Составная роторная система ветроэнергетической установки (вэу) (варианты) и вэу



Составная роторная система ветроэнергетической установки (вэу) (варианты) и вэу
Составная роторная система ветроэнергетической установки (вэу) (варианты) и вэу
Составная роторная система ветроэнергетической установки (вэу) (варианты) и вэу
Составная роторная система ветроэнергетической установки (вэу) (варианты) и вэу
Составная роторная система ветроэнергетической установки (вэу) (варианты) и вэу
Составная роторная система ветроэнергетической установки (вэу) (варианты) и вэу
Составная роторная система ветроэнергетической установки (вэу) (варианты) и вэу
Составная роторная система ветроэнергетической установки (вэу) (варианты) и вэу
Составная роторная система ветроэнергетической установки (вэу) (варианты) и вэу
Составная роторная система ветроэнергетической установки (вэу) (варианты) и вэу

 


Владельцы патента RU 2526606:

ЧЖАН Юньлун (CN)
ШАНХАЙ ФОРВУ УИНДПАУЭР ТЕКНОЛОДЖИ КО., ЛТД. (CN)
ШАНХАЙ ПАУЭРФУО ЭНЕРДЖИ СИСТЕМ КО., ЛТД. (CN)

Группа изобретений относится к области ветроэнергетики и может быть использована для преобразования и использования энергии ветра в широком диапазоне скоростей. Составная роторная система ветроэнергетической установки (ВЭУ) содержит установленные вокруг основного вала основной и вспомогательный роторные элементы, соединенные с основным валом посредством двух муфт с образованием двух управляемых поворотных разъемных передаточных цепей, соответственно, вспомогательный ротор - муфта вспомогательного ротора - основной вал и основной ротор - муфта основного ротора - основной вал. В другом варианте выполнения система содержит два роторных элемента и одну муфту с образованием управляемого вращающегося разъемного передаточного соединения: вспомогательный ротор - устройство сцепления - (основной ротор + основной вал). Муфты представляют собой обгонные муфты, имеющие два рабочих режима: нагруженное зацепление и расцепление холостого хода. Вспомогательный ротор работает в условиях низкой скорости ветра, основной ротор работает в условиях высокой скорости ветра. Переключением муфты ВЭУ может достичь большего пускового момента в условиях низкой скорости ветра, уловить энергию ветра с низкой скорость после запуска, а также полностью реализовать преимущество основного ротора, более эффективного в условиях высокой скорости ветра и высокой частоты оборотов. Таким образом, ВЭУ может уловить и использовать энергию ветра в условиях и низкой, и высокой скорости ветра, что значительно расширяет скоростной и территориальный диапазон их применения. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к роторной системе ветроэнергетической установки (другими словами ВЭУ) и особенно к управляемой составной двухроторной системе.

ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Серьезной проблемой в ВЭУ-технологии является ее неэффективность улавливания энергии ветра в условиях низкой скорости ветра, что ограничивает область применения ВЭУ. Так как энергия ветра низкой скорости не может быть уловлена в условиях слабого ветра из-за низкого начального крутящего момента, скорость ветра 3-4 м/с обычно рассматривается как критический параметр горизонтально-осевого ротора ВЭУ.

Энергия ветра ниже этой скорости ветра не может быть эффективно уловлена для генерации оптимального вращающего момента для приведения в действие генератора, и т.д. и, таким образом, в общем, является неиспользуемой.

Однако в областях, удобных для экономического развития, согласно статистическим данным, доля территорий со скоростью ветра менее 4 м/с по отношению ко всей территории составляет не менее 85%, что значит, что известные ВЭУ бесполезны на большинстве территорий. Таким образом, основной технической проблемой ВЭУ промышленности является проблема, как эффективно уловить энергию ветра в условиях низкой скорости ветра.

Ниже со ссылкой на соответствующий уровень техники будет приведено описание изобретения. Ряд терминов, так же как соответствующий уровень техники и принципы, упоминаются во многих местах настоящего описания, такие как «аэродинамический профиль», «подъемная сила», «лобовое сопротивление», «отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту лобового сопротивления», «угол атаки», «частота вращения», «коэффициент окружной скорости», «связь между коэффициентом окружной скорости и эффективностью преобразования энергии ветра» и «эффективность улавливания энергии ветра». Эти термины и принципы хорошо известны специалистам, квалифицированным в области аэродинамики и ветроэнергетики, и, таким образом, не будут здесь подробно описаны. Стандартные ссылки на родственные заявки включают «Использование ветровой энергии и промышленная аэродинамика» (составители He Dexin и др., National Defense Industry Press, Первое издание - январь 2006) и «Учебник по ветроэнергетике» (авторы Tony Burton и др., Science and Industry Press, Первое издание - сентябрь 2007 г.).

Согласно общим аэродинамическим принципам, касающимся аэродинамического профиля и подъемной силы, известно, что для лопасти с заданным аэродинамическим профилем при заданных условиях скорости ветра, отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту лобового сопротивления и вращающий момент лопасти могут быть изменены синхронно изменению угла атаки лопасти, в то время как отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту лобового сопротивления и вращающий момент лопасти также связаны с частотой вращения лопасти.

