Ветроэнергетическая установка

(19) Ж)й Р 03 О 11/04 ейный кОмитетЕНИЯМ Й ОТКРЬФИЯМ УДАР ПО ИЗОБРЕТПРИ ГКНТ СССРОПИСАНИЕ ИЗОБАТЕК ПАТЕНТУ(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. бюл. М 40:. .: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, НАМузыка, . противоположной ветроколесу 1, и связан с Г.М.Новиков, М,И.Малтинский и А.Я.Буцыкголовкой 5 посредством штанги 10, Генера- (73) Центральный научно-исслеДователь-: тор 3 связан с головкой 5 посредством шарский институт "Электроприбор".: ., нйра 4, Головка 5 снабжена дополнительным 56) Руководство поэксплуатации . шарниром 11, посредством которого штанга КФ 2,940.002 РЭ установкой УВЗ. Ле-10 флюгера 9 закреплена на головке 5. Флюнинградское НПО, Азимут, 1989,.: . гер 9 снабжен гибкой тягой 12, связываю- (54) ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯУСТАНОЙКА: Щей его с корпусом генератора 3. Такое (57). Использование: агпегагы малой исред- конструктивное: вцпблнение ветрознерге нвй 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 горйзонтальнойплоскбстй: ления флюгера на двух Штангах, 4 ил.33 , 1773286- .: 4Изобретекние относится к ветроэнерге- щих на генкерсактосрЙ ветроколесоо 1 носительтике и может быть использованов акгрегатах ноосси шарнира в. вертикальной плоскбстй,малой и средней мощности с флюгернойимеет вид:ориентацией,Известен ветросдвйгатнель, содержащий 5 М - Мпр - Мт+ Мф " О, (1)крыльчатое ветроколесо",свсяоэанкноек с набом.;.генерактора,закрепленным на головке, кото-где М - момент, создаваемый давлениемрая посредством аарнирного узла, обеспе- ветра на ветроколесо;чивающего повонрот головки с всетроколесосмк . Мпр - момент; создавкаемый пружиной, М ив веРтикальсной и гоРйзойвтальной плосско МпРимеютпРоткивбполбжнпыкезнаки,рт.к. мо- .стЯх. ШаРниРный Узел йахводитсЯУ йижеоси: мент сРабактыйаниЯ эащйты от сввтнРа Устадавленияс осетра на ветроколесо. На гол 6 вкуе , навливается моменктотм Мпр;жестко закреплен один конец жесткой Мтс- мокмейт, сокздаваемый силой веса генештанги. Второй конец этой штангижестко ратора (вместе с весом ветроколеса);;закреплен на фл 1 огере(хвостовике);15 Мф-момент, создаваемый силой веоа флюСркедсптво создания момента, противо-гера (совнместносо штангой, если флюгердействуещсегоповоронтутейеркаторавквер- с закреплан Нак гейератуокреп.тикальной плоскости и обкеспечиваащего . Ори нарастании ветра увеличиваютсявкозсвращение головккитпс вкеткраколеысом в ис- Мв и Млр. умейьшается Мг и Мф. Положейие" ходноеполсоженисе пРиснижении скоРости 20 гонЕРатосРа с ветРоколесоМ измендетсЯ, В ,ветра; представляет собой спиркальнувюмомент, когда центр Масс генератора будегленточуЮ йружину, связанную" С осью: лкежанть нтаввертиксали, проходящей через осьшарнира;.:. ". . " .: ""шарнира, Мг=О; Придальнейшем наклонеВ каческтве прототйпа(и базового обьек- М меняет знак и нкачйнает возрастанть.та) гтнринимакем извсестйую ветроэнергетйче Резконарушается равновесиемоментов искуЮ усткэновку Флюгер", содержащую генератор "опрокидывается" скачком. Про"всетроколпесо; установленное на валу генера- исходит удар генератора об осгрансичитвв,тора; эаккрепленнсокм на вершине горловки по- Т.е. в такой конструкции существует крити- средством шарнира, обеспечивающего . ческий угол наклона ветроколеса, при допноворотгекнератбра вместе светроколесом 30 стйжсении куопторого даже без заметноговвертикальной плоскости (ойрокидывайие); воэрастайия ветра генератор "опроккидсывуаЭтодостигается размещением шарнира ни- ется". Уравйениеравновесия моментов приже-оси давления ветрана ветроколесо. . этом будет иметь вид:Головка йммеет возможнбстнь вращения(повосратка на 180 О) в горизонтальной пло . Мо-МпрМг+ Мф =О., (2)скости. Это достигается посрпедствам шарнирасвязывающего головку с мачтой для возврата генератора в пернвонаОграничения поворота достигаются уЬта- чальное положение необходикмь, чтобыновкой ограничителя на мачтеи уйоров, со- ,ответствующих им, на головке;40. Мв+ Мг+ Мф = Мпр, (3)Установка снабжена Флюгером (ойедрте нием), жестко связанным поксредством Очевидно, что и жесткостьпружины йештанги с головкой и средством созданияобходимо ркассчитатьизусловия(3). А завымомента, противодействуащнего повороту шкейная