Ветродвигатели с вертикальной осью вращения. Частота вращения ветроколеса ветродвигателяВетродвигатели с вертикальной осью вращения2 типа: 1. Карусельные 2. Роторные - Ось вращения перпендикулярна скорости ветра Ветроэлекторогенераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни. Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Из за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются. Наиболее распространенные типы вертикально-осевых установок следующие:
Ротор Дарье. Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или на трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье используется в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор, как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя. Ротор Дарье состоит из 2 - 4 тонких изогнутых лопастей, имеющих в поперечном сечении форму крыла. Такие роторы имеют различную форму (Ф-, ∆-, à-, Y- образную) с одной, двумя, или большим числом лопастей. На таких лопастях возникает подъемная сила, создающая вращающий момент на оси ветроустановки аналогично тому, как это происходит на ветроколесе с горизонтальной осью. Одна из разновидностей ротора Дарье – ротор Масгрува – с прямыми лопастями. Существует множество конструкций Масгрува.
Ротор Масгрува
Рисунок 2 - Ветроэнергетические установки Дарье) с вертикальным ротором: а) Ф-образный, б) D - образный; в) с прямыми лопастями. 1 - башня, 2 - ротор, 3 - растяжки, 4 - опора, 5 - передача вращающего момента Карусельные Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны, и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора, работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (мультипликатор - повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем "откуда дует ветер", что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки. Ротор Савониуса. Это колесо вращается силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т.е. отличаются простотой и дешевизной. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой относительно него лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения, это ветроколесо обладаем большим крутящим моментом и используется для перекачки воды
Основные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколеса в потоке ветра, а именно: 1. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочерёдно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и не превышает 10 %, что установлено экспериментальными исследованиями. 2. Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра. Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличены. Вращающийся момент создается, как и у крыльчатых за счет подъемных сил. Генератор внизу, не требуется устройство ориентации на ветер. Впервые были предложены во Франции в 1920г. В последние годы особое внимание уделяется конструкциям с прямоугольными лопастями.
Сравнение ветроэлекторогенераторов с вертикальной осью вращения по сравнению с крыльчатыми: Достоинства: - не требуется устройство ориентации на ветер -возможность установки генератора и мультипликатора внизу. Недостатки: - рабочее колесо перемещается в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочередно, поэтому каждая лопасть испытывает непрерывную нагрузку, поэтому подверженность усталостным разрушениям - пульсация крутящего момента приводит к пульсации выходных параметров генератора. Одна из разновидностей ротора Дарье – ротор Масгрува – с прямыми лопастями. Существует множество конструкций Масгрува
Концентраторы.Мощность ветроэнергоустановки зависит от эффективности использования энергии воздушного потока. Одним из способов ее повышения является использование специальных концентраторов (усилителей) воздушного потока. Для горизонтально-осевых ветроэлектрогенераторов разработаны различные варианты таких концентраторов. Это могут быть диффузоры или конфузоры (дефлекторы), направляющие на ветроколесо воздушный поток с площади, большей ометаемой площади ротора, и некоторые другие устройства. Широкого распространения в промышленных установках концентраторы пока не получили.
Ветроколесо (ротор) – преобразует кинематическую энергию воздушного потока в механическую энергию вращения оси турбины. Для ВЭУ подключ. к сети частота вращения = const. Мультипликатор – для увеличения частоты вращения вала турбины и обеспечивает согласованность с оборотами генератора. В ВЭУ малой мощности мультипликаторы не применяются. Башня – для крепления ветроколеса. Иногда укрепляют стальными растяжками. У ВЭУ большой мощности Нб достигает 100-115м. Бывают цилиндрические и решетчатые. Основание (фундамент) – для предотвращения падения установки при сильном ветре. Гондола(кабину), в которой обычно расположен редуктор (некоторые турбины работают без редуктора), генератор и другие системы; Электрическое и электронное оборудование: также как и панели управления, электрические кабели, оборудование заземления и оборудование для подключения к сети, система молниезащиты и др.
Специальные устройства - Устройство автоматического останова при сильном ветре, т.е. тормозным устройством. - Для крыльчатых устройство ориентации на ветер.
Фундамент на который установлена башня 2. Башня 2 – имеет разную высоту (до нескольких десятков метров) зависит от На боковой поверхности башни предусмотрены двери, для подъема наверх лестница. Внутри нижней части башни смонтировано распредустройство и блок автоматики.
