Парно-виндроторный электрогенератор

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветрогенераторам вертикально-осевого вращения. Парно-виндроторный электрогенератор содержит несущую мачту, заканчивающуюся наверху поворотным узлом с закрепленным к нему каркасом ветросилового блока из опорных горизонтальных балок, внутри которого в двух ярусах расположены виндроторы, и плоский ориентирующий элемент. Виндроторы в каждом ярусе сгруппированы попарно таким образом, что пара виндроторов в верхнем ярусе вынесена от поворотного узла мачты на большее плечо и находится с подветренной стороны. Пара виндроторов в нижнем ярусе расположена с наветренной стороны к поворотному узлу, сюда же, но на подветренную часть яруса, перенесен ориентирующий элемент. Изобретение направлено на уменьшение массогабаритных характеристик и повышение прочности и жесткости, улучшение ориентации на ветер. 2 ил.

 

Изобретение предназначено для генерации энергии среднескоростных ветров переменчивой направленности на материковых территориях в электроэнергию малой мощности.

Устройство относится к ветрогенераторам вертикально-осевого вращения ортогональных турбин (ветроколес) с лопастями крыловидного профиля.

По настоящее время развитие мировой ветроэнергетики продолжает быть напрямую связано со строительством ВЭУ, оснащенных пропеллерно-лопастными турбинами горизонтально-осевого вращения. Доля генерации такими системами достигла, например, в Испании 20,9% от общего годового энергопотребления, чем обеспечивается 15,5 млн домохозяйств или 90% от их общего числа. Однако подобные достижения ветроэнергетики остаются уделом исключительно приморских стран, где при сильных и стабильно-направленных ветрах упомянутые турбины работают устойчиво с приемлемой эффективность. В континентальных странах доля ветроэнергетики практически не растет, что обусловлено резкими падениями мощности и аварийностью ветрогенераторов горизонтально-осевого вращения в условиях и ограничениях материкового климата, когда ветра являются не более чем средне-скоростными, а атмосферные потоки возбуждены, часто и резко меняют направление. В такой среде в качестве турбин более приемлемыми являются ветроколеса вертикально-осевого вращения с ортогональными лопастями крыловидного профиля (виндроторы).

Известно, что задача получения средних промышленно значимых мощностей в 20-120 кВт и более от виндроторов решается объединением их в обоймы (http://journal-eco.RU, 2014, №2, с. 40-48) при помощи соответствующих устройств (патенты RU №№2482328, 2504686, 2529990). Вместе с тем ветросиловые блоки таких поливиндроторов имеют большие массогабаритные характеристики, в которых нет необходимости при генерации малых мощностей порядка 1,5-3,0 кВт, когда достаточным на скоростях ветра от 8-9 м/с является площадь, ометаемая ветроколесами, в 9-18 м². Конструкция поливиндроторов требует оптимизации при переходе на более малые мощности, в которых согласно официальной оценки НИИ энергетической стратегии имеют потребность по меньшей мере 20 млн человек населения в одной Российской Федерации (www.energystrategy.ru). Этот запрос на малую собственную и независимую генерацию из возобновляемых источников как в жилищно-коммунальных целях, так и для сельскохозяйственных нужд неуклонно нарастает в связи с прогрессирующим ростом цен на электроэнергию от сетевых источников. Но рынок энергетического оборудования статичен и не в силах предложить надежные малые ВЭУ, с большим ресурсом работы без существенных эксплуатационных проблем в условиях и ограничениях материкового климата.

Сущность изобретения состоит в том, что известные устройства с уверенно ориентирующимися на ветер обоймами из нескольких виндроторов, выставленных клином навстречу ветру, заменены линейной конструкций той же направленности. При этом каркас ветросилового блока из опорных горизонтальных балок, закрепленных к поворотному узлу на вершине несущей мачты, имеет два яруса, в каждом из которых виндроторы сгруппированы одинаково попарно и поперек движению ветра, но разно удалены от поворотного узла несущей мачты. В верхнем ярусе пара виндроторов сдвинута от упомянутого узла и находится относительно него с подветренной стороны, а в нижнем ярусе приближена к тому же узлу и обращена на ветер. Сюда же на подветренную сторону перенесен плоский ориентирующий элемент, размещенный в плоскости, совпадающей с осью симметрии несущей мачты.