Когда лопасть имеет большой угол атаки, это создает относительно большой вращающий момент при малой скорости ветра или условиях низкой частоты вращения. Кроме того, так как лобовое сопротивление прямо пропорционально квадрату скорости, при большой скорости ветра или большой частоте вращения будет создан очень большой момент сопротивления, который фактически станет демпфером, препятствуя вращению ротора.

Когда лопасть имеет небольшой угол атаки, создается очень большой подъемный момент и меньший момент сопротивления в условиях высокой скорости ветра и большой частоты вращения. Однако это может создать только очень маленький вращающий момент в условиях малой скорости ветра, что ограничивает запуск ротора.

Таким образом сложно как запустить единый ротор в условиях низкой скорости ветра, так и чтобы он обладал высокой производительностью в условиях высокой частоты вращения.

Был проведен ряд экспериментов, как описано ниже: последовательно были соединены быстродействующий ротор и медленный ротор, они были жестко установлены на основном валу, чтобы обеспечить простоту их запуска в условиях низкой скорости ветра и также высокую производительность в условиях высокой скорости ветра. Однако этот подход, оказалось, был невыполним ни теоретически, ни на практике по следующей причине: конечно, будет принят ряд мер для облегчения запуска в условиях низкой скорости, в частности увеличение угла атаки, количества лопастей и подветренной области; эти меры, с одной стороны, конечно, увеличат начальный вращающий момент, однако, с другой стороны, также увеличится аэродинамическое лобовое сопротивление, созданное ротором, посредством ускоренного вращения ротора; это не только ограничит скорость непосредственно, но, что еще более важно, также уменьшит частоту вращения основного ротора, что, таким образом, понизит эффективность улавливания в условиях высокой скорости ветра и высокой частоты вращения, т.е. игра не стоит свеч. Жесткая суперпозиция этих двух роторов во встроенном расположении является, таким образом, непрактичной.

Китайская патентная заявка на полезную модель CN2802116Y имеет следующую проектную концепцию: обеспечена рамочная многоступенчатая ВЭУ генерации энергии ветра; роторная установка состоит из многоступенчатых роторов рамочного типа различных диаметров, установленных последовательно коаксиально, причем каждый ротор соединен с редуктором; вращение каждого ротора вокруг горизонтальной оси может быть преобразовано во вращение вокруг вертикальной оси посредством вертикального вала в этом редукторе и затем передано к основанию опоры, расположенной на поворотной несущей раме, которая размещена посредством роторного устройства на круглой стабилизирующей раме, соединенной с основанием; основная несущая рама поворотной несущей рамы с одного конца обеспечена генератором, вал которого соединен с горизонтальным валом, направленным к центру поворотной несущей рамы, с горизонтальным валом, соединенным с нисходящим вертикальным валом в редукторе посредством пары конусовидных шестерней. Это изобретение, подразумевая использование энергии ветра посредством многоступенчатых составных роторов, имеет ключевой недостаток, который состоит в том, что нельзя управлять каждым ротором отдельно, потому что они отличаются по таким свойствам, как энергия, частота оборотов и вращающий момент. Фактически, это изобретение механически соединяет все роторы в закрытую систему и передает их одновременно на один основной вал. Поэтому фактическая рабочая ситуация выглядит, как описано ниже: ротор, который предполагается для вращения с высокой скоростью, не может вращаться с предполагаемой высокой скоростью из-за медленного ротора и не может, таким образом, произвести оптимальную энергию; ротор, который предусмотрен для вращения с низкой скоростью, вынуждается вращаться с высокой скоростью из-за приведения в действие другими роторами и производит чрезмерное аэродинамическое демпфирование, таким образом не имея возможности произвести оптимальную энергию. В результате роторы отрицательно влияют друг на друга, что препятствует эффективному использованию энергии ветра; кроме того, громоздкая и сложная конструкция будет ослаблять экономичность, надежность и применимость этого изобретения. Китайская патентная заявка CN101004168A, того же заявителя, как и вышеупомянутая патентная публикация CN2802116Y, раскрыта основным образом для того, чтобы оптимизировать передачу в раскрытой патентной заявке CN2802116Y, однако не преодолевая другие недостатки, упомянутые в настоящем описании.

Таким образом все различные раскрытые технические подходы не могут достичь цели эффективного использования энергии ветра с одной ВЭУ не только в условиях низкой скорости, но также в условиях высокой скорости.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Чтобы преодолеть недостатки предшествующего уровня техники, целью настоящего изобретения является обеспечение управляемой составной роторной системы ВЭУ и ВЭУ, которая может обеспечить оптимальный начальный вращающий момент в условиях низкой скорости ветра и низкой частоты оборотов, причем основной ротор продолжает работать в условиях высокой скорости ветра и большой частоты оборотов, тогда как вспомогательный ротор расцепляется без затрагивания основного ротора. Таким образом, настоящее изобретение может получить большой вращающий момент в условиях низкой скорости и предотвращает блокировку аэродинамического момента сопротивления в условиях высокой скорости, таким образом расширяя область применения энергии ветра и улучшая эффективность улавливания энергии ветра.