Похожие статьи:poznayka.org Гидравлическая система ветрогенератора для регулирования частоты вращения генераторного валаБиблиографическое описание:Ахметов И. И., Петров П. В. Гидравлическая система ветрогенератора для регулирования частоты вращения генераторного вала [Текст] // Современные тенденции технических наук: материалы V Междунар. науч. конф. (г. Казань, май 2017 г.). — Казань: Бук, 2017. С. 26-29. URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/230/12060/ (дата обращения: 18.08.2018). В современном мире наиболее применяемыми источниками электроэнергии являются тепло-, гидро- и атомные электростанции. Но эти источники не очень экологичны и наносят вред здоровью человека. Главным перспективным решением мировой и российской энергетики может служить переход на использование альтернативных видов энергии, которые основаны на применении возобновляемых источников энергии(ВИЭ). Они безопасны для экологии, а также для человеческого здоровья. Современная наука выделяет 2 группы энергетических источников: Рис.1. Классификация энергетических источников В данной работе рассмотрена одна из наиболее развиваемых на сегодняшний день отраслей ВИЭ — ветроэнергетика. К началу 2016 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов превзошла суммарную мощность атомной энергетики и составила 432 гигаватта [1]. Рис. 2. Состояние Российской энергетики в 2014 году [1] Россия — большая северная страна, и в ней есть, где разгуляться ветрам. Идеально место для ветроэнергетики. Но к сожалению данная отрасль в нашей стране не получила широкого развития. Эксперты давно определили, что Россия владеет огромными ветропотенциалами. Энергетические ветровые зоны расположены в основном на побережье и островах Северного Ледовитого океана, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, на побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Черного и Азовского морей, в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале. Ветрогенератор — это устройство, которое преобразовывает кинетическую энергию ветрав механическую энергию вращения ротора и в дальнейшем преобразовывает её в электрическую энергию. Самым распространенным видом ветрогенераторов является трёхлопастной горизонтальный ветрогенератор с фиксированным шагом винта(Рис.3). Рис. 3. Трёхлопастной горизонтальный ветрогенератор Ветрогенератор с фиксированным шагом винта, в котором вал ветротурбины непосредственно связан напрямую с валом электрогенератора имеет следующие недостатки: возникает необходимость применения многополюсных генераторов для получения электроэнергии с промышленной частотой ~50 Гц, так как диапазон частоты вращения вала ветротурбины находится в различных пределах. Данные электромеханизмы обладают большими габаритами и массой, а также имеют сложную коммутационную аппаратуру, которая увеличивает стоимость ветроустановки [2]. Применение регулируемого объёмного гидропривода позволяет решить проблемы, описанные выше. Существует два варианта применения гидропривода в ветряке: 1) Изменение угла атаки лопастей с помощью гидроцилиндров; 2) Регулирование скорости вращения роторного вала ветрогенератора с помощью объёмного насоса с регулятором расхода; Второй вариант является наиболее оптимальным, т. к. он является менее громоздким и использует всего один исполнительный гидродвигатель, тогда как для поворота лопастей требуется три гидродвигателя. Рассмотрим более подробно второй вариант. В качестве объёмного насоса выбран аксиально-поршневой насос, т. к. этих гидронасосов диапазон регулирования частоты вращения намного шире (500–4000 об/мин), чем у радиально-поршневых, частота вращения которых ограничена величиной 1500 об/мин. Применение аксиально-поршневых насосов очень удобно для ветровых установок из-за изменения скорости ветра. Принцип работы гидравлической системы этого ветряка состоит в следующем. При изменении скорости ветра изменится частота вращения ротора, а насос 1 будет регулироваться, настраиваясь при этом под нужную частоту вращения. Насос нагнетет гидравлическую жидкость к гидромотору 1. Мотор преобразует гидравлическую энергию в механическую. Также в гидросистеме присутствуют нерегулируемый аксиально-поршневой насос 2 и радиально-поршневой гидромотор 2, которые нужны для поворота платформы. Массо-габаритные характеристики платформы довольно большие, не менее 1300 кг с учетом массы лопастей. Чтобы повернуть такую платформу нужны большие усилия и высокие моменты. Как известно: гидропривод может передавать мощность на единицу массы привода; в частности, масса гидравлических машин примерно в 10–15 раз меньше массы электрических машин такой же мощности. В этом можно отметить ещё одно преимущество гидравлических приводов. Насос 2 будет приводиться во вращение с помощью электродвигателя, который в свою очередь будет работать от аккумулятора. Заряжать аккумулятор будет тот же генератор, что исключит внедрение дополнительных источников энергии. Скорость ветра может быть довольно критической, создавая не пригодные для насоса частоты вращения. Для этого перед насосом 1 будет установлен редуктор 1. Также редуктор будет применен для поворота платформы, который нужно установить после гидромотора 2. Применение такой гидравлической системы позволит повысить надежность работы ветроэнергетической установки и улучшить качество вырабатываемой электроэнергии. Рис. 4. Упрощенная гидравлическая система ветрогенератора Литература:
Основные термины (генерируются автоматически): ветрогенератор, Россия, Российская энергетика, поворот платформы, объемный насос, насос, изменение скорости ветра, горизонтальный ветрогенератор, гидравлическая система, фиксированный шаг винта. Похожие статьиОбзор основных типов ветрогенераторов и перспективы развития...уровень шума, ротор, направление ветра, ветрогенератор, горизонтальная ось вращения, коэффициент использования ветра, Россия, ветровый поток, среднегодовая скорость ветра, альтернативная энергетика. Ветроэнергетика в России: анализ актуальности и перспективы...Обзор основных типов ветрогенераторов и перспективы... Кинетическая энергия ветра, как известно из курса физики, пропорциональна кубу его скорости. энергия, доля затрат, инновационный сценарий, Россия, индустриальная энергетика. Выбор электрогенераторов для ветроэнергетических установокГидравлическая система ветрогенератора для регулирования... При изменении скорости ветра изменится частота вращения ротора, а насос 1 будет регулироваться, настраиваясь при этом под нужную частоту вращения. Применение редукторов в ветроэнергетических установкахМодель синхронного генератора. В структурной основе его лежит система уравнений Парка-Горева. Немаловажным фактором работы ВЭУ являются колебания скорости ветра. Ключевые слова: ротор Савониуса, ветрогенератор, ветровой поток, аэродинамика... Проблемы и перспективы развития ветроэнергетических установок...