Ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности и способ пневматической передачи мощности в ветроприемных устройствах

 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к безредукторным ветроэнергетическим двигателям для использования энергии ветра и выработки электрической энергии. Технический результат, заключающийся в обеспечении равномерно распределенной передачи реакции ветрового потока от лопастей ветроколеса к электрогенератору, устранении устройств преобразования и передачи крутящего момента, уменьшении массы устройства и монтажа, достигается тем, что ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности, содержащее горизонтальную ось вращения, воздушную турбину, электрогенератор, систему управления и ветроколесо, согласно изобретению содержит центральный подшипник, концентратор энергии в виде входного сужающегося конусообразного диффузора, кольцевой вращающийся обод ветроколеса, соединенный с лопастями, управляемые клапаны, соединяющие внутренние полости обода и/или лопастей с атмосферой, при этом лопасти ветроколеса имеют дугообразную форму с прогибом в направлении, противоположном направлению вращения. При осуществлении способа пневматической передачи мощности, заключающегося в прокачивании через воздушную турбину воздушного потока, создаваемого в полых лопастях при вращении ветроколеса, согласно изобретению воздушный поток захватывается вращающимся ветроколесом на периферии и проходит через ветроколесо в направлении от периферии к центру вращения при давлении больше атмосферного. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

Ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности относится к области ветроэнергетики, а именно, к безредукторным ветроэнергетическим двигателям для использования энергии ветра и выработки электрической энергии.

Известно ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности, содержащее горизонтальную ось вращения, воздушную турбину, электрогенератор, систему управления и ветроколесо, принятое за прототип. (см. Я.И. Шефтер "Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках", М., издательство Министерства сельского хозяйства СССР, 1957, с. 53-54, рис. 43).

К недостаткам описанного устройства относятся меньший КПД устройства, наличие внешних нагрузок, действующих на конструкцию лопастей за счет разрежения в рабочих полостях ветроколеса, большая материалоемкость, массивность.

Известен способ пневматической передачи мощности в ветроприемных устройствах, заключающийся в прокачивании через воздушную турбину воздушного потока, создаваемого в полых лопастях при вращении ветроколеса, принятый за прототип (см. SU 55996, кл. F 03 D 1/00, 30.11.39).

Технический результат, заключающийся в обеспечении равномерно распределенной передачи реакции ветрового потока от лопастей ветроколеса к электрогенератору, устранения устройства преобразования и передачи крутящего момента, уменьшении массы ветроэнергетического устройства, упрощения монтажа конструкции ветроэнергетического устройства, использовании энергии ветра для приведения ветроколеса в рабочее положение, уменьшении себестоимости электроэнергии, достигается тем, что ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности, содержащее горизонтальную ось вращения, воздушную турбину, электрогенератор, систему управления и ветроколесо, согласно изобретению содержит центральный подшипник, концетратор энергии в виде входного сужающегося конусообразного диффузора, кольцевой вращающийся обод ветроколеса, соединенный с лопастями, управляемые клапаны, соединяющие внутренние полости обода и/или лопастей с атмосферой, при этом лопасти ветроколеса имеют дугообразную форму с прогибом в направлении, противоположном направлению вращения. При реализации способа пневматической передачи мощности, заключающегося в прокачивании через воздушную турбину воздушного потока, создаваемого в полых лопастях при вращении ветроколеса, согласно изобретению воздушный поток захватывается вращающимся ветроколесом на периферии и проходит через ветроколесо в направлении от периферии к центру вращения при давлении больше атмосферного.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено на фиг. 1 - ветроэнергетическое устройство в рабочем положении; на фиг. 2 - схема пневматической передачи мощности (продольное сечение); на фиг. 3 - схема пневматической передачи мощности (поперечное сечение); на фиг. 4 - схема крепления лопастей устройства передними и задними растяжками; на фиг. 5 - ветроэнергетическое устройство в нерабочем положении.

Предлагаемое ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности содержит опорную башню 1 (фиг. 1) с поворотным узлом 2 для ориентации ветроколеса на горизонтальной оси 3 по направлению ветра. Полая горизонтальная ось 3 вращается на центральном подшипнике 4, размещенном в поворотном узле 2 (фиг. 2).