Чтобы достичь вышеупомянутой цели, техническое решение настоящего изобретения состоит в следующем: два независимых роторных устройства установлены последовательно на основном валу, при этом по меньшей мере одно из двух роторных устройств нежестко соединено с основным валом, но посредством муфты, так, чтобы между этими двумя роторами, так же как и между ротором и валом, образовалось управляемое вращающееся разъемное передаточное соединение. Точнее оно состоит в следующем: два роторных устройства, причем одно является основным роторным устройством, а другое вспомогательным роторным устройством, которые имеют свои собственные функции:

1. «Основное роторное» устройство состоит из лопастей с углом атаки менее 18 градусов. Оно имеет высокий вращающий момент и эффективность улавливания энергии ветра в условиях большого коэффициента окружной скорости с коэффициентом окружной скорости больше 2 (т.е. в условиях высокой скорости ветра или высокой частоты оборотов), создающего большой вращающий момент. Когда коэффициент окружной скорости меньше вышеупомянутого значения, можно создать только небольшой вращающий момент (т.е. в условиях небольшой скорости ветра или низкой частоты вращения).

2. «Вспомогательный ротор» является низкоскоростным ротором, состоящим из по меньшей мере 4 лопастей. Он создает большой вращающий момент в условиях низкого коэффициента окружной скорости с коэффициентом окружной скорости меньше 2 (т.е. в условиях небольшой скорости ветра или небольшой частоты оборотов).

Очевидно, что вспомогательный ротор используется для улавливания энергии ветра с небольшой скоростью, которая является трудной для улавливания основным ротором, так, чтобы обеспечить основной вращающий момент для запуска ротора, который должен быть непосредственно запущен. В условиях большого коэффициента окружной скорости (т.е. большого коэффициента окружной скорости больше 2), основной ротор будет брать на себя улавливание энергии ветра и приводить в действие основной вал.

Муфта представляет собой обгонную муфту, которая может быть установлена следующими двумя способами.

Один способ состоит в установке одной муфты между вспомогательным ротором и основным валом и между основным ротором и основным валом, соответственно; и другой способ состоит в установке муфты между вспомогательным ротором и основным ротором. Посредством основного роторного элемента и вспомогательного роторного элемента, установленных на основном валу такими способами, так же как и муфты между ними, между двумя роторными элементами и основным валом создано управляемое вращающееся разъемное передаточное соединение. Логическая взаимосвязь в системе состоит в следующем:

1. Когда угловая частота оборотов вспомогательного роторного элемента больше частоты оборотов основного роторного элемента, муфта находится в зацеплении, и в данном случае вспомогательный ротор будет приводить в действие основной вал.

2. Когда угловая частота оборотов вспомогательного роторного элемента равна частоте оборотов основного роторного элемента, муфта находится в критическом положении между зацеплением и расцеплением, т.е. и вспомогательный ротор, и основной ротор будут приводить в действие основной вал.

3. Когда угловая частота оборотов вспомогательного роторного элемента меньше частоты оборотов основного роторного элемента, муфта находится в расцеплении, т.е. основной ротор вместо вспомогательного ротора будет приводить в действие основной вал.

Техническое решение ВЭУ настоящего изобретения состоит в том, чтобы использовать вышеупомянутую составную роторную систему ВЭУ в ВЭУ.

Настоящее изобретение имеет следующие преимущества.

Посредством вспомогательного ротора, работающего в условиях низкой скорости, и основного ротора, работающего в условиях высокой скорости, посредством соответствующего переключения муфты, ВЭУ может не только достигнуть большего пускового момента в условиях низкой скорости ветра, но также использовать энергию ветра с низкой скоростью после запуска; кроме того, полностью реализуя преимущество основного ротора, имеющего превосходную эффективность улавливания ветра в условиях высокой скорости ветра, ВЭУ может уловить и использовать энергию ветра в условиях и высокой, и низкой скорости ветра, что значительно расширяет пределы скорости и области, в которых ВЭУ может быть применена, облегчая широкое применение ВЭУ.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение будет описано ниже со ссылкой на чертежи и примеры.

Фиг.1 представляет собой схематичный конструкционный чертеж примера предпочтительного варианта осуществления вспомогательного роторного элемента согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 представляет собой схематичный конструкционный чертеж примера предпочтительного варианта осуществления основного роторного элемента согласно настоящему изобретению.

Фиг.3 представляет собой конструкционный схематичный чертеж с сечением фрикционной обгонной муфты согласно настоящему изобретению.

Фиг.4 представляет собой конструкционный схематичный чертеж с сечением храповой обгонной муфты согласно настоящему изобретению.

Фиг.5 представляет собой схематичный чертеж в сечении системы в сборе, где одна муфта установлена и между основным валом и основным ротором, и между основным валом и вспомогательным ротором согласно настоящему изобретению.

Фиг.6 представляет собой схематичный чертеж в сечении системы в сборе, где муфта установлена только между вспомогательным ротором и основным валом.

Фиг.7 представляет собой конструкционный чертеж примера встроенной роторной системы, состоящей из вспомогательного ротора и основного ротора.

Фиг.8 представляет собой схематичный чертеж примера, где основной ротор и вспомогательный ротор в соответствии с настоящим изобретением установлены на обоих концах основного вала генератора, соответственно.