возобновляемая энергетика, ветроэнергетика, горизонтально-осевые ветроустановки, вертикально-осевые ветроустановки. 1)Нет необходимости в установке механизмов и системах для ориентации на ветер, т.к данный тип ветрогенераторов «ловит» любые... Целесообразность применения ветроэнергетических установок...Например, в 2014 в году в Дании ветрогенераторы обеспечили 39,1% от потребляемой электроэнергии [2]. В России Среднегодовая скорость ветра в Омской области составляет 3,5 м/с [2]. По общим оценкам ВЭУ с горизонтальной осью вращения по выработке... Ветроустановки с ортогональным ротором: обзор основных...Минусы же подобного ветрогенератора в низком коэффициенте использования энергии ветрового потока. Таким образом, коэффициенты использования энергии ветра вертикально-осевых ВЭУ и горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ достаточно близки [2]. Ветроэнергетика в России и мире | Статья в журнале...В данной статье произведён анализ проблем энергетики в России и мире. Изложен один из путей решения данных проблем с помощью ветроэнергетики. Рассмотрена законодательная база по ВИЭ в Российской Федерации и существующая ветроэнергетическая база страны. Применение генератора в ветроэнергетических установках малой...Гидравлическая система ветрогенератора для регулирования... Скорость ветра может быть довольно критической, создавая не пригодные для насоса частоты вращения. moluch.ru Ветродвигатели с вертикальной осью вращения2 типа: 1. Карусельные 2. Роторные - Ось вращения перпендикулярна скорости ветра Ветроэлекторогенераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни. Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Из за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются. Наиболее распространенные типы вертикально-осевых установок следующие:
Ротор Дарье. Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или на трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье используется в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор, как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя. Ротор Дарье состоит из 2 - 4 тонких изогнутых лопастей, имеющих в поперечном сечении форму крыла. Такие роторы имеют различную форму (Ф-, ∆-, à-, Y- образную) с одной, двумя, или большим числом лопастей. На таких лопастях возникает подъемная сила, создающая вращающий момент на оси ветроустановки аналогично тому, как это происходит на ветроколесе с горизонтальной осью. Одна из разновидностей ротора Дарье – ротор Масгрува – с прямыми лопастями. Существует множество конструкций Масгрува.
Ротор Масгрува
Рисунок 2 - Ветроэнергетические установки Дарье) с вертикальным ротором: а) Ф-образный, б) D - образный; в) с прямыми лопастями. 1 - башня, 2 - ротор, 3 - растяжки, 4 - опора, 5 - передача вращающего момента Карусельные Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны, и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора, работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (мультипликатор - повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем "откуда дует ветер", что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки. Ротор Савониуса. Это колесо вращается силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т.е. отличаются простотой и дешевизной. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой относительно него лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения, это ветроколесо обладаем большим крутящим моментом и используется для перекачки воды
Основные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколеса в потоке ветра, а именно: 1. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочерёдно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и не превышает 10 %, что установлено экспериментальными исследованиями. 2. Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра. Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличены. Вращающийся момент создается, как и у крыльчатых за счет подъемных сил. Генератор внизу, не требуется устройство ориентации на ветер. Впервые были предложены во Франции в 1920г. В последние годы особое внимание уделяется конструкциям с прямоугольными лопастями.
Сравнение ветроэлекторогенераторов с вертикальной осью вращения по сравнению с крыльчатыми: Достоинства: - не требуется устройство ориентации на ветер -возможность установки генератора и мультипликатора внизу. Недостатки: - рабочее колесо перемещается в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочередно, поэтому каждая лопасть испытывает непрерывную нагрузку, поэтому подверженность усталостным разрушениям - пульсация крутящего момента приводит к пульсации выходных параметров генератора. Одна из разновидностей ротора Дарье – ротор Масгрува – с прямыми лопастями. Существует множество конструкций Масгрува
Концентраторы.Мощность ветроэнергоустановки зависит от эффективности использования энергии воздушного потока. Одним из способов ее повышения является использование специальных концентраторов (усилителей) воздушного потока. Для горизонтально-осевых ветроэлектрогенераторов разработаны различные варианты таких концентраторов. Это могут быть диффузоры или конфузоры (дефлекторы), направляющие на ветроколесо воздушный поток с площади, большей ометаемой площади ротора, и некоторые другие устройства. Широкого распространения в промышленных установках концентраторы пока не получили.
Ветроколесо (ротор) – преобразует кинематическую энергию воздушного потока в механическую энергию вращения оси турбины. Для ВЭУ подключ. к сети частота вращения = const. Мультипликатор – для увеличения частоты вращения вала турбины и обеспечивает согласованность с оборотами генератора. В ВЭУ малой мощности мультипликаторы не применяются. Башня – для крепления ветроколеса. Иногда укрепляют стальными растяжками. У ВЭУ большой мощности Нб достигает 100-115м. Бывают цилиндрические и решетчатые. Основание (фундамент) – для предотвращения падения установки при сильном ветре. Гондола(кабину), в которой обычно расположен редуктор (некоторые турбины работают без редуктора), генератор и другие системы; Электрическое и электронное оборудование: также как и панели управления, электрические кабели, оборудование заземления и оборудование для подключения к сети, система молниезащиты и др.
Специальные устройства - Устройство автоматического останова при сильном ветре, т.е. тормозным устройством. - Для крыльчатых устройство ориентации на ветер.
