Ветроэнергетическая установка

Ветроэнергетическая установка

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: агрегаты малой и средней мощности с флюгерной ориентацией. Сущность изобретения: на вертикальной опоре установки закреплена с возможностью вращения в горизонтальной плоскости головка 5 с шарниром 4 и штангой 10. Генератор 3 с ветроколесом 1 и флюгером 9 установлены на головке 5 с возможностью вращения в вертикальной плоскости. Флюгер 9 размещен ниже Шарнира 4 со стороны, противоположной ветроколесу 1, и связан с головкой 5 посредством штанги 10. Генератор 3 связан с головкой 5 посредством шарнира 4. Головка 5 снабжена дополнительным шарниром 11, посредством которого штанга fOфлюгера 9 закреплена на головке 5, Флюгер 9 снабжен гибкой тягой 12, связывающей его с корпусом генератора 3. Такое конструктивное выполнение ветроэнергетической установки повышает ее долговечность путем снижения знакопеременных нагрузок на лопасти ветроколеса и закрепления флюгера на двух штангах 4 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,, ЯЦ„, 1773286 АЗ

Ж)3 F 03 0 11/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЬФИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

j .;.:--. : ;: :;:,- :.:, :::-.. :::. -:: .::::::;::2 (21) 4864424/06,-. :::".. - ;,: -::: Головка 5 с шарниром 4 и штангой 10. Гене(22).11,09.90 ., .,::.;. ::; -.::-::::::::..: ратор 3 с ветроколесом 1 и флюгером 9 ус(46)30.10.92. баюл. М40 .: -:": .-: . тановлены на головке 5 с возможностью (71) Центральный научно-исследователь-.... вращения в вертикальной плоскости, Флюский институт "Электроприбор": : "::.,, гер 9 размещен ниже Шарнира 4 со стороны, (72) И.СЯаламарчук, В.В.Святый, Н;А.Музыка, противоположной ветроколесу 1, и связан с

Г.М.Новиков. М.И.Малтинский и А.Я.Буцык::: головкой 5 посредством штанги 10. Генера(73} Центральный научно-исслеДователь-: тор 3 связан с головкой 5 посредством шарский институт "Электроприбор" ":.:-: . нйра4. Головка 5 снабжена дополнительным (56) Руководство rio эксплуатации .. аарниром 11, посредством которого штанга

КФ2,940;002 РЭ установкой УВЗ-40. Ле- 10флюгера 9 закреплена на головке 5. Флюнйнградское НПО, Азимут, 1989..:-::.::: .- гер 9 снабжен гибкой тягой 12, связываю(54) ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯУСТАНОЙКА: Щей его с корпусом генератора 3. Такое (57). Использование: агпегагы малой и сред- конструктивное: выпблнение ветрознергенвй мощностй с флюгерной ориентацией. тической установкй повышает ее долговеч-

Сущность изобретения: на вертикальной ность путем снижения знакопеременных, опоре установки закреплена с возможйо- нагрузок на лопастй ветроколеса и закреп- ф стью вращения в горйзонтальной плоскбстй: ления флюгера на двух штангах, 4 ил.

3 . 1773286 ., . . 4

Изобретекние относится к ветрознерге- щих на генератор И ветроколесо отнтоситкельтике и может быть использовано в акфегатах но оси шарнира в, вертикальной плтоскостй, малой и средней мощности с флюгерной имеетвид: ориентацией.

Известен ветросдвйгатнель, содержащий 5 MB - Мпр - Mr + Мф - О, (1) крыльчатое ветроколесо",свсясзйнкноек с набом .. рая посредством аарнирногок узла, обеспе- . . ветра на ветроколесо;

ii вертикальной и горйзо4тальной плоско- 10 Млримеюг проткивтоположнпыкезнаки,т. к . мостЯх. ШаРниРный Узел йахводитсЯУ киже осй: мент сРабактыйанп давления ветра на ветроколесо. На гал6вкуе ", навливается моменктотм Мпр; жестко закреплен один конец жесткой: Mr - мокмейт, сокздаваемый силой веса генештанги. Второй конец этой штанги жестко ркатора (вместе с весом ветроколеса); закреплен на флюгере (хвостовике);,;, t5 Мф — момент, создаваемый силой веоа флюСркедсптво создания момента, йрдотиво- гера (совместно со штангой, если флюгер действующего повороту гейерка1ора в"вер-: закреплен на гекнератуокреп. тикальной плоскости и обеспечивающего . Лри нарастании ветра увеличиваются вкозувращение головкк . хсосдное полсоженисекпРиснижениискоРости 20 гЕнЕРатоРа с ветРоколесоМ изменЯетсЯ, В, ветра; представляет собой спиркальнувю момент, когда центр масс генератора будег ленточ уЮ йружину, связанную с осью: лкежанть нта "вертикали, проходящей через ось шарнира;:: .: --::.: : ::.:." - . " шарнира.Mr=0;Придальнейшемнаклонб