Фиг.9 и 10 представляют собой схематичные чертежи примера, где все роторные системы в соответствии с настоящим изобретением установлены на одном конце вала генератора.

Список ссылочных позиций: 1 - лопасть вспомогательного ротора; 2 - лопасть основного ротора; 3 - основной вал; 4 - муфта основного ротора; 5 - муфта вспомогательного ротора (5a - ведущий элемент муфты; и 5b - ведомый элемент муфты); 6 - выступ храповика; 7 - соединительная шпонка; и 12 - бескорпусный генератор.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 изображает пример предпочтительного варианта осуществления вспомогательного роторного элемента, состоящего из 6 лопастей. Вспомогательный роторный элемент содержит, очевидно, большее число лопастей, имеющих большую площадь, так же как и больший угол атаки, и, таким образом, в общем, обладающих высокой способностью улавливать ветер. Он может легко уловить энергию ветра в условиях низкой скорости ветра. Однако, после достижения определенной частоты оборотов, он будет испытывать значительно усилившееся аэродинамическое лобовое сопротивление, при этом эффективность использования энергии ветра значительно уменьшится. Этот признак известен квалифицированным специалистам в области аэродинамики и технологии энергии ветра и больше не будет здесь подробно описан.

Фиг.2 изображает пример предпочтительного варианта осуществления основного роторного элемента, состоящего из 3 лопастей. По сравнению с вспомогательным роторным элементом, основной роторный элемент, очевидно, имеет меньшее число лопастей, имеющих меньшую площадь, так же как и меньший угол атаки, и таким образом низкую эффективность улавливания ветра в условиях низкой скорости ветра. Однако, при достижении определенной пусковой скорости, он будет обладать высокоэффективной способностью улавливания ветра и эффективностью использования энергии ветра в условиях высокой скорости ветра и высокой частоты оборотов. Эти признаки известны квалифицированным специалистам в области аэродинамики и технологии энергии ветра и больше не будут здесь подробно описаны.

Фиг.3 представляет собой схематичный чертеж в сечении фрикционной обгонной муфты.

Конструкционный принцип обгонной муфты известен квалифицированным специалистам в области технологии машиностроения и больше не будет здесь описан.

Достоверные технические ссылки с подробной информацией включают «Учебник по машиностроению» (China Machine Press, новое издание, глава 10 «Обгонная муфта», часть 22 «Соединения, муфты, тормозные устройства», том 3 «Проектирование механических деталей и передач»).

Фиг.4 представляет собой схематичный чертеж в сечении храповой обгонной муфты.

Фиг.5 представляет собой схематичный чертеж системы в сборе, где одна муфта установлена и между основным валом и основным ротором, и между основным валом и вспомогательным ротором. Два роторных элемента соединены с основным валом посредством двух сцепляющих устройств, соответственно, так, чтобы два роторных элемента составляли с основным валом две управляемых поворотных разъемных передаточных цепи, соответственно.

Т.е. вспомогательный ротор - муфта вспомогательного ротора - основной вал и основной ротор - муфта основного ротора - основной вал.

В двух передаточных цепях, для основного роторного элемента и вспомогательного роторного элемента, очевидно, что только роторный элемент, который должен быть запущен раньше или с более высокой частотой оборотов, может разместить свою муфту в положение несущего зацепления и начинает вращать основной вал посредством муфты; в то время как роторный элемент, который запущен позже или с меньшей частотой оборотов, разместит свою муфту, соответственно, в положение зацепления холостого хода и будет неспособен приводить в действие основной вал.

Как только вспомогательный ротор превосходит основной ротор по способности улавливать энергию ветра с низкой скоростью, очевидно, что вспомогательный ротор должен быть запущен раньше, так чтобы вращать ротор, преодолевая тормозящий момент и момент инерции нагрузки и прикладывать усилие. Кроме того, с помощью ротора, находящегося под воздействием лобового сопротивления и момента инерции нагрузки, нагрузка на вращающийся основной ротор будет очень маленькой, и затем подъемная сила, созданная верхним ветром, легко заставит его вращаться. Чем быстрее он вращается, тем быстрее он уловит и поглотит энергию ветра из окружающей среды, что заставит его вращаться еще быстрее. Посредством такого процесса, таким образом повторяемого, угловая скорость вспомогательного ротора будет меньше угловой скорости основного ротора, и таким образом теряется эффект приведения в действие основного вала, при этом в действие основной вал будет приводить только основной ротор. Если скорость ветра уменьшается до такого низкого предела, что основной ротор теряет соответствующий подъемный вращающий момент, основной ротор замедлит вращение или даже остановится под воздействием нагрузки лобового сопротивления. Тогда муфта вспомогательного ротора будет находиться в положении несущего зацепления, и основной ротор преодолеет посредством нагрузки вращения основного вала снова нагруженным вспомогательным ротором. Процесс будет таким образом постоянно повторен посредством постоянного выключения. Поэтому ВЭУ окажет следующий положительный эффект: можно не только без труда улавливать и использовать энергию ветра низкой скорости, но также и эффективно уловить энергию ветра высокой скорости, что очень расширяет диапазон использования ВЭУ, причем степень использования значительно повышается.