Фундамент на который установлена башня 2. Башня 2 – имеет разную высоту (до нескольких десятков метров) зависит от На боковой поверхности башни предусмотрены двери, для подъема наверх лестница. Внутри нижней части башни смонтировано распредустройство и блок автоматики.
Дата добавления: 2018-02-08; просмотров: 61; znatock.org Ветродвигатель
Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для получения электроэнергии. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит башню 1, поворотную головку 2 с горизонтальным валом 3 и передним 4 и задним 8 двухлопастными ветроколесами, расположенными на концах вала 3 на разном расстоянии от оси башни 1 с возможностью вращения в противоположные стороны, кинематически связанные с генератором 5, имеющим на выходном валу коническую шестерню 6. Переднее ветроколесо связано с валом генератора через вал 3 и его коническую шестерню 7, взаимодействующую с шестерней 6, а заднее ветроколесо 8 - через его ступицу 9 и ее коническую шестерню 10, также взаимодействующую с шестерней 6. Шестерни 7 и 10 имеют одинаковый диаметр. Постоянство частоты вращения ветроколес и напряжения генератора 5 при увеличении скорости ветра свыше расчетной или при снижении нормальной нагрузки генератора поддерживается стабилизатором частоты вращения. 2 ил. Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую и обеспечения энергией различных потребителей. Известен ветродвигатель, содержащий размещенную на башне поворотную головку с установленным на горизонтальном валу лопастным ветроколесом, кинематически связанным с генератором. Недостатком такого ветродвигателя является относительно невысокий КПД. Известен ветродвигатель, содержащий размещенную на башне поворотную головку с установленным на горизонтальном валу ветроколесом, имеющим поворотные радиальные лопасти, генератор, кинематически связанный с ветроколесом посредством конических шестерен, закрепленных соответственно на поворотной головке, выходном валу генератора и горизонтальном валу, стабилизатор частоты вращения. К недостатку такого ветродвигателя относится сравнительно малый КПД. Цель изобретения - увеличение КПД. На фиг. 1 схематично изображен ветродвигатель, общий вид; на фиг. 2 - электрическая схема ветродвигателя. Ветродвигатель содержит размещенную на башне 1 поворотную головку 2 с установленным на горизонтальном валу 3 ветроколесом 4, имеющим поворотные радиальные лопасти, генератор 5, кинематически связанный с ветроколесом 4 посредством конических шестерен 6, 7, закрепленных соответственно на поворотной головке 2, выходном валу генератора 5 и горизонтальном валу 3, стабилизатор частоты вращения. Ветродвигатель снабжен расположенным за башней 1 дополнительным ветроколесом 8, ступица 9 которого снабжена конической шестерней 10 и жестко связана с лопастями, втулкой 11 с конической шестерней 12 на одном из концов, при этом втулка 11 и ступица 9 установлены на горизонтальном валу 3 с возможностью вращения, ветроколеса 4, 8 установлены с возможностью вращения в противоположные стороны, лопасти переднего ветроколеса 4 снабжены общей осью 13, шестерни 7, 10 горизонтального вала 3 и ступицы 9 имеют равные диаметры и взаимодействуют с шестерней 6 вала генератора 5, стабилизатор частоты вращения выполнен в виде конической шестерни 14, закрепленной на оси 13 лопастей переднего ветроколеса 3 и взаимодействующей с конической шестерней 12 втулки 11, двухрядной магнитопроводной цилиндрической шестерни 15, укрепленной на другом конце втулки 11, электромагнита 16, катушка которого снабжена зубчатыми выступами 17, расположенными на ее внутренней поверхности, и расположена коаксиально цилиндрической шестерне 15, причем обмотки электромагнита 16 электрически связаны с генератором 5 при помощи выпрямителя 18, реле 19 и переменного резистора 20, ветроколеса 4, 8 выполнены двухлопастными. Генератор 5 может быть связан с потребителями через контактные кольца, закрепленные на цапфе поворотной головки 2. Ветродвигатель работает следующим образом. Вследствие того, что переднее ветроколесо 4 расположено от оси башни 1 на меньшем расстоянии, чем заднее ветроколесо 8, ветер, действующий сбоку на оба ветроколеса, поворачивает их вокруг башни 1 вместе с головкой 2 пока горизонтальный вал 3 не установится параллельно направлению ветра. После этого ветер вращает колесо 4, 8 в противоположные стороны, так как их лопасти наклонены к плоскости вращения в разные стороны. Вращение ветроколес передается шестерне 6 выходного вала генератора 5 от переднего ветроколеса 4 через горизонтальный вал 3 и его коническую шестерню 7, а от заднего ветроколеса 8 - через его ступицу 9 и ее коническую шестерню 10, имеющую одинаковый диаметр с шестерней 7. Выработанный генератором 5 ток поступает к потребителям через контактные кольца на цапфе поворотной головки 2. Если скорость ветра равна или больше расчетной, а генератор 5 имеет постоянную номинальную нагрузку или она уменьшается, то стабилизатор частоты вращения обеспечивает постоянство напряжения генератора 5 путем изменения положения плоскостей лопастей переднего ветроколеса относительно направления ветра. В этих случаях при малейшем повышении частоты вращения ветроколес и напряжения генератора 5, катушка реле 19, подключенная к генератору 5 через переменный резистор 20, замыкает контакты реле и ток от генератора, пройдя через выпрямитель 1 и контакты реле, поступает в обмотки электромагнита 16. Магнитное поле, созданное током в обмотках, проходя