Ветроколесо выполнено из жестких, полужестких или гибких воздухонепроницаемых материалов, например из ткани, содержит диффузорный усилитель в виде кольцевого обода 5, охватывающего лопасти 6 (фиг. 1). Кольцевой обод 5 и лопасти 6 имеют сообщающиеся продольные полости 7, которые соединены с приемным соплом 8 воздушной турбины 9 (фиг. 3). На внешнем периметре кольцевого обода 5 находятся управляемые воздушные клапаны 10, через которые внутренние полости обода 5 соединяются с атмосферой. Лопасти 6 ветроколеса (на виде со стороны ветрового потока) имеют дугообразную форму с прогибом в направлении, противоположном направлению вращения, и обеспечивающую при вращении ветроколеса перемещение нагнетаемого воздуха вдоль продольных полостей 7 в лопастях 6 от периферии к турбине 9. Воздушная турбина 9 размещена на горизонтальной оси 3 и соединена валом 11, проходящим по внутренней полости оси 3, с электрогенератором 12, который может работать как в режиме электрогенератора, так и в режиме электродвигателя. Электрогенератор 12 размещен в поворотном узле 2 (фиг. 2).

Для крепления и удержания ветроколеса в рабочем положении оно содержит радиально расположенные передние тросы 13 и задние тросы 14. Передние тросы 13 подвешены одним концом на переднем ребре обода 5, а другим концом на фланце 15 горизонтальной оси 3. Задние тросы 14 подвешены одним концом на заднем ребре обода 5, а другим концом на фланце 15 горизонтальной оси 3. Длины передних и задних тросов 13 и 14 определяют угол атаки обода 5 к набегающему ветровому потоку, который устанавливается в зависимости от требуемой величины конусности диффузорного усилителя.

Передние растяжки 16 крепятся одним концом к промежуточным точкам передних кромок 17 лопастей 6, а другим концом к переднему ребру жесткости 18 обода 5 в направлении, противоположном реакции ветрового потока (фиг. 4). Задние растяжки 19 крепятся одним концом к промежуточным точкам задних кромок 20 лопастей 6, а другим концом к заднему ребру жесткости 21 обода 5 также в направлении, противоположном реакции ветрового потока. Длины передних и задних растяжек 16 и 19 определяют угол атаки лопастей 6, который устанавливается в зависимости от скорости ветра, радиуса рассматриваемого поперечного сечения лопасти 6 и требуемой угловой скорости вращения ветроколеса.

По периметру выходного сопла 22 (фиг. 2) воздушной турбины 9 размещены поворачивающиеся регулирующие заслонки 23, которые позволяют изменять площадь сечения выходного сопла 22 и регулировать количество воздуха, проходящего через воздушную турбину 9. Управление регулирующими заслонками осуществляется системой автоматического управления (на схеме не показана).

В нерабочем положении ветроколесо под собственным весом складывается и провисает на оси 3 и тросах 13, 14 и растяжках 16 и 19 в состоянии, показанном на фиг. 5.

Для приведения ветроэнергетического устройства в рабочее положение электрогенератора 12 включается в режиме электродвигателя и вращает воздушную турбину 9. Вращающаяся турбина 9 при закрытых клапанах 10 нагнетает воздух из атмосферы во внутренние полости 7 лопастей 6 и кольцевого обода 5. Под действием избыточного давления воздуха происходит надувание и образование ветроколеса с аэродинамической формой лопастей 6, необходимой и достаточной для его раскручивания под действием набегающего потока ветра. По мере увеличения угловой скорости ветроколеса под действием центробежных сил продолжается его разворачивание в форму тела вращения, увеличивается его жесткость. После достижения расчетной угловой скорости ветроколеса, при которой лопасти 6 и кольцевой обод 5 ветроколеса приобретают требуемые формы, системой автоматического управления прекращается принудительное вращение турбины 9, открываются клапаны 10 на внешнем контуре обода 5. Ветроколесо, вращаемое ветровым потоком, захватывает через клапаны 10 наружный воздух и нагнетает его во внутренние полости 7 обода 5. Из внутренней полости 7 обода 5 поток нагнетаемого воздуха по продольным каналам в лопастях 6 подается к приемному соплу турбины 9, проходит через турбину 9, приводит ее во вращение и через заднее сопло выходит в атмосферу. Турбина 9, вращаемая потоком воздуха, приводит во вращение электрогенератор 12, вырабатывающий электроэнергию.