жоесгкость пружины в условияхгенератора в вертикальнойплоскости, Оно 48 порывисстого ветра приводит к резкому воэ выполнено" в виде цилиндрической витой " вратугенераторавпервоначальноеположепружины, концы которой закреплены, соот- ние. Происходит ударгенератора обветственно, на-генераторе инапголовке;- ограничители,для предотвращения рекэксихцентр масс генкернатора с ветроколесомна- ударов(вплоть до разрушения кбнструкции,ходится между точкой крепленкия пружины 50 особейно крыльев ветроколеса) приходситсяи шарниром, обеспечивающим опрокидыва-,применять резиновые (или любые другие), ние генератора (ветроколеса). Очевидно; амортиЗаткоры, которые в условиях сильныхчто притакой конструкциипрйопрокидыва- морозов и жары быстро разрушаются. Т,о,ниц гейератора положение флюгера относи-" такая защита аестроколекса может привести ктельноголовкинбменяется; 55 еще более быстрому его раэрушени,о, иоНедостатком установки-пкрототипа яв- уже от ударов.ляется малая долговечность, Это обусловле) Консольное закрепление флюгера внослкедувщимиобстоятельствами: условйях сложных нагрузок и вибрации и1) В установившемся рабочемрежйме. вертикальной плоскости от ударов при рауравнениеравновесивмоментов,действуюботеващиты ветрокопеса(описанной выше)не позволяет получить надежно работающий механизм ориентации на ветер. Знакопеременные нагрузки в вертикальной игоризонтальной плоскостях одновремейноприводят к быстрому разрушению штангивблизи ее крепления к головке.Т.о, долговечность ветроэнергетической установки ограничена двумя Факторами1) Разрушением крыльев ветроколеса отмногократных резких "опрокидываний" генератора с ветроколесам и возникающихпри этом больших гироскопических моментов,2) От жесткого режима работы штанги вусловиях консольного крепления флюгера.Целью настоящего изобретения является повйшение долговечности ветроэнергетической установки,Поставленная цель достигается тем; чтоголовка снабжена дополнительным шарнирам, а флюгер - гибкой тягой, причем штанга флюгера закреплена на головкепосредством дополнительного шарнира.На фиг.1 изображена общая схема вет. роэнергетической установки в рабочем положении; на фиг.2 - схема установки присреднем положении генератора с ветроколесом; на фиг,З - схема установки при крайнем нерабочем положении генератора светрокалесом; на,фиг.4 - треугольник силтяги, штанги и флагера.Предлагаемая ветроэнергетическая установки содержит ветракалесо 1, закрепленное на валу 2 генератора 3, которыйпосредством шарнира 4, обеспечивающегоповорот генератора 3 с ветраколесом 1 ввертикальной плоскости (на фиг;1,2,3 этаплоскость чертежа), установлен на головке5 (на чертежах показана условно одной линией). Головка 5 посредством шарнира 6связана с мачтой 7. При этом шарнир 6 обеспечивает поворот головки 5 (вместе с генератором 3 и ветроколесом 1) вокругвертикальной аси 8 (в горизонтальной плоскости), Ветраэнергетическая установкаснабжена флюгером 9, обеспечивающийориентацию ее на ветер, Флюгер 9 жесткосвязан с первым концом штанги 10, второйконец которой через шарнир 11 закрепленна головке 5. Шарнир 11 обеспечивает изменение углавога положения флюгера 9(вместе со штангой 10) относительно вертикальной плоскости.Средство создания пратиоадействующего опрокидыванию генератора 3 моментавыполнено в виде дополнительной тяги 12,При этом может быть два варианта ее выполнения; 1) в виде 1 раса (гибкой 1 яги), При этомконцы троса могут быть жестко закрепленына Флюгере 9 и генераторе 3, или это закрепление мажет быть выполнена шарнирныл 1.5 2) в виде жесткой штанги, В этом случаекрепления ее концов на Флюгере 9 и генераторе 3 должны быть шарнирными,Работает устройство следующим образом,10 При усилении ветра генератор 3 вместе с ветракалесам 1 поворачивается вокруг оси шарнира 4 о вертикальнойплоскости. На фиг.1.2.,3 показаны последовательные положения установки до15 максимального опрокидывания. В положении, изображенном на фиг.З ветрокалесо 1 выведено из-пад ветра. Ориентацияна ветер осуществляется флюгером 9. Поворот генератора 3 в горизонтальной пло 20 скости обеспечивает шарнир 6.В положении, изображенном на Фиг.1,уравнение равнооесия маментао, действую"щих на гснератар 3 и ветракалесо 1 относительно оси шарнира 4 в вертикальной25 плоскости,.