RU2458247C2

RU2458247C2 - Wind-driven power plant

Info

Publication number: RU2458247C2
Application number: RU2010111542/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Гаврилович Петько (RU); Виктор Гаврилович Петько; Николай Анатольевич Маловский (RU); Николай Анатольевич Маловский; Александр Борисович Колесников (RU); Александр Борисович Колесников; Иван Анатольевич Турков (RU); Иван Анатольевич Турков
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2012-08-10
Also published as: RU2010111542A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: wind-driven power plant includes wind wheel with rim and carriage with electric generator. Drive shaft of electric generator is equipped with roller contacting the surface of wind wheel rim. Carriage is hinged to fixed base, thus providing the possibility of roller movement relative to the rim of wind wheel in the direction of contacting surfaces. Roller is made in the form of cone the generatrix of which contacts the wind wheel rim and is perpendicular to its plane. Hub of wind wheel is put with possibility of rotation and axial movement on horizontally located hollow axis. In hollow axis there concentrically installed on thrust bearings is the shaft having the hole with screw thread and on one of the ends of which there rigidly fixed is wind turbine. Hole with screw thread forms screw pair together with the shaft rigidly connected to hub of wind wheel.

EFFECT: increasing the use efficiency of wind-driven power plant due to more complete use of wind energy.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается ветроэнергетических агрегатов, в которых механическая энергия снимается с обода ветроколеса.The invention relates to wind energy and relates to wind power units in which mechanical energy is removed from the rim of a wind wheel.

Известен ветродвигатель, где сложный и многоступенчатый редуктор заменен устройством, содержащим установленное на башне и закрепленное на горизонтальной оси ветроколесо с ободом, каретку с колесами, взаимодействующими с внутренней поверхностью обода, и закрепленный на площадке каретки генератор, на валу которого установлен ролик, контактирующий с наружной поверхностью обода ветроколеса (а.с. SU 1307080 А1).A wind turbine is known, where a complex and multi-stage gearbox is replaced by a device containing a wind wheel with a rim mounted on a tower and mounted on a horizontal axis, a carriage with wheels interacting with the inner surface of the rim, and a generator mounted on the carriage platform, on the shaft of which there is a roller in contact with the external the surface of the rim of the wind wheel (a.s. SU 1307080 A1).

Недостаток таких ветродвигателей заключается в том, что ролик прижат к ободу ветроколеса с постоянной силой, соответствующей максимальной передаваемой мощности. Это приводит к излишним износу ролика и потерям энергии на трение при малых скоростях ветра и, следовательно, уменьшенной снимаемой с обода мощности.The disadvantage of such wind turbines is that the roller is pressed against the rim of the wind wheel with a constant force corresponding to the maximum transmitted power. This leads to excessive roller wear and friction energy loss at low wind speeds and, consequently, reduced power removed from the rim.

От этого недостатка свободна ветроэлектрическая станция, принятая за прототип, содержащая закрепленное на горизонтальной оси ветроколесо с ободом, каретку с электрогенератором, приводной вал которого снабжен роликом, контактирующим с поверхностью обода ветроколеса, при этом каретка связана с неподвижным основанием шарнирно, обеспечивая возможность перемещения ролика относительно обода ветроколеса в направлении контактирующих поверхностей (патент RU 2269027 C1, F03D 1/00, 2004).The wind power station adopted for the prototype is free from this drawback, containing a wind wheel with a rim mounted on a horizontal axis, a carriage with an electric generator, the drive shaft of which is equipped with a roller in contact with the surface of the wind wheel rim, while the carriage is pivotally connected to the fixed base, making it possible to move the roller relative to the rim of the wind wheel in the direction of the contacting surfaces (patent RU 2269027 C1, F03D 1/00, 2004).

Недостатком такой ветроэнергетической станции является то, что ее ветроколесо при работе с генератором переменного тока должно вращаться с постоянной скоростью, а следовательно, будет иметь максимальный коэффициент использования энергии ветра только при одной определенной скорости ветра. С учетом того, что скорость ветра постоянно изменяется, в среднем энергия ветра ветроколесом не будет использоваться по максимуму.The disadvantage of such a wind power station is that its wind wheel, when working with an alternator, must rotate at a constant speed, and therefore will have a maximum coefficient of utilization of wind energy at only one specific wind speed. Given that the wind speed is constantly changing, on average, wind energy by a windwheel will not be used to the maximum.