Фиг.6 представляет собой схематичный чертеж с сечением системы в сборе в соответствии с настоящим изобретением, где муфта установлена только между вспомогательным ротором и основным валом.

В этом примере ведущий элемент и ведомый элемент обгонной муфты жестко соединены посредством основного вала, и основной ротор жестко соединен с основным валом (это отличается от предыдущего случая, где основной ротор соединен с вспомогательным ротором посредством основного вала косвенно и жестко без обгонной муфты между ними) так, чтобы между вспомогательным роторным элементом и основным валом было образовано управляемое вращающееся разъемное передаточное соединение. Т.е. вспомогательный ротор - устройство сцепления - (основной ротор + основной вал). Когда вспомогательный ротор уловил энергию ветра и запускается в первый раз, он не будет приводить в действие основной вал отдельно и непосредственно, но одновременно приведет в действие основной ротор, так чтобы основной вал был приведен в действие только после запуска основного ротора. Вращающий момент передается через обгонную муфту в положении несущего зацепления для приведения во вращение основного ротора. Таким образом, вращаясь, основной ротор может также уловить больше энергии ветра и создать большую подъемную силу для образования эффективного вращающего момента, который заставляет ротор вращаться вопреки вращающему моменту лобового сопротивления и моменту инерции нагрузки и совершать работу. Кроме того, с помощью вспомогательного ротора, на который действует лобовое сопротивление и момент инерции нагрузки, нагрузка на вращающийся основной ротор будет очень мала, и затем подъемная сила, созданная наружным ветром, без труда заставит его вращаться. Чем быстрее он вращается, тем быстрее он уловит и поглотит энергию ветра из окружающей среды, которая заставит его вращаться еще быстрее.

Посредством эффекта усиления угловая скорость вспомогательного ротора будет меньше угловой скорости основного ротора. Если скорость ветра увеличится до определенного уровня, основной ротор будет вращаться быстрее.

После того как частота оборотов основного ротора становится выше, чем частота оборотов вспомогательного ротора, муфта будет автоматически переключаться в положение разъединения холостого хода и основной ротор доходит до предела и больше не может приводить в действие основной вал. Этот процесс аналогичен описанному выше. Если скорость ветра уменьшается до такого низкого предела, что основной ротор теряет соответствующий подъемный вращающий момент, основной ротор замедлит вращение или даже остановится под воздействием нагрузки лобового сопротивления. Тогда муфта вспомогательного ротора будет находиться в положении несущего зацепления, и основной ротор преодолеет посредством нагрузки вращения основного вала снова разгруженным вспомогательным ротором. Процесс будет таким образом повторен. Поэтому система ротора всегда отличается тем, что он может быть запущен в условиях низкой скорости ветра и обладать низким лобовым сопротивлением и высокой эффективностью в условиях высокой частоты оборотов.

Фиг.7 представляет собой конструкционный чертеж роторной системы в сборе, состоящей из вспомогательного ротора и основного ротора. В этом примере экспериментально доказано, что конфигурация с основным ротором, установленным впереди для получения ветра первым, преимущественна для эффективного улавливания энергии ветра. Это легко доказать теоретически. Когда основной ротор еще стоит, а вспомогательный ротор вращается, воздействие поступающего ветра, созданное основным ротором, может быть проигнорировано и эффект улавливания ветра едва задействован. После того как основной ротор вращается с высокой скоростью, он уловит большую часть энергии ветра, при этом будет утеряно лишь небольшое количество энергии ветра. В этом случае, вспомогательный ротор конечно был перекрыт для потери своего воздействия, и поэтому эта часть энергии ветра не будет иметь никакого эффекта, несмотря на то что она не может быть уловлена.

Наоборот, если вспомогательный ротор установлен спереди, а основной ротор сзади, основной ротор всегда будет выведен из эксплуатации. Основной ротор может таким образом уловить только пропущенную энергию, посредством ее беспорядочного поля обтекания, расходящегося под действием центробежных сил за пределы диаметра вспомогательного ротора, что сильно уменьшит энергию ветра, полученную основным ротором в условиях высокой скорости. Таким образом, последовательность не может быть изменена.

Кроме того, об этом свидетельствует большое число экспериментов, ВЭУ, которая не может быть первоначально запущена при скорости ветра меньше 3,5 м/с, может быть запущена с помощью технологии настоящего изобретения, даже когда скорость ветра уменьшается до 1,6-1,8 м/с. Кроме того, так как угол атаки лопасти основного ротора может быть предварительно установлен с оптимальным значением в условиях высокой скорости ветра и высокой частоты вращения, функционирование в условиях высокой скорости более оптимально, при этом эффективность увеличивается более чем на приблизительно 19%.

Фиг.8 изображает роторную систему настоящего изобретения, где основной вал проходит непосредственно через генератор, так что основной роторный элемент и вспомогательный роторный элемент расположены с обеих сторон генератора, соответственно. Эта конструкция по существу является еще одним частным примером настоящего изобретения. Преимущество состоит в расположении роторов на обоих концах, и они могут таким образом быть легко уравновешены посредством улучшенной механической конструкции; кроме того, интервал между этими двумя роторами является достаточно большим для предотвращения нарушения поля обтекания между ними, что таким образом уменьшит эффективность вихревого движения.