через зубчатые выступы 17 катушки электромагнита 16 и воздушные зазоры, замыкается в двухрядной цилиндрической шестерне 15 и тормозит или останавливает ее вращение вместе со втулкой 11 шестерней 12 относительно горизонтального вала 3, а шестерня 14 на общей оси 13 лопастей переднего ветроколеса 4, взаимодействующая с шестерней 12, поворачивает лопасти переднего ветроколеса 4 и устанавливает их в положение, при котором ветер перестает вращать ветроколесо с горизонтальным валом 3 и его коническая шестерня 7 тормозит вращение шестерни 6 вала генератора 5 со стороны заднего ветроколеса 8. В результате частота вращения вала генератора 5 и напряжение его быстро снижаются до нормального, при котором реле 19 размыкает свои контакты, электромагнит 16 обесточивается и лопасти переднего ветроколеса снова устанавливаются в рабочее положение. Когда скорость ветра становится ниже расчетной, для поддержания постоянства частоты и напряжения тока генератора 5 требуется снижение его нагрузки. Это выполняют известные автоматически действующие приборы, включенные в сеть генератора.Формула изобретения ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий размещенную на башне поворотную головку с установленным на горизонтальном валу ветроколесом, имеющим поворотные радиальные лопасти, генератор, кинематически связанный с ветроколесом посредством конических шестерен, закрепленных соответственно на поворотной головке, выходном валу генератора и горизонтальном валу, стабилизатор частоты вращения, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД, ветродвигатель снабжен расположенным за башней дополнительным ветроколесом, ступица которого снабжена конической шестерней и жестко связана с лопастями, втулкой с конической шестерней на одном из концов, при этом втулка и ступица установлены на горизонтальном валу с возможностью вращения, ветроколеса установлены с возможностью вращения в противоположные стороны, лопасти переднего ветроколеса снабжены общей осью, шестерни горизонтального вала и ступицы имеют равные диаметры и взаимодействуют с шестерней вала генератора, стабилизатор частоты вращения выполнен в виде конической шестерни, закрепленной на оси лопастей переднего ветроколеса и взаимодействующей с конической шестерней втулки, двухрядной магнитопроводной цилиндрической шестерни, укрепленной на другом конце втулки, электромагнита, катушка которого снабжена зубчатыми выступами, расположенными на ее внутренней поверхности, и расположена коаксиально цилиндрической шестерне, причем обмотки электромагнита электрически связаны с генератором при помощи выпрямителя, реле и переменного резистора, а ветроколеса выполнены двухлопастными.РИСУНКИ Рисунок 1, Рисунок 2www.findpatent.ru Конструкция ветроэнергетических установокПоиск Лекций
Принцип действия всех ветродвигателей заключается во вращении ветроколеса с лопастями поднапором ветра. Вращающий момент ветроколеса через систему передач передается на вал генератора, вырабатывающего электроэнергию. Кинетическая энергия воздушного потока с площадью поперечного сечения , имеющего плотность и скорость равна [62]: . Механическая энергия ветродвигателя определяется коэффициентом использования энергии ветра, зависящим от типа ветродвигателя и режима его работы: . Электрическая мощность генератора ветроэнергетической установки может быть определена по формуле: где – радиус ветроколеса; – КПД электромеханического преобразователя энергии. По принципу действия ветродвигатели могут быть разделены на две группы: - двигатели, у которых вращающий момент образуется в результате разности сил лобового давления потока воздуха на лопасти рабочего колеса относительно оси его вращения; - ветроустановки, вращающиеся под действием аэродинамической подъемной силы. К первой группе относятся ветродвигатели карусельного, роторного и барабанного типов. Благодаря простейшей конфигурации рабочего ветроколеса они имеют невысокую стоимость и весьма неприхотливы в эксплуатации. Однако широкого распространения эти ветродвигатели не получили из-за малого коэффициента использования энергии ветра и тихоходности. Расчеты показывают, что наибольшую мощность двигатель развивает, когда рабочая плоскость, воспринимающая действие потока воздуха, движется со скоростью, равной 1/3 скорости ветра [159]. При этом значение для данных двигателей не превышает 0,18. Основным типом ветродвигателя, получившим практическое применение, является двигатель крыльчатой конструкции, в котором вращающий момент создается за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях рабочего ветроколеса. В большинстве стран выпускают и применяют только крыльчатые ветродвигатели. Они отличаются большими коэффициентами использования энергии ветра и значительно большей быстроходностью. Максимальное значение для быстроходных колес достигает 0,45-0,48. Частота вращения ветроколеса в номинальном расчетном режиме достигает сотен оборотов в минуту, что позволяет использовать безредукторные генераторы. Чем больше число лопастей рабочего колеса, их ширина и угол поворота лопастей относительно плоскости вращения, тем при прочих равных условиях быстроходность двигателя ниже. Обычно быстроходность ветроколеса характеризуется числом модулей: , где – угловая частота вращения ветродвигателя; – радиус ветроколеса. По конструктивному исполнению ветродвигатели делятся на две группы (см. рис. 12.9): - ветродвигатели с горизонтальной осью вращения, - ветродвигатели с вертикальной осью вращения.