Задача изобретения - повышение эффективности использования ветроэлектрической станции за счет более полного использования энергии ветра. Технический результат достигается тем, что в ветроэлектрической станции, содержащей закрепленное на горизонтальной оси ветроколесо с ободом, каретку с электрогенератором, приводной вал которого снабжен роликом, контактирующим с поверхностью обода ветроколеса, при этом каретка связана с неподвижным основанием шарнирно, обеспечивая возможность перемещения ролика относительно обода ветроколеса в направлении контактирующих поверхностей, ролик выполнен в виде конуса, образующая которого, контактирующая с ободом ветроколеса, перпендикулярна его плоскости. Ступица ветроколеса насажена с возможностью вращения и осевого перемещения на расположенную горизонтально полую ось, в которой концентрически установлен на упорных подшипниках имеющий отверстие с резьбовой нарезкой вал, на одном из концов которой жестко закреплена ветротурбина, при этом отверстие с резьбовой нарезкой образует винтовую пару вместе с валом, жестко связанным со ступицей ветроколеса. Частота вращения холостого хода ветротурбины при заданной скорости ветра равна оптимальной по максимуму коэффициента использования энергии ветра частоте вращения ветроколеса. Все это при постоянной частоте вращения генератора обеспечивает работу ветроколеса с оптимальной по критерию максимума коэффициента использования энергии ветра частоте вращения, соответствующей фактической скорости ветра.The objective of the invention is to increase the efficiency of use of a wind power station due to a more complete use of wind energy. The technical result is achieved by the fact that in a wind power station containing a wind wheel with a rim mounted on a horizontal axis, a carriage with an electric generator, the drive shaft of which is equipped with a roller in contact with the surface of the wind wheel rim, the carriage is pivotally connected to the fixed base, making it possible to move the roller relative to the rim the wind wheel in the direction of the contacting surfaces, the roller is made in the form of a cone, the generatrix of which is in contact with the rim of the wind wheel, perpendicular It is linear on its plane. The hub of the wind wheel is mounted with the possibility of rotation and axial movement on a horizontal hollow axis in which a hole with a threaded thread is concentrically mounted on thrust bearings, a wind turbine is rigidly fixed at one end of it, and the threaded hole forms a screw pair together with the shaft tightly connected to the hub of the wind wheel. The idle speed of the wind turbine at a given wind speed is equal to the maximum frequency of rotation of the wind wheel optimal for the maximum utilization of wind energy. All this, at a constant rotational speed of the generator, ensures the operation of the wind wheel with the optimal rotational speed according to the criterion of the maximum coefficient of utilization of wind energy, corresponding to the actual wind speed.

На чертеже (Фиг.1) схематично показан пример выполнения заявляемой ветроэлектрической станции.The drawing (Figure 1) schematically shows an example implementation of the inventive wind power station.

Она состоит из головки 1, ветроколеса 2 велосипедного типа, ветротурбины 3 и синхронного генератора 4.It consists of a head 1, a wind wheel 2 of a bicycle type, a wind turbine 3 and a synchronous generator 4.

Головка 1 закреплена на опоре ветроагрегата (не показана) с возможностью поворота на ветер вокруг вертикальной оси O₁-O₁. В верхней части головка заканчивается расположенной горизонтально полой осью 5, на которую насажена с возможностью вращения и осевого перемещения ступица 6 ветроколеса 2. В нижней части головки на подпружиненной каретке 7 закреплен генератор 4. На его приводном валу установлен конический фрикционный ролик 8 так, что образующая его боковой поверхности, прижатая пружиной 9 к обрезиненному ободу 10 ветроколеса 2, перпендикулярна плоскости ветроколеса.The head 1 is mounted on a support of a wind turbine (not shown) with the possibility of rotation in the wind around the vertical axis O ₁ -O ₁ . In the upper part, the head ends with a horizontally located hollow axis 5, on which the hub 6 of the wind wheel 2 is mounted with the possibility of rotation and axial movement. A generator 4 is mounted on the spring-loaded carriage 7. A conical friction roller 8 is mounted on its drive shaft so that its lateral surface, pressed by a spring 9 to the rubberized rim 10 of the wind wheel 2, is perpendicular to the plane of the wind wheel.