Как показано на Фиг.9 и 10, основной ротор и вспомогательный ротор могут также быть расположены с одной стороны генератора. Как показано на фиг.9, основной ротор и вспомогательный ротор расположены со стороны генератора лицом к ветру, что может улучшить эффективность улавливания энергии ветра. Как изображено на фиг.10, основной ротор и вспомогательный ротор расположены на подветренной стороне генератора, что заставит всю ВЭУ устанавливать направление непосредственно в зависимости от основного ротора и вспомогательного ротора, таким образом позволяя отказаться от исходного хвостового стабилизатора. Пример особенно полезен для небольших ВЭУ.

Кроме того, нет необходимости в том, чтобы основной вал настоящего изобретения представлял собой единый жесткий элемент. Он может быть множеством валов в сборе, которые соединены друг с другом посредством сцепления, и т.д. Этот вариант осуществления также представляет собой частный пример в пределах объема общей концепции настоящего изобретения и не будет находиться в конфликте с сущностью настоящего изобретения.

Основной ротор и/или вспомогательный ротор могут быть соединены с основным валом посредством замедляющего механизма, который может увеличить торсион, особенно для вспомогательного ротора, который должен запустить генератор в статичном положении и, таким образом, требует большего торсиона.

Посредством замедляющего механизма лопасть ротора может также быть короче по причине достаточного торсиона. Механизм замедления содержит, но не ограничен, механический редуктор, гидравлический редуктор или электромагнитный редуктор.

Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает ВЭУ, которая применяет вышеупомянутую составную роторную систему ВЭУ.

На вышеупомянутых примерах можно показать, что настоящее изобретение не только дает возможность ВЭУ достигнуть большего запускающего вращающего момента в условиях низкой скорости ветра, так же как и, будучи запущенным, уловить и использовать энергию ветра при низкой скорости ветра, но также и в полной мере реализует преимущество основного ротора, имеющего высокую эффективность улавливания ветра в условиях высокой скорости ветра и высокой частоты оборотов. Таким образом, ВЭУ может уловить и использовать энергию ветра в условиях и низкой, и высокой скорости ветра, что значительно расширяет скоростной и территориальный диапазон, в котором ВЭУ могут быть применены, облегчая широкое применение ВЭУ.

Хотя настоящий документ содержит подробное описание и обеспечивает ряд определенных примеров, очевидно, что специалисты, квалифицированные в данной области техники, могут сделать различные изменения или поправки, поскольку изменения или поправки находятся в рамках объема проектной концепции изобретателя.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Настоящее изобретение обеспечивает управляемую составную двухроторную систему для ВЭУ. Она использует и вспомогательный ротор, работающий в условиях низкой скорости ветра, и основной ротор, работающий в условиях высокой скорости. Соответствующим переключением обгонной муфты ВЭУ может не только достичь большего начального вращающего момента в условиях низкой скорости ветра, так же как и, будучи запущенным, улавливать и использовать энергию ветра при низкой скорости ветра, но также и в полной мере реализует преимущество основного ротора, имеющего высокую эффективность улавливания ветра в условиях высокой скорости ветра и высокой частоты оборотов. Таким образом, ВЭУ может уловить и использовать энергию ветра в условиях и низкой, и высокой скорости ветра, что значительно расширяет скоростной и территориальный диапазон, в котором ВЭУ могут быть применены, облегчая широкое применение ВЭУ.

1. Составная роторная система ветроэнергетической установки (ВЭУ), содержащая роторный элемент, состоящий из множества лопастей, основного вала для установки роторного элемента, соединительных элементов и ведомого элемента между ними, отличающаяся тем, что составная роторная система содержит две независимые муфты и два роторных элемента - вспомогательный роторный элемент и основной роторный элемент; и муфты установлены вокруг основного вала, при этом два роторных элемента соединены с основным валом посредством двух муфт, соответственно, таким образом, что два роторных элемента составляют с основным валом две управляемые поворотные разъемные передаточные цепи, соответственно, вспомогательный ротор - муфта вспомогательного ротора - основной вал и основной ротор - муфта основного ротора - основной вал, при этом муфты представляют собой обгонные муфты, которые имеют два рабочих режима: нагруженное зацепление и расцепление холостого хода.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что управляемое вращающееся разъемное передаточное соединение, образованное между двумя роторными элементами и основным валом посредством обгонной муфты, имеет следующие соотношения:
соотношение 1: когда угловая скорость вращения вспомогательного роторного элемента больше, чем скорость основного роторного элемента, муфта вспомогательного ротора будет находиться в положении нагруженного зацепления, а муфта основного ротора в положении разъединения холостого хода, т.е. в этом случае вращающий момент основного вала создает только вспомогательный ротор, а основной ротор, перекрытый вспомогательным ротором, теряет эффект приведения в действие основного вала;
соотношение 2: когда угловая скорость вращения вспомогательного роторного элемента равна скорости основного роторного элемента, две муфты обе находятся в критическом положении между зацеплением и расцеплением, т.е. вспомогательный ротор и основной ротор вместе приводят в действие основной вал;
соотношение 3: когда угловая скорость вращения вспомогательного роторного элемента меньше, чем скорость основного роторного элемента, муфта вспомогательного ротора будет находиться в положении расцепления холостого хода, а муфта основного ротора будет находиться в положении нагруженного зацепления, т.е. в этом случае крутящий момент основного вала создает только основной ротор, а вспомогательный ротор, перекрытый основным ротором, теряет эффект приведения в действие основного вала.