Рисунок 12.9 – Типы ветродвигателей, получившие преимущественное распространение
Крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения наиболее эффективны, когда поток воздуха перпендикулярен плоскости вращения лопастей. Для обеспечения этого условия в составе ВЭУ требуется устройство автоматического поворота оси вращения. Обычно эту роль выполняет крыло-стабилизатор. Ветродвигатели с вертикальной осью вращения могут работать при любом направлении ветра без изменения своего направления. Главной конструктивной частью любой ветроустановки являются лопасти. От размера и конструкции лопастей ВЭУ напрямую зависит максимальная мощность, которую можно получить от энергоустановки (так как именно они «захватывают» ветер), и ее КПД. Современные технологии позволяют увеличивать эффективность этого процесса. ВЭУ обычно имеют две или три лопасти, которые производят из стекловолокна, полистирола, эпоксидного полимера или углепластика. У некоторых из них есть деревянный каркас. Материал, из которого изготавливают лопасти, должен быть крепким и одновременно гибким и не создавать волновые помехи, мешающие прохождению телевизионных сигналов. Длина лопастей ВЭУ варьируется от 10 до 100 метров, вес лопасти может превышать 100 кг (см. рис. 12.10).
Рисунок 12.10 – Профили лопастей ветроколес с горизонтальной осью вращения
С точки зрения диапазона мощностей, ветроэнергетические установки можно разделить на ВЭУ, предназначенные для «большой» энергетики, и малые ветроэлектростанции, перспективные для систем автономного электроснабжения. Европейские ВЭС в основном расположены на побережьях Северного, Балтийского морей и Атлантического океана. Прибрежные зоны представляют большой интерес для ветроэнергетической отрасли ввиду их большого энергетического потенциала и низкой освоенности. Десятки крупных ВЭУ установлены на побережьях во многих странах мира и вносят существенный вклад в общую выработку электрической энергии. В последнее время все большее распространение получают так называемые оффшорные ВЭС, или ВЭС морского базирования. Большинство стран Северной Европы обладает большими территориями мелководья, расположенными недалеко от береговой линии. И хотя капитальные затраты на строительство ВЭУ морского базирования превышают затраты на строительство наземных, однако и производство энергии на оффшорных ВЭУ существенно выше. Датские электроэнергетические компании объявили о планах строительства ВЭС суммарной установленной мощностью до 4000 МВт в оффшорных зонах. Ожидается, что запланированные оффшорные ВЭС выработают 13,5 ТВт·ч электроэнергии, что соответствует 40% потребления электроэнергии в Дании.
poisk-ru.ru ВетродвигательИзобретение относится к ветроэнергетике и касается регулируемых ветродвигателей, снабженных крыльчатыми ветроколесами. Цепь изобретения - повышение выработки энергии путем обеспечения работы ветродвигателя при малых скоростях ветра.- При работе установки оба ветроколеса раскручиваются вместе и, когда малолопастное колесо 2 закручено до ра СОЮЗ СОВЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСГЪЬЛИК, SU„„1286804 цц 4 F 03 D 7/02 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР Il0 ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ Н ASTOPCHOM JJ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3943877/25-06 (22) 13.08.85 (46) 30.01.87. Бюл. В 4 (7 2) В .И. Валенко (53) 621 . 548 (088 ° 8) .(56) Авторское свидетельство СССР В 1250698, кл. Р 03, D 7/02, 1985. (54) ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к ветроэнергетике и касается регулируемых ветродвигателей, снабженных крыльчатыми ветроколесами. Цель изобретения — повышение выработки энергии путем обеспечения работы ветродвигателя при малых скоростях ветра. При работе установки оба ветроколеса раскручиваются вместе и, когда малолопастное колесо 2 закручено до ранарушается их контакт со ступицей 5. Центробежный груз при этом растягивает свою пружину. Через контактный выключатель 8 замыкается цепь обмотки возбуждения электрогенератора 7. Его привод осуществляется от малоло— пастного ветроколеса 2, обладающего большой быстроходностью 2 ил. 1286804 бочей частоты вращения, концы центробежных колодок 6 контактируют с внутренним поясом проточки А ступицы 5, а выключатель 8 размыкает цепь обмотки возбуждения электрогенератора 7. Этим обеспечивается запуск ветродвигателя и выход его на рабочий режим. По достижении, рабочей частоты вращения колодки 6 растягивают пружину 10, Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к регулируемым ветродвигателям, снабженным крыльчатыми ветроколесами. Цель изобретения — повышение выработки энергии путем обеспечения работы ветродвигателя при малых скоростях ветра. На фиг. 1 схематически изображен ветродвигатель, на фиг. 2 — узел установки на валу выключателя и центробежного груза. Ветродвигатель содержит вал 1, расположенные на нем малолопастное ветроколесо 2 бопьшего диаметра и многолопастное ветроколесо 3 меньшего диаметра, первое из которых жестко связано с валом 1„ а второе установлено с возможностью вращения относительно вала 1, установленную между ветроколесами 2 и 3 муфту 4 сцепления, включающую ступицу 5, жестко связанную с многолопастным ветроколесом 3, центробежные колодки 6, соединенные с валом 1 и взаимодействующие со ступицей 5, электрогенератор,7 с цепью обмотки возбуждения,. кинематически связанный с малолопастным ветроколесом 2. Ступица 5 снабжена торцовой кольцевой проточкой А.В последней расположены концы центробежных колодок 6, вал 1 снабжен контактным выключателем 8, подсоединенным к цепи обмотки возбуждения, и . центробежным грузом 9, расположенным под выключателем 8. Для прижатия концов центробежных колодок 6 к внутреннему пояску проточки А применены пружины 10, а для настройки центробежного груза 9 — пружина 11 и регулировочный винт 12 ° Ветродвигатель установлен с возможностью поворота относительно опорной башни 13. Ветродвигатель работает следующим образом, Ветродвигатель разворачивается по ветру относительно башни 13. Под действием ветра многолопастное ветроколесо 3, обладающее большим вращающим моментом, раскручивает малолопастное 10 ветроколесо 2 до рабочей частоты вращения. При этом концы центробежных колодок 6 контактируют с внутренним пояском проточки А ступицы 5, а выключатель 8 размыкает цепь обмотки 15 электрогенератора 7, что облегчает запуск ветродвигателя и выход его на рабочий режим. По достижении рабочей частоты вращения центробежные колодки 6, разво20 рачиваясь растягивают пружины 10.