Целью настоящего устройства является оптимизация поливиндроторных конструкций под ветрогенерацию малых мощностей, уменьшение массогабаритных характеристик каркасной части ветросилового блока, улучшение его прочности и жесткости, ориентации на ветер.

Поставленная цель достигается тем, что клиновидный ветросиловой блок, сращенный посредством опорных горизонтальных балок с поворотным узлом, которым на своем верху заканчивается несущая мачта установки, в предлагаемом устройстве переделан по линейной схеме, когда составляющие его виндроторы объединены в две идентичные пары, зеркально расположенные, но разно удаленные относительно поворотного узла несущей мачты и разнесенные по высоте с размещением каждой пары в своем ярусе. Подветренная пара виндроторов находится выше наветренного аналога и больше смещена от поворотного узла несущей мачты. В ярусе наветренной пары виндроторов с подветренной стороны от несущей мачты и в плоскости, совпадающей с ее вертикальной осью симметрии, находится плоский ориентирующий элемент, являющийся в то же время ребром жесткости, усиливающим прочность каркасной части ветросилового блока.

На фиг. 1 показан общий вид парно-виндроторного электрогенератора (стрелкой указано направление ветра); на фиг. 2 - вид сверху на то же устройство (генераторы условно не показаны, стрелками обозначены направления вращения ветроколес с ортогональными лопастями крыловидного профиля).

Парно-виндроторный электрогенератор (П-ВЭГ) включает в себя несущую мачту 1, заканчивающуюся наверху поворотным узлом 2, ветросиловой блок в составе каркаса из опорных горизонтальных балок 3, пары наветренных виндроторов 4 и идентичной пары подветренных виндроторов 5, оснащенных ветроколесами с ортогональными лопастями крыловидного профиля 6 и генераторами 7. На нижнем ярусе каркаса предусмотрен плоский ориентирующий элемент 8.

Устройство П-ВЭГ работает следующим образом. Под воздействием воздушного потока ветросиловой блок разворачивается парой виндроторов 4 навстречу ветру, что происходит благодаря большему крутящему моменту, воздействующему на пару виндротор 5, вынесенных от поворотного узла 2 на большее плечо, а также наличию и новому расположению плоского ориентирующего элемента 8. Одновременно ветроколеса 6 приходят в движение и передают вращение в генераторы 7, вырабатывающие электрический ток. Порядок вращения ветроколес, что показан стрелками на фиг. 2, повторяет принцип работы, имеющей место в указанных прототипах, что также способствует оптимальной ориентации устройства на ветер.

Предложенная схема размещения виндроторов в каркасе ветросилового блока позволяет улучшить массогабаритные характеристики устройства за счет уменьшения суммарной длины опорных горизонтальных балок. Представляется возможным существенно уменьшить консольность этих балок, чтоем наряду с наличием плоского ориентирующего элемента, одновременно исполняющего функции ребра жесткости, благоприятно сказывается на прочности всей конструкции. Место расположения упомянутого плоского элемента двойного назначения позволяет устройству без задержек реагировать на изменения в окружающей воздушной среде, когда в материковом климате происходят частые и резкие изменения направленности ветра.

Парно-виндроторный электрогенератор, включающий в себя несущую мачту, заканчивающуюся наверху поворотным узлом с закрепленным к нему каркасом ветросилового блока из опорных горизонтальных балок, внутри которого в двух ярусах расположены виндроторы, и имеющий плоский ориентирующий элемент, отличающийся тем, что виндроторы в каждом ярусе сгруппированы попарно таким образом, что пара виндроторов в верхнем ярусе вынесена от поворотного узла мачты на большее плечо и находится с подветренной стороны, а пара виндроторов в нижнем ярусе расположена с наветренной стороны к поворотному узлу, сюда же, но на подветренную часть яруса, перенесен упомянутый ориентирующий элемент.