3. Составная роторная система ветроэнергетической установки (ВЭУ), содержащая роторный элемент, состоящий из множества лопастей, основного вала для установки роторного элемента и соединительных элементов и ведомого элемента между ними, отличающаяся тем, что составная роторная система содержит одну муфту и два роторных элемента - вспомогательный роторный элемент и основной роторный элемент, при этом ведущий элемент муфты жестко соединен с вспомогательным роторным элементом и ведомый элемент муфты жестко соединен с основным валом, причем основной вал также жестко соединен с основным роторным элементом, так чтобы между вспомогательным роторным элементом и основным валом было образовано управляемое вращающееся разъемное передаточное соединение: вспомогательный ротор - устройство сцепления - (основной ротор + основной вал), при этом муфта представляет собой обгонную муфту, которая имеет два рабочих режима: нагруженное зацепление и расцепление холостого хода.

4. Система по п.1 или 3, отличающаяся тем, что основной роторный элемент состоит из лопастей с углом атаки менее 18 градусов и вспомогательный ротор представляет собой ротор низкой скорости ветра, состоящий по меньшей мере из 4 лопастей.

5. Система по п.1 или 3, отличающаяся тем, что обгонная муфта представляет собой храповую обгонную муфту.

6. Система по п.1 или 3, отличающаяся тем, что обгонная муфта представляет собой фрикционную обгонную муфту.

7. Система по п.1 или 3, отличающаяся тем, что основной ротор всегда располагается со стороны ветра относительно вспомогательного ротора, чтобы первым получить ветер.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что основной ротор и вспомогательный ротор расположены с одной стороны генератора.

9. Система по п.7, отличающаяся тем, что основной вал составной роторной системы проходит через оси генератора, причем основной ротор и вспомогательный ротор расположены на передней и задней стороне генератора, соответственно.

10. Система по п.1 или 3, отличающаяся тем, что основной ротор и/или вспомогательный ротор могут быть дополнительно соединены с основным валом посредством замедляющего механизма.

11. ВЭУ, отличающаяся тем, что ВЭУ содержит составную роторную систему ВЭУ согласно любому из пп.1-10.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электроэнергию. Ветроэлектростанция содержит концентратор воздушных потоков, ветроколеса, электрогенераторы, систему регулирования подачи воздуха на лопасти ветроколес и систему защиты от ураганных ветров.

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики и может быть использовано для преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую и электрическую энергию.

Изобретение относится к области альтернативной энергетики с использованием возобновляемых источников энергии. Ветроэнергетическая установка содержит ротор, промежуточный редуктор, гидравлическую систему, гидравлический насос, гидравлический мотор, регулятор оборотов гидравлического мотора и генератор электрического тока.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к регулируемым ветроколесам. Ветроколесо содержит основание с подшипниками, горизонтальный вал, лопасти, роторы, имеющие магнитный контакт со статорами, установленными на основании, редукторы.

Изобретение относится к ветроэнергетике. .

Изобретение относится к ветроэнергетике. .

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть применено для выработки электроэнергии. .

Изобретение относится к ветроэнергетике. .

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть применено для выработки электроэнергии. Ветроэнергетическая установка содержит башню, две соединенные под углом стрелы, связанные с верхней частью башни, а также поворотные рамы с роторами-ветроколесами, ступицы которых закреплены на рамах, подвешенных к стрелам. Между роторами- ветроколесами расположены статоры. На стрелах неподвижно установлены основные вертикальные кили. На поворотных рамах размещены дополнительные кили, установленные с возможностью перекрытия основных килей в боковой плоскости. Достоинством данной ветроэнергетической установки является улучшение возможностей противостояния буревым порывам. 4 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в устройствах, преобразовывающих энергию ветра в другие виды энергии. Ветроэнергетическая установка, содержащая поворотное основание, башню, стрелу, перекладину с шарнирами и растяжками и тяги с головками ветроколес, согласно изобретению дополнительно содержит вторую перекладину с дополнительными шарнирами, которые соединены с шарнирами основной перекладины дополнительными кронштейнами, к которым прикреплен замкнутый канат, охватывающий шкивы, установленные на стреле. Технико-экономическим преимуществом данной установки является уменьшение динамических нагрузок. Изобретение направлено на увеличение ориентирующего момента путем уменьшения динамических нагрузок, а также на увеличение способности противостоять буревым порывам путем увеличения угла поворота тяг с головками ветроколес. 4 ил.