Контакт концов колодок 6 со ступицей 5 нарушается. Центробежный груз 9 при этом растягивает пружину 11 и давит на контактный выключатель 8, а по25 следний замыкает цепь обмотки возбуждения электрогенератора 7. Привод электрогенератора 7 осуществляется от малолопастного ветроколеса 2, обладающего большой быст30,роходностью. Иноголопастное ветроколесо 3 свободно вращается на валу 1. При увеличении скорости ветра и достижении максимально возможной для ветродвигателя частоты вращения кон35,цы центробежных колодок 6 входят в контакт с наружным пояском кольцевой проточки А ступицы 5. Ветроколеса 2 и 3 начинают вращаться совместно, и многолопастное 40ветроколесо 3, обладающее низкой быстроходностью, аэродинамически тор1286804 Формула изобретения @&ombre ВоИуждения злекяроеенера вора Составитель П. Баклушин Редактор И. Касарда Техред Л.Олейник Корректор С. Шекмар Заказ 7697/35 Тираж 427 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 мозит ветродвигатель до рабочей частоты вращения, чем обеспечивается стабильная работа ветродвигателя при поддержании его частоты вращения в рабочем диапазоне. При кратковременных затишьях ветра соединенные между собой ветроколеса 2 и 3 обладают значительным моментом инерции, что позволяет им вращаться при отключенной цепи обмотки возбуждения элект- 10 рогенератора 7 до нового появления ветра. Это существенно ускоряет повторные запуски ветродвигателя и выход его на рабочий режим даже при малых скоростях ветра, что повышает 15 суммарную выработку энергии электрагенератором 7. Ветродвигатель, содержащий вал, расположенные на нем малолопастное ,ветроколесо большего диаметра и многолопастное ветроколесо меньшего диаметра, первое из которых жестко связано с валом, а второе установлено с возможностью вращения относитель- но вала, установленную между ветроколесами муфту сцепления, включающую ступицу, жестко связанную с многолопастным ветроколесом, и центробежные колодки, соединенные с валом и взаимодействующие со ступицей, и электрогенератор с цепью обмотки возбуждения, кинематически связанный с малолопастным ветроколесом, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения выработки энергии путем обеспечения работы ветродвигателя при малых скоростях ветра, ступица снабжена торцовой кольцевой проточкой, концы центробежных колодок расположены в последней, а вал снабжен . контактным выключателем, подсоединенным к цепи обмотки возбуждения, и центробежным грузом, расположенным под выключателем.    www.findpatent.ru Ветродвигатель - «Энциклопедия»ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. В качестве рабочего органа ветродвигателя, воспринимающего энергию (давление) ветрового потока и преобразующего её в механическую энергию вращения вала, применяют ротор, барабан с лопатками, ветроколесо и тому подобное. Классификация ветродвигателей проводится в зависимости от типа рабочего органа и положения его оси относительно направления ветра. Различают ветродвигатели карусельные (или роторные), ортогональные и крыльчатые. У карусельных ветродвигателей (рисунок, а) ось вращения рабочего органа вертикальна. Ветер давит на лопасти, расположенные по одну сторону оси; лопасти по другую сторону оси прикрываются ширмой либо поворачиваются специальным приспособлением ребром к ветру. Лопасти движутся по направлению потока, поэтому их окружная скорость (направленная по касательной к окружности) не может превышать скорости ветра. Такие ветродвигатели относительно тихоходны. Эффективность ветродвигателя оценивают с помощью коэффициента использования энергии ветра ξ, который показывает, какая доля энергии ветрового потока преобразуется в механическую энергию. Из числа вертикально-осевых ветродвигателей наибольший ξ имеет ортогональный ветродвигатель (рисунок, б). Преимущественное распространение получили крыльчатые ветродвигатели, у которых ось ветроколеса горизонтальна и параллельна направлению потока; характеризуются высоким ξ и надёжностью в эксплуатации. В таких ветродвигателях лопасть с наконечником крепления к ступице называется крылом (отсюда название). В зависимости от числа лопастей различают ветроколёса быстроходные (менее 4 лопастей), средней быстроходности (от 4 до 8) и тихоходные (более 8). Быстроходность ветроколеса оценивается числом модулей Ζ, равным отношению окружной скорости ωR внешнего конца лопасти радиусом R, вращающейся с угловой скоростью ω, к скорости набегающего потока v. При одинаковом Ζ ветроколесо большего диаметра имеет меньшую частоту вращения. При прочих одинаковых условиях увеличение числа лопастей также снижает частоту вращения ветроколеса. Ветроколесо с небольшим числом лопастей (рисунок, в) обычно состоит из ступицы и лопастей, соединённых с ней жёстко под некоторым углом к плоскости вращения или с помощью подшипниковых узлов, в которых лопасть поворачивается для изменения угла установки. Воздушный поток набегает на лопасть под некоторым углом атаки. Возникающая на каждой лопасти полная аэродинамическая сила раскладывается на подъёмную силу, создающую вращающий момент, и на силу лобового давления, действующую по оси ветроколеса. Быстроходное ветроколесо с поворотными лопастями часто конструктивно объединено с механизмами регулирования частоты вращения, ограничения мощности и пуска-остановки ветродвигателя, осуществляющими поворот лопасти относительно его продольной оси. Многолопастное ветроколесо (рисунок, г) состоит из ступицы с каркасом, на котором жёстко закреплены специально спрофилированные лопасти из листовой стали. Ограничение развиваемой мощности обычно осуществляется поворотом тихоходного ветроколеса относительно плоскости, перпендикулярной направлению действия ветрового потока. Мощность, развиваемая на валу ветроколеса, зависит от его диаметра, формы и профиля лопастей и практически не зависит от их числа: РВК ≈ 3,85?10-3·ρD2v3ξ, где РВК - мощность на валу ветроколеса (кВт), р - плотность воздуха (кг/м3), ν - скорость ветра (м/с), D - диаметр ветроколеса (м).