Ветротурбина 3 жестко закреплена на одном из концов вала 11. Она имеет частоту холостого хода при данной скорости ветра, равную частоте вращения ветроколеса 2 при его оптимальной по максимуму коэффициента использования энергии ветра загрузке (для большинства ветроколес оптимальная частота вращения примерно в два раза меньше частоты вращения холостого хода и, таким образом, указанное выше соотношение частот вращения обеспечивается за счет того, что ветротурбина изготовлена с быстроходностью, примерно в два раза меньшей быстроходности ветроколеса). Вал 11 концентрически установлен в полой оси 5 на упорных подшипниках 12 и 13 и с противоположной стороны имеет отверстие с резьбовой нарезкой. Отверстие вместе с валом 14, жестко связанным со ступицей 6 ветроколеса, образует винтовую пару.The wind turbine 3 is rigidly fixed to one of the ends of the shaft 11. It has an idle speed at a given wind speed equal to the rotational speed of the wind turbine 2 at its maximum load utilization factor (for most wind wheels, the optimal rotational speed is approximately two times lower than the rotational speed idle speed and, thus, the above ratio of rotational speeds is ensured due to the fact that the wind turbine is made with a speed that is approximately half the speed of rokolesa). The shaft 11 is concentrically mounted in the hollow axis 5 on the thrust bearings 12 and 13 and on the opposite side has a threaded hole. The hole together with the shaft 14, rigidly connected with the hub 6 of the wind wheel, forms a helical pair.

Генератор 4 непосредственно нагружен на потребители электрической энергии со свободным графиком нагрузки, включение и отключение которых осуществляется независимо от состояния ветроустановки, и нагружен через автоматическое устройство 15 (догружатель) на потребители энергии, включение-отключение которых может быть смещено во времени в зависимости от избытка-недостатка ветровой энергии. В качестве таких потребителей могут быть электронагреватели, работающие параллельно с другими нагревательными устройствами, установки с аккумулированием энергии или вырабатываемого продукта или просто балластные резисторы.The generator 4 is directly loaded on consumers of electric energy with a free load schedule, the inclusion and shutdown of which is carried out regardless of the state of the wind turbine, and loaded through an automatic device 15 (afterloading device) on consumers of energy, the on-off of which can be shifted in time depending on the excess lack of wind power. As such consumers can be electric heaters operating in parallel with other heating devices, installations with the accumulation of energy or produced product, or simply ballast resistors.

Работает заявляемое устройство следующим образом.The claimed device operates as follows.

При мощности ветроколеса 2 (пропорциональной кубу скорости ветра), превышающей мощность потребителей со свободным графиком нагрузки, догружатель 14, регулируя мощность балластных потребителей, поддерживает частоту вращения генератора, а следовательно, и частоту вырабатываемого им тока на постоянном (стандартном) уровне. Если генератор работает на централизованную электрическую сеть, то частота вращения генератора и частота вырабатываемого им тока задается сетью. Надобность в догружателе в этом случае отпадает. Допустим, что обод ветроколеса занимает положение относительно конического ролика, обеспечивающее оптимальную для данной скорости ветра частоту вращения ветроколеса. Эта скорость, как было показано выше, равна скорости холостого хода ветротурбины 3. При этом валы 11 и 14 вращаются с одинаковой скоростью и, следовательно, осевого перемещения вала 14 и связанной с ним ступицы 6 ветроколеса 2 не происходит. Сохраняется оптимальное передаточное отношение между валами ветроколеса 2 и генератора.When the power of the wind wheel 2 (proportional to the cube of the wind speed) exceeding the power of consumers with a free load schedule, the supercharger 14, by adjusting the power of the ballast consumers, maintains the generator speed, and therefore the frequency of the current generated by it at a constant (standard) level. If the generator runs on a centralized electrical network, then the frequency of rotation of the generator and the frequency of the current generated by it are set by the network. The need for a loader in this case disappears. Assume that the rim of the wind wheel occupies a position relative to the conical roller, which provides the optimal frequency of rotation of the wind wheel for a given wind speed. This speed, as shown above, is equal to the idle speed of the wind turbine 3. In this case, the shafts 11 and 14 rotate at the same speed and, therefore, the axial movement of the shaft 14 and the associated hub 6 of the wind wheel 2 does not occur. The optimal gear ratio between the shafts of the wind wheel 2 and the generator is maintained.