При изменении направления ветрового потока поворотный узел 2 для ориентации оси 3 вращения ветроколеса по направлению ветра поворачивается электроприводом в нужном направлении по командам системы управления (на схеме не показана).

При изменении скорости ветра внутри рабочего диапазона скоростей возможно управление ветроколесом по нескольким параметрам: изменением формы и/или размеров диффузорного усилителя (обода 5), изменением углов атаки лопастей 6, изменением количества воздуха проходящего через полости 7 и турбину 9.

Изменение формы и размеров диффузорного усилителя осуществляется изменением длины радиально расположенных передних и задних тросов 13 и 14. Например, увеличение длины задних тросов 14 при неизменной длине передних тросов 13 позволит под действием ветра переместить точки заднего ребра обода 5 относительно точек переднего ребра и уменьшить угол атаки обода к набегающему потоку воздуха. Увеличение угла атаки обода 5 и, соответственно, концентрации ветрового потока производится увеличением длины передних тросов 13 и/или уменьшением длины задних тросов 14.

Углы атаки лопастей 6 регулируются изменением длины передних и задних растяжек 16 и 19. Например, уменьшение длины передних растяжек 16 приводит к смещению передней кромки 17 лопасти 6 в направлении к оси вращения и относительно задних кромок 20 и, соответственно, уменьшению угла атаки относительно набегающего потока воздуха. Уменьшение длины задних растяжек 19 приводит к смещению задних кромок 20 лопастей 6 в направлении к оси вращения и относительно передних кромок 17 и, соответственно, увеличению угла атаки лопасти 6 относительно набегающего потока воздуха.

При увеличении скорости ветрового потока происходит увеличение скорости и количества воздуха, прокачиваемого через турбину 9 и, соответственно, увеличение частоты вращения воздушной турбины 9 и элекрогенератора 12, что может повлиять на качество вырабатываемой электроэнергии. Поэтому для поддержания частоты вращения турбины 9 в заданном диапазоне система автоматического управления закрывает заслонки 21, уменьшая площадь сечения выходного сопла и уменьшая количество воздуха, проходящего через турбину 9 и, соответственно, уменьшается частота вращения воздушной турбины 9 и электрогенератора 12. При уменьшении скорости ветра воздушные заслонки 21 раскрываются, увеличивая площадь сечения выходного сопла, количество воздуха, проходящего через турбину 9 и, соответственно, увеличивается частота вращения воздушной турбины 9 и электрогенератора 12.

При резком увеличении скорости ветра до значений, превышающих расчетное (рабочее) система автоматического управления закрывает клапаны 10 на кольцевом ободе 5, включает электрогенератор 12 в режим электродвигателя с питанием от резервного источника и полностью открывает регулирующие заслонки 21 на выходном сопле воздушной сопле воздушной турбины 9. Вращающаяся воздушная турбина 9 создает во внутренних полостях 7 лопастей 6 и кольцевого обод 5 разрежение (давление меньше атмосферного), под действием более высокого атмосферного давления геометрические размеры лопастей 6 и обода 5 уменьшаются и, соответственно, уменьшается лобовое сопротивление ветровому потоку. При определенной гибкости элементов ветроколеса происходит его сворачивание в безопасное положение.

Формула изобретения

1. Ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности, содержащее горизонтальную ось вращения, воздушную турбину, электрогенератор, систему управления и ветроколесо, отличающееся тем, что устройство содержит центральный подшипник, концентратор энергии в виде входного сужающегося конусообразного диффузора, кольцевой вращающийся обод ветроколеса, соединенный с лопастями, управляемые клапаны, соединяющие внутренние полости обода и/или лопастей с атмосферой, при этом лопасти ветроколеса имеют дугообразную форму с прогибом в направлении, противоположном направлению вращения.

2. Способ пневматической передачи мощности в ветроприемных устройствах, заключающийся в прокачивании через воздушную турбину воздушного потока, создаваемого в полых лопастях при вращении ветроколеса, отличающийся тем, что воздушный поток захватывается вращающимся ветроколесом на периферии и, при давлении больше атмосферного, проходит через ветроколесо в направлении от периферии к центру вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5