ил 1 еет вид;Гв11 + Рф2 - Рг3 = 0Учитывал треугольник сил Флюгера 930 (фиг.4), получаем:Гв 1+ Рф 12/1+ Рф 2 2/2 - Рг 3 = О, (2)Т.о, в стационарном состоянии сумма35 моментов сил ат ветра и флюгера противостоит момент ат силы тяжести генератора светракалесам. В положении, изображенном на Фиг.2, уравнение равновесия моментов,дейстиуащих на генератор 3 и оетракалесо40 1 относительно аси шарнира 4 о вертикальной плоскости, имеет вид:Г в1 + Рф 22/2 = О. (3)45 (Нужна отметить, чта Рв Г вт.к. ветроколеса на фиг,2 наклонена).Очевидно, чта такое положение неустойчиво, т.к. доа момента, действующиене генератор, имеет один знак. Пад дейст 50 вием этих моментов генератор продолжаетопрокидываться,В положении, изображенном на фиг,З,уравнение равновесия моментов, действующих на генератор 3 и ветракалеса 1 относи 55 тельна оси шарнира 4 о вертикальнойплоскости, имеет оид:1 в1- Рф 1 2/1+ Рф 2 2/2+ Рг3 = 0 (4)Т.о, имеем три уравнения (но не системууравнений),1) Рв 1+ Рф 1 2/1 + Рф 2 2/2 - Рг 3 ф= 0 (5)(6) 2) Г в1+ Рф 2 2/2 =0 3) Р в1+ Рф 2 2/2+ Рг3 Рф 1 2/1 0 (7) В уравнении (7) по сравнению с(6) появился член (-Рф 1 2/1), который по сути является моментом; противодействующим остальным трем составляющим момента. Кужно отметить, что величина этого момента зависит от,двух факторов: 1) от величины плеча действия силы Рф - 2/1, Это плечо легко можно регулировать конструктивной расстановкой элементов.2) от величины самой силы Рф 1. Величина силы Рф 1 зависит при определенном весе флюгера от формы треугольника сил, которая легко. меняется также конструктивной расстановкой элементов, Причем величина этого момента при опрокидываний с положения на фиг.2 в положение на фиг.З возрастает из-за увеличения плеча действия силы Рф 1, 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 Рф 1 2/1 в положении, изображенном на фиг.2, близок к О, Если давление ветра Гв продолжает уменьшаться, то баланс моментов в уравнении 6 нарушается возникновением составляющей от Рг и от уменьшения Рв, 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 Рф 1, но противоположного знака, Эта составляйщая момента и является тем амортизатором, которая не позволит генератору резко возвратиться в первоначальное положение. Она замедляет нарастание суммы возвращающих. моментов.Иэ сказанного видно, что момент Рф 1 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 кон 5 струкции возникает амортизирующий эффектот силы Рф 1, физическое обоснование которого дано выше. При уменьшении напора ветра момент этой же силы Рф 1 является амортизирующим возврат генератора в пер 10 воначальиое полокение. Отсутствие ударовгенератора об ограничители снижает энакопеременнце нагрузки на лопасти ветроколеса, что обеспечивает увеличение ихдолговечности. 15 2) В предлагаемой конструкции флюгерзакреплен 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 действуетТ.о. долговечность предлагаемой конструкции увеличена по сравнению с прототипом за счет указанных двух факторов.Существенность отличительйых признаков обусловлена следующими обстоятельствами,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 не 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 и зоб ретени я Ветроэнергетическая установка, содержащая вертикальную опору, закрепленную на последней с возможностью вращения в 45 горизонтальной плоскости головку, имею-щую шарнир и штангу, и установленные наголовке с воэможностью вращения в вертикальной плоскости генератор с ветровым колесом и флюгер, при этом флюгер размещен 50 ниже шарнира со стороиы, противоположной ветроколесу., и связан с головкой при помощи штанги, а генератор - при помощи шарнира, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения долговечности, головка 55 снабжена дополнительным шарниром, афлюгер - тягой, причем штанга флюгера закреплена на головке при помощи дополнительного шарнира,1773286 фцр Составитель ГкйовиКовТехред М,МоргенталКорректор В;Петраш Редактор Произаодстаанно-издатальский ксмбинат +Патлат", г. ужгород, ул Гагарина, 101 аказ 3854 Тираж,", " Подпистнлое ВНИИПИ Государственного комитета йо изобретенцямо и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская йаб., 4/Б