При увеличении скорости ветра пропорционально увеличится оптимальная частота вращения ветроколеса, увеличится и развиваемая им мощность. Однако она будет меньше максимальной для возросшей скорости ветра, так как действительная частота вращения ветроколеса останется на прежнем уровне в связи с тем, что догружатель, поддерживая частоту вращения генератора постоянной, не даст возрасти и частоте вращения ветроколеса. В то же время ветротурбина 3, работая практически вхолостую, увеличит частоту вращения до величины частоты вращения холостого хода, равной оптимальной частоте вращения ветроколеса 2. В результате разности частот вращения валов 14 и 11 вал 14 начнет вкручиваться в полость вала 11, перемещая обод ветроколеса по ролику в сторону его большего диаметра. Это приведет при постоянной частоте вращения генератора к увеличению частоты вращения ветроколеса 2. И, когда его частота вращения сравняется с частотой вращения ветротурбины, т.е станет равной оптимальной частоте вращения, перемещение ветроколеса прекратится. При этом установится оптимальное передаточное отношение между роликом и ободом ветроколеса и максимальная для данной скорости ветра мощность ветроколеса, соответствующая максимальному коэффициенту использования энергии ветра.When the wind speed increases, the optimal speed of the wind wheel will proportionally increase, and the power it develops will also increase. However, it will be less than the maximum for the increased wind speed, since the actual rotational speed of the wind wheel will remain at the same level due to the fact that the loader, keeping the generator speed constant, will not increase the speed of the wind wheel. At the same time, the wind turbine 3, working almost idle, will increase the speed to an idle speed equal to the optimal speed of the wind wheel 2. As a result of the difference in the speeds of the shafts 14 and 11, the shaft 14 will begin to screw into the cavity of the shaft 11, moving the rim of the wind wheel along roller towards its larger diameter. This will lead, at a constant rotational speed of the generator, to an increase in the rotational speed of the wind wheel 2. And, when its rotational speed is equal to the rotational speed of the wind turbine, i.e. it will become equal to the optimal rotational speed, the movement of the wind wheel will stop. In this case, the optimal gear ratio between the roller and the rim of the wind wheel will be established and the maximum power of the wind wheel for a given wind speed corresponding to the maximum coefficient of utilization of wind energy.

При уменьшении скорости ветра процесс установки оптимального передаточного отношения будет осуществляться в обратном порядке.If the wind speed decreases, the process of setting the optimal gear ratio will be carried out in the reverse order.

Таким образом, ветроэлектрическая станция будет работать с максимальным коэффициентом использования энергии ветра при любой его скорости, отдавая в электрическую сеть максимальное количество электрической энергии с постоянной величиной напряжения и частоты. За счет этого повышается эффективность ее использования, что выражается в сокращении срока окупаемости станции, большая величина которого является в настоящее время сдерживающим фактором для широкого внедрения существующих ветроэнергетических установок.Thus, the wind farm will operate with a maximum coefficient of utilization of wind energy at any speed, giving the maximum amount of electrical energy with a constant voltage and frequency to the electric network. Due to this, the efficiency of its use is increased, which is expressed in reducing the payback period of the station, a large value of which is currently a limiting factor for the widespread introduction of existing wind power plants.

Claims

Ветроэлектрическая станция, содержащая ветроколесо с ободом, каретку с электрогенератором, приводной вал которого снабжен роликом, контактирующим с поверхностью обода ветроколеса, при этом каретка связана с неподвижным основанием шарнирно, обеспечивая возможность перемещения ролика относительно обода ветроколеса в направлении контактирующих поверхностей, отличающаяся тем, что ролик выполнен в виде конуса, образующая которого, контактирующая с ободом ветроколеса, перпендикулярна его плоскости, ступица ветроколеса насажена с возможностью вращения и осевого перемещения на расположенную горизонтально полую ось, в которой концентрически установлен на упорных подшипниках имеющий отверстие с резьбовой нарезкой вал, на одном из концов которого жестко закреплена ветротурбина, при этом отверстие с резьбовой нарезкой образует винтовую пару вместе с валом, жестко связанным со ступицей ветроколеса. A wind electric station containing a wind wheel with a rim, a carriage with an electric generator, the drive shaft of which is equipped with a roller in contact with the surface of the rim of the wind wheel, while the carriage is pivotally connected to the fixed base, making it possible to move the roller relative to the rim of the wind wheel in the direction of the contacting surfaces, characterized in that the roller made in the form of a cone, the generatrix of which is in contact with the rim of the wind wheel, perpendicular to its plane, the hub of the wind wheel is planted with the axis of rotation and axial movement on a horizontally located hollow axis in which a hole with a threaded thread is mounted concentrically on thrust bearings, a wind turbine is rigidly fixed at one end of it, and the threaded hole forms a screw pair together with a shaft rigidly connected to nave of a wind wheel.