Реклама
К изучению физических явлений при прохождении воздушного потока через ветроколесо применяют теорию крыла и воздушного винта самолёта. Теоретические основы расчёта ветроколеса заложены в 1920-е годы Н. Е. Жуковским; им доказано, что ξ идеального ветроколеса равен 0,593. Теория ветроколеса была развита В. П. Ветчинкиным, Г. Х. Сабининым, А. Г. Уфимцевым, Е. М. Фатеевым, Г. А. Печковским, Я. И. Шефтером и др., разработавшими методы расчёта аэродинамических характеристик и систем регулирования ветродвигателя. Обычно применяют одну из двух основных схем крыльчатых ветродвигателей: с вертикальной трансмиссией и нижним передаточным механизмом либо с расположением всех узлов в головке ветродвигателя. Головка монтируется на поворотной опоре башни и при изменении направления ветра поворачивается относительно вертикальной оси. Высота башни определяется диаметром ветроколеса и высотой препятствий, мешающих свободному прохождению воздушного потока к ветродвигателю. Кроме механического привода, применяют также электрический, пневматический, гидравлический и смешанный приводы. Ориентация ветроколеса ветродвигателя по направлению ветра осуществляется автоматическим хвостовым оперением, поворотными ветрячками (так называемые виндроза) или расположением ветродвигателя за башней (самоориентация). Работа различных систем автоматическиго регулирования основана на изменении аэродинамических характеристик лопастей или всего ветроколеса в соответствии с действующей скоростью ветра, частотой вращения ветроколеса и значением нагрузки. В тихоходных ветродвигателях наибольшее распространение получили системы автоматического регулирования путём вывода ветроколеса из-под ветра давлением, создаваемым воздушным потоком на дополнительной поверхности - боковые планы, или давлением на ветроколесо, ось вращения которого смещена (расположена эксцентрично) относительно вертикальной оси поворота головки. Система регулирования с боковым планом применена в отечественных ветродвигателях ТВ-8, «Буран» и во многих зарубежных; система регулирования при эксцентричном расположении ветроколеса - например, в отечественных ветродвигателях ТВМ-3 и ТВ-5. Регулирование большинства быстроходных ветродвигателей осуществляется поворотом лопасти или её концевой части относительно продольной оси. Литературу смотри при статье Ветроэнергетика. knowledge.su |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Назначение основных компонентов ВЭУ в 2-х основных типах. Основные компоненты двух наиболее используемых типов ВЭУ представлено ниже.
и 
, обычно имеет форму конической трубы и для удобства её транспортировки имеет 2-3 разьема. Секции башни при перевозке могут вставляться одна в другую, максимальная длина секции 6 -8 м. На верху башни 2 на поворотном кольце с приводом 4 смонтирована головка 4 ВЭУ в которой установлены основные механизмы: 5 - вал ветроколеса, редуктор, электрический генератор, механизмы ориентации установки на ветер и механизмы управления и безопасности. Все механизмы гондолы (головки) 4 плотно закрыты кожухом, придающим головке (гондоле) обтекаемую форму и защищающем от атмосферных воздействий.
Назначение основных компонентов ВЭУ в 2-х основных типах. Основные компоненты двух наиболее используемых типов ВЭУ представлено ниже.
и 
, обычно имеет форму конической трубы и для удобства её транспортировки имеет 2-3 разьема. Секции башни при перевозке могут вставляться одна в другую, максимальная длина секции 6 -8 м. На верху башни 2 на поворотном кольце с приводом 4 смонтирована головка 4 ВЭУ в которой установлены основные механизмы: 5 - вал ветроколеса, редуктор, электрический генератор, механизмы ориентации установки на ветер и механизмы управления и безопасности. Все механизмы гондолы (головки) 4 плотно закрыты кожухом, придающим головке (гондоле) обтекаемую форму и защищающем от атмосферных воздействий.