Вкачествепрототйпа{ибазовогообьек- Mr меняет знак и нкачйнает возрастатьу . та) гтнринимакем извсестйуЮ ветроэнергетйче- 25 Резко нарушается равновесие моментов и скуЮ устканов1<у * Флюгер", содержащую генератор "опрокидывается" скачком. Про всетроколпеса; установленное на валу генера- . исходит удар генератора об осгрансичитвв, тора ; заккрепленнсокм на вершине головки по- Т.е. в такой конструкции существует критисредством шарнира, обеспечивающего . ческий угол наклона ветроколеса, при допноворот гекнератбра вместе с ветроколесом 30 стижсении- куопторого даже без заметного в вертикальной плоскости (ойроккидывайие); -: воэрастайия ве тра генератор "опроккидсывуаЭто достигается размещением шарнира ни- ется". Уравйение равновесия моментов при же-оси давления ветра на ветроколесо. . этом будет иметь вид:

":: Головка йммеет возможнбстнь вращения (повосротка на ф180 ) в горизонтальной пло- 38 .. М<-m>p+ M + Мф =0,;: (2) скости. Это достигается посрпедствам шар нира„связывающего головку с мачтой.. для возврата генератора в пернвонаОграничения поворота достигаются уЬта-. чальное положение необходимо, чтобы новкой orðàHè÷èòåëÿ на мачте и уйоров, соответствующих им, на головке; 40 " Мв+ Мт+ Мф = Mpp, (3)

Установка снабжена флюгером (ойедрением), жестко связанным посредством Очевидно, что и жесткость пружины йе Штанги с головкой и средством создания обходимо рассчитать изусловия(3). А завымомента, йротиводействующнего повороту: шейная жоесгкость rI óæèéû в. условиях генератора в вертйкальной-плоскости. Оно 46 порывистого ветра приводит к резкому воз выполнено" в виде цилиндрической витой -" вратугенераторавпервоначальноеположепружины,"концы которой закреплены, соот- ние. Происходит удар генератора об ветственно, на -генераторе и-на"кголовк6; — ограничители, для предотвращения рекзксих центр масс генкернатора с ветроколесом на- ударов(вплоть до разрушения конструкции, ходится между точкой крепления пружины 50 особейно крыльев ветроколеса) приходится и шарниром, обеспечивающим опрокидыва- .применять резиновые (или любые другие), ние генернатора (ветроколеса}. Очевидно;.. аморти3аткоры, которые в условиях сильных что притакой конструкцииприопрокидыва- морозов и жары быстро разрушаются. T,î. нйп гейератора положение флюгера относи- такая защита аетроколеса может привести к тельно головки нбменяется; . . 55 еще более быстрому его разрушению, ио

Недостатком установки-йрототипа яв- уже от ударов. . ляется малаядолговечность, Этообусловле-.. 2) Консольное закрепление флюгера в нослкедувщимиобстоятельствами: условикях сложных нагрузок и вибрации в

1) В установившемся рабочем режйме вертикальной плоскости от ударов при рауравнениеравновесивмоментов,действую- ботеващиты ветрокспеса(описанной выше) 1773286 не позволяет получить надежно работающий механизм ориентации на ветер. Знакопеременные нагрузки в вертикальной и горизонтальной плоскостях адновремейна приводят к быстрому разрушению штанги вблизи ее крепления к головке.

Т.о, долговечность ветроэнергетической установки ограничена двумя факторами

1) Разрушением крыльев ветрокалеса от многократных резких "опрокидываний" генератора с ветроколесам и возникающих при этом больших гироскопических моментов, 2) От жесткого режима рабаты штанги в условиях консольного крепления флюгера.

Целью настоящего изобретения является павйшение долговечности ветроэнергетической установки.

