виде двух ромбовидных пластин, расположенных под углом 45о [ВЕУ-0,5 - ВЕУ-5, НІЦ "ВИНДЭК", Российская Федерация, г. Москва (Малая энергетика. Анализ состояния и перспективы развития. Кукушкин В. И., Левенко А. С. - Д.: Арт-Пресс, 2005. - С. 62-63)]. Выполнена таким способом лопасть флюгера свободно вращается вокруг оси крепления, демпфируя отклонение ветроколеса при отдельных порывах ветра - предотвращается рыскание ветроколеса при порывах ветра.
Известны также другие конструкции ветрогенераторов с флюгерами (Ветрогенератор флюгерный, патент Российской Федерации RU № 2310091 C1, 2007г; патент Российской Федерации RU №2062352 С1, 1996 г.; патент Франции №2286954 А1, 1976 г.).
В ВЕУ ЛВ-5 лопасть флюгера расположена таким же образом - выше вітроколеса - и она имеет в сечении V-образную форму, где ромбовидные пластины расположены под углом 45 градусов.
Известны разные типы ветроагрегатов малой мощности, как с расчаливанием вышки, так и в виде телескопических конструкций (www.vetrogenerator.ru). Для установки вітротурбіни ВЕУ ЛВ-5 на высоте до 24 м применяют составленную трубную вышку, которая закрепляется на элементах фундамента без использования тросовых расчаливаний. В фундаменте могут использовать трубные сваи. Толщина и внешний диаметр трубных секций вышки уменьшают от фундамента к ветроагрегату.
Сущность полезной модели объясняется чертежом на фиг. 1, 2.
В полезной модели, в отличие от прототипа, ветроагрегат (1, фиг. 1) устанавливают на секционную трубную вышку (2, фиг. 1) без тросовых расчаливаний. Это возможно благодаря правильно спроектированному фундаменту с закладными элементами в виде четырех трубных свай, к которым крепится неподвижно нижняя секция вышки. Следующие секции вышки крепятся неподвижно. Толщина стенки и внешний диаметр труб каждой секции уменьшаются от фундамента к ветроагрегату. Размеры труб выбираются исходя из необходимой стойкости вышки. Секции могут изготовляться в виде конических труб с формированием 6-12 граней по поверхности с самофиксацией при монтаже под собственным весом.
На фиг. 2 показана конструкция полезной модели в двухлопастном варианте ВЕУ ЛВ-5. Под воздействием ветра лопасть (3) - в варианте двухлопастного или трехлопастного ветроагрегата - вращает вал ветроколеса (4). Лопасть неизменного по длине профиля без крутки устанавливается неподвижно на ступице (5) самой простой конструкции, к которой крепится вал ветроколеса. Лопасть закрепляется на ступице под углом, достаточным для работы при номинальной скорости ветра. Лопасть составлена: переходник (6) для крепления к ступице, лопасть и концевой элемент лопасти (7) - весь этот пакет стягивается с помощью внутренней тяги с резьбой (на фигуре внутреняя тяга и внутренняя конструкция лопасти условно не показаны).
Лопасти (3) с их составляющими (67), ступица (5) и вал (4) образуют ветроколесо ветроагрегата.
Через шестерню (8) вращение передается на повышающий планетарный редуктор (9), соединенный с валом генератора (10). Коэффициент повышения количества оборотов в редукторе может составдять, например, 1:10, и он выбирается исходя из выбранной скорости вращения ветроколеса и необходимой скорости вращения вала ротора генератора (10). Производенный генератором переменный ток с трехфазным напряжением 380 В передается на контактное устройство поворотного узла крепления (11) ветроагрегата на вышке (2, фиг 1.).
Через шестерни (12, 13) вращения вала (4) передается на вспомогательный вал (14) с увеличением скорости обращения вспомогательного вала по отношению к валу (4) ветроколеса.
На валу (14) монтируется центробежный регулятор Уатта, который состоит из неподвижной втулки (15), пружины (16), грузов (17) и подвижной втулки (18), соединенной с подвижным элементом (19) тормозного устройства, грузы крепятся к втулкам (15, 18) тягами (20). При увеличении скорости вращения вала (14) выше расчетной, грузы центробежного регулятора при вращении отдаляются от оси вращения и подтягивают по валу (14) подвижную втулку, сжимая пружину (16), в результате чего соединенный с ней элемент (19) взаимодействует со стационарным элементом тормозного устройства (21), снижая скорость вращения как вспомогательного вала (14), так и вала ветроколеса (4). Таким способом ограничивается максимальная скорость вращения ветроколеса и поддерживается номинальный режим выработки электроэнергии.
Грузы (17) имеют массу меньше лопастей(3), но вращаются в противоположную сторону относительно направления вращения лопастей (3) с большей скоростью, компенсируя возникающие силы от вращения ветроколеса (эффект стабилизатора).
При достижении буревой скорости ветра, когда безопасная эксплуатация ветроагрегата невозможна, под давлением ветра на лопасти (3) вал (4) смещается, сжимая пружину (22), при этом подвижный элемент торможения и фиксации вала (23) взаимодействует со стационарным элементом тормозного устройства (21), которое приводит к торможению вращения вала (4) вплоть до его остановки и механической фиксации в стационарном элементе, закрепленном на раме (24) ветроагрегата. При снижении силы ветра усилие сжатой пружины (22) расффиксовывает вал (4).
Лопасть (25) флюгера крепят на мачте (26) и располагают выше лопастей (3) ветроколеса. Лопасть (25) являет собой две ромбовидных пластины, закрепленных между собой по оси поворота А под углом 45 градусов. В поперечном сечении элементы лопасти образуют V-образну фигуру. Лопасть свободно вращается относительно оси А. Таким образом флюгер вынесен за зону возмущений потока воздуха, созданную вращением лопастей (3) ветроколеса, и находится в невозмущенном потоке, осуществляя ориентирование ветроколеса против направления действия ветра. Флюгер не реагирует мгновенно на резкие порывы ветра, что компенсируются поворотами лопасти (25) без
