Ветроколесо с маховиком
Полезная модель, ВЕТРОКОЛЕСО С МАХОВИКОМ, относится к ветроэнергетике и касается ветроэнергетических агрегатов, в которых механическая энергия вращения снимается с обода ветроколеса. Ветроэнергетический агрегат содержит ветроколесо с ободом и такого же размера маховик с зубчатым ободом на горизонтальной оси вращения, жестко связанной стойками с платформой, имеющей возможность автоматической ориентации на ветер путем поворота вокруг вертикальной оси. На выходном валу электрогенератора закреплена шестерня, образующая с зубчатым ободом маховика редуктор, для передачи вращения под 90 градусов. Маховик имеет по окружности бороздку, коническую в сечении и фрикционным покрытием на поверхности, обращенной к ветроколесу. На ободе ветроколеса со стороны маховика, в свою очередь, имеется выступ такого же профиля, размера и радиуса окружности как на маховике. Взаимное прижатие контактирующих поверхностей осуществляется лобовым давлением ветра на ветроколесо, сжатия пружины, смещения его вдоль оси вращения и передаче маховику энергии вращения ветроколеса за счет трения. Применение маховика позволяет накопить кинетическую энергию вращения (момент инерции вращения), в результате чего уменьшается негативное влияние резких изменений скорости и направления ветра на обороты электрогенератора. При кратковременном ослаблении ветра, ветроколесо под действием пружины на оси отходит от маховика и его кинетическая энергия не расходуется на вращение ветроколеса, а только на вращение генератора. Полезная модель обеспечивает начало вращения легкого ветроколеса при малой скорости ветра, и затем передачу равномерного вращения маховика на электрогенератор, что расширяет диапазон используемых скоростей ветра и улучшает качество электроэнергии, повышает мощность ветроагрегата автоматическим выбором максимального угла 90 градусов плоскости вращения ветроколеса к направлению ветра. Применение зубчатой передачи с обода колеса под углом 90 градусов на шестерню приводного вала электрогенератора позволяет укрепить общую кинематическую схему агрегата.
Полезная модель, ВЕТРОКОЛЕСО С МАХОВИКОМ, относится к ветроэнергетике и касается ветроэнергетических агрегатов, в которых механическая энергия снимается с обода ветроколеса и через маховик передается зубчатой передачей на приводной вал электрогенератора.
Известен ветроэнергетический агрегат, содержащий 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. 
1307080, кл. F03D 1/06, 1987). Недостаток таких ветродвигателей - постоянное прижатие ролика к ободу ветроколеса с силой, соответствующей максимальной передаваемой мощности. В результате получается излишний износ ролика и потери энергии на трение при малых скоростях ветра и, следовательно, уменьшается снимаемая с обода мощность,
Известен также ветроэнергетический агрегат, содержащий 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 (а.с. 2269027, F03D 1/01. 2004), который имеет недостаток, т.к. требует динамического и статического уравновешивания, расположенного на каретке генератора, и сложности кинематики. Это снижает надежность ветроэлектрической станции.
Этого недостатка нет в ветроэнергетическом агрегате, принятом за прототип, содержащем ветроколесо с горизонтальной осью вращения, жестко связанной со стойкой, имеющей возможность ориентации на ветер путем поворота вокруг вертикальной оси, закрепленный на выходном валу генератора ролик, образующий с ободом ветроколеса фрикционную пару с силой взаимного прижатия, пропорциональной величине развиваемого ветроколесом момента, технический результат достигается применением дополнительно двух роликов, смещенных по ободу ветроколеса по отношению к имеющемуся ролику в ту и другую стороны на 120°, причем все три ролика контактируют с торцевой поверхностью обода, расположенной с подветренной стороны, а их оси неподвижно связаны со стойкой, а взаимное прижатие контактирующих поверхностей осуществляется лобовым давлением ветра за счет придания ветроколесу возможности смещения вдоль его оси. (а