Поставленная цель достигается тем; чта голонка снабжена дополнительным шарнирам, а флюгер — гибкой тягой, причем штанга флюгера закреплена на головке посредством даполнител ьнага шарнира.

На фиг.1 изображена общая схема ветроэнергетической установки в рабочем положении; на фиг.2 — схема установки при среднем положении генератора с ветроколесом; на фиг.3 — схема установки при крайнем нерабочем положении генератора с ветрокалесом; на,фиг.4 — треугольник сил тяги, штанги и фл агера.

Предлагаемая ветроэнергетическая установки содержит ветракалесо I, закрепленное на валу 2 генератора 3, который посредством шарнира 4, обеспечивающего поворот генератора 3 с ветраколесом 1 в вертикальной плоскости (на фиг;1,2,3 эта плоскость чертежа), установлен на головке

5 (на чертежах показана условно одной линией). Головка 5 посредством шарнира 6 связана с мачтой 7. При этом шарнир 6 обеспечивает поворот. головки 5 (вместе с генератором 3 и ветроколесом 1) вокруг вертикальной аси 8 (в горизонтальной плоскости). Ветраэнергетическая установка снабжена флюгерам 9, обеспечивающий ориентацию ее на ветер. Флюгер 9 жестко связан с первым концом штанги 10, второй конец которой через шарнир 11 закреплен на головке 5. Шарнир II обеспечивает изменение углавога положения флюгера 9 (вместе са штангой 10) относительно вертикальной плоскости.

Средство создания противодействующего опрокидыванию генератора 3 момента выполнено в виде дополнительной тяги 12, При этом может быть два варианта ее выполнения;

1) в виде граса (гибкой 1яги). П1>и этом концы троса могут быть жестко закреплены на флюгере 9 и генераторе 3, или это закрепление может быть выполнена шарнирным.

5 2) в виде жесткой штанги, В этом случае крепления ее концов на флюгере 9 и генераторе 3 должны быть шарнирными.

Работает устройство следующим образом.

10 При усилении ветра генератор 3 вме сте с ветракалесам 1 поворачивается вокруг оси шарнира 4 в вертикальной плоскости. На фиг.1.2.,3 показаны последовательные положения установки до

15 максимального опрокидывания. В положении, изображенном на фиг.3 ветрокалесо 1 выведено из-пад ветра. Ориентация на мтер осуществляется флюгером 9. Поворот генератора 3 в горизонтальной пло20 скости обеспечивает шарнир 6. В положении, изображенном на фиг.1, уравнение равновесия моментов, действую" щих на гснератар 3 и ветракалесо 1 относи тельно оси шарнира 4 в вертикальной

25 плоскости,.имеет вид;

Рв 11 + Рф 12 - Рг 3 = 0

Учитывая треугольник сил флюгера 9

30 (фиг.4), получаем:

Гв !1+ Рф1 I 2/1+ Рф2 2/2 Pr 13 = О, (2)

T.î, в стационарном состоянии сумма

35 моментов сил от ветра и флюгера противостоит момент от силы тяжести генератора c ветрокалесам. В пола>кении, изображенном на фиг.2, уравнейие равновесия моментов, действующих на генератор 3 и ветроколеса

40 1 относительно оси шарнира 4 в вертикальной плоскости, имеет вид: г в (13 Рф2 l2/2=0. (3)

45 (Нужна отметить, что Рв A F в т.к. ветроко1 леса на фиг,2 наклон ена).

Очевидно, чта такое положение неустойчиво, т.к. два момента, действующие не генератор, имеет один знак. Под дейст50 вием этих моментов генератор продал>кает опрокидываться, В положении, изображенном на фиг,3, уравнение равновесия моментов, действующих на генератор 3 и ветракалесо I относи55 тельно оси шарнира 4 в вертикальной плоскости, имеет вид:

F в 1 Рф1 12/1+ Рф2 2/2+ Рг 1 3= 0 (4) 1773286

Т.о. имеем три уравнения (но не систему уравнений).

1) Рв. 11+ Р41 Ь/1 + Рф2 12/2 Рг 3 0 (5) (6) 2) Г в 1 + Р ф2 l2/2 = 0

3)F в I 1+Рф2 l2/2+ Pr l 3 Рф1 2/1 0 (7) В уравнении (7) по сравнению с (6) появился член(-Рф1 ф1), который floсути является моментом; противодействующим остальным трем составляющим момента.

Кужно отметить, что величина этого момента зависит от,двух факторов: 1) от величины плеча действия силы Рф1 — l2/1, Это плечо легко можно регулировать конструктивной расстановкой элементов.

2) от величины самой силы Рф1, Величина силы Рф1 зависит при определенном весе флюгера от формы треугольника сил, которая легко. меняется также конструктивной расстановкой элементов. Причем величина этого момента при опрокидываний с положения иа фиг.2 в положение иа фиг.3 возрастает из-за увеличения плеча действия силы

Рф1. Момент этой силы и является причиной исключения ударов генератора об ограничители при опрокидывании генератора.

При возврате генератора в первоначальное положение устройство работает следующим образом. Противодействующий момент Рф1 l2/1 в положении, изображенном на фиг.2, близок к О, Если давление ветра F> продолжает уменьшаться, то баланс моментов в уравнении 6 нарушается возникновением составляющей от Рг и от уменьшения F>. Под действием только двух этих факторов генератор резко вернулся бы в первоначальное положение и произошел бы его удар об ограничители. Ко этого не происходит в отличие от прототипа, т.к. одновременно начинает расти и составляющая от Рф1, но противоположного знака, Эта составляйщая момента и является тем амортизатором, которая не позволит генератору резко возвратиться в первоначальное положение. Оиа замедляет нарастание суммы возвращающих. моментов.

Из сказанного видно, что момент Рф1 !2/2 меняет свой знак в зависимости от того, куда отклоняется генератор.

По сравнению с прототипом (базовым обьектом) предлагаемая ветроэнергетическая установка обладает большей долговечностью, что обусловлено следующими обстоятельствами.

1) Скачкообразного опрокидывания генератора с ветроколесом при возрастании скорости ветра больше крйтической не происходит потому, что в предлагаемой кон5 струкции возникает амортизирующий эффект от силы Рф1, физическое обоснование которого дано выше. При уменьшении напора ветра момент этой же силы Рф1 является амортизирующим возврат генератора в пер10 воначальиое поло>кение. Отсутствие ударов генератора об ограничители снижает знакопеременные нагрузки на лопасти ветроколеса, что обеспечивает увеличение их долговечности.

15 2) В предлагаемой конструкции флюгер закреплен на двух штангах, одна из которых испытывает растягивающее напряжение (тяга 12), а вторая (штанга 10) — сжимающие напряжения. На штангу 10 изгибающий момент (приводящий в прототипе к ее излому) 20 не действуег,, Т.о. долговечность предлагаемой конструкции увеличена по сравнению с прототипом за счет указанных двух факторов.

Существенность отличительйых признаков обусловлена следующими обстоя25 тельствами.

Из ойисаййя работы установки видно, что дополнительная тяга 12 должна обеспечивать взаимное перемещение генератора и флюгера в вертикальной плоскости. Если генератор и флюгер соединить жесткой (без какой-либо шарнирности в вертикальной плоскости) связью, то поворот генератора вокруг шарнира 4 обеспечен ие будет. Однако этого условия не достаточно без шарнирной связи штанги 10 с головкой 5.

В соответствии с формулой изобретения реализована ветроэнергетическая установка номинальной мощностью 100 Вт.

Формула изобретения

Ветроэнергетическая установка, содержащая вертикальную опору, закрепленную на последней с возможностью вращения в

45 горизонтальной плоскости головку, имею- щую шарнир и штангу, и установленные на головке с воэможностью вращения в вертикальной плоскости генератор с ветровым колесом и флюгер, при этом флюгер размещен

50 ниже шарнира со стороны, противоположной ветроколесу., и связан с головкой при помощи штанги, а генератор — при помощи шарнира, отличающаяся тем, что, с целью повышения долговечности, головка

55 снабжена дополнительным шарниром, а флюгер — тягой, причем штанга флюгера закреплена на головке при помощи дополнительного шарнира, :1773286

Р1

1773286

° к к.

Составитель ГкйовиКов

Редактор

Произаодстаенноиздатепьский ксмбинат "Патент, г. ужгород, уп Гагарина, 101

Техред М.Моргентал:: . Корректор B,Петраш

Заказ 3854 Тираж :::.- ":. Подписнпое.

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретенцямо и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/Б