Изобретение относится к электрическим тяговым системам транспортных средств. Система привода транспортного средства содержит, по меньшей мере, один электрогенератор, аккумуляторную батарею, зарядное устройство и инвертор, электрически соединенные между собой, электродвигатель, электрически соединенный с аккумуляторной батареей и кинематически связанный со средством перемещения транспортного средства. Электрогенератор выполнен проточным, включающим полый ротор, в котором установлены лопатки многоступенчатой турбины и статор. Система привода снабжена преобразователем сгенерированной энергии, датчиком скорости движения, датчиком уровня зарядки аккумулятора и коммутатором, причем преобразователь электрически связан с электрогенератором и коммутатором, коммутатор - с датчиком скорости движения, датчиком уровня зарядки аккумулятора, зарядным устройством и электродвигателем, датчик скорости - с измерителем скорости движения транспортного средства, датчик уровня зарядки - с аккумуляторной батареей или зарядным устройством. Технический результат заключается в повышении эффективности системы питания электропривода транспортного средства, с возможностью генерирования энергии встречного потока среды, в которой перемещается транспортное средство. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к ветродвигателям, и может быть использовано для строительства ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения ветроколеса с набегающим воздушным потоком. Ветродвигатель содержит горизонтальный вал с установленным на нем основным многолопастным ветроколесом с лопастями повышенной площади в направлении воздушного потока, наружную обечайку и конусный направитель воздушного потока средней зоны. На ступице основного ветроколеса насажено дополнительное многолопастное ветроколесо меньшего диаметра с тороидальным направителем воздушного потока центральной зоны. Наружная обечайка дополнительного многолопастного ветроколеса крепится к лопастям основного ветроколеса. На наружных обечайках обоих ветроколес закреплены равномерно расположенные лопасти второго уровня. Изобретение позволяет повысить суммарную площадь лопастей. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Безредукторный ветроэлектроагрегат содержит башню, поворотное основание, тихоходное колесо, быстроходные колеса, роторные элементы, статор и направляющее устройство. Быстроходные колеса закреплены на концах лопастей тихоходного ветроколеса. Статор установлен в круговой зоне максимального приближения роторных элементов к оси тихоходного ветроколеса. Изобретение направлено на повышение энергоотдачи. 2 ил.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветроэлектрическим станциям. Ветроэлектрическая станция содержит опорную конструкцию с железобетонным фундаментом, неподвижную башню в верхней части опорной конструкции с взаимно перпендикулярными друг другу ветроприводами пропеллерного типа. Ветроприводы пропеллерного типа соединены через обгонные муфты с общим для них зубчатым редуктором. Рабочее вращение каждой пары ветроприводов выполнено взаимно противоположным. Зоны вращения каждой пары ветроприводов выполнены с исключением возможности их взаимного пересечения. При этом одна из двух взаимно перпендикулярных осей ветроприводов расположена в господствующем направлении ветра в данной местности. Изобретение направлено на более полное использование энергии ветрового потока и повышение генерируемой мощности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к группе двухроторных ветроэнергетических установок. Каждая из двухроторных ветроэнергетических установок включает размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными роторами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор. При этом каждый ротор ветротурбины имеет число лопастей более 3-х, которые спроектированы как вращающиеся крылья, суммарная лобовая площадь лопастей на номинальном режиме работы составляет 0,3÷0,5 от площади, ометаемой лопастями поверхности. Лопасти во втулке установлены на подшипниках скольжения, в которых применяется твердая смазка на основе дихалькогенидов металлов в сочетании с керамической втулкой. Электрогенератор с вертикальной осью вращения ротора размещен в верхней части неподвижной башни, статор генератора закреплен к башне, ось ротора электрогенератора расположена вертикально и совпадает с осью вращения поворотной платформы. Привод от ветротурбины к генератору выполнен с помощью конической зубчатой передачи. Мультипликатор представляет собой двухконтурный зубчатый механизм, размещенный в одном корпусе, каждый контур которого передает движение и крутящий момент от одного из роторов ветротурбины независимо от движения другого контура, а кинематическая схема контура представляет собой планетарный редуктор и зубчатый одноступенчатый перебор. Трехвальный соосный зубчатый редуктор установлен между мультипликатором и ротором электрогенератора, кинематическая схема которого выполнена по условиям Δω1=К·Δω2, где Δω1 - изменение угловой скорости входного внутреннего вала; Δω2 - изменение угловой скорости входного внешнего вала; К - постоянный коэффициент, который зависит только от кинематической схемы редуктора; число лопастей ветротурбины выбрано по условию: число лопастей одного ротора - Z, число лопастей другого ротора - (Z+1). На внешнем валу ветротурбины выполнена удлиняющая проставка, в конце которой установлен передний подшипник внутреннего вала. Алгоритм управления углами поворота лопастей одного ротора β1=f(υ), т.е. угол установки лопасти есть функция только скорости ветра, а другого ротора nген=const, β2=υar, т.е. обороты генератора поддерживаются постоянными за счет изменения углов установки лопастей другого ротора, где β1 - угол установки одного ротора; υ - скорость ветра; nген - обороты электрогенератора; β2 - угол установки другого ротора; υar - переменная величина. Изобретение направлено на расширение арсенала двухроторных ветроэнергетических установок. 9 н.п. ф-лы, 12 ил., 3 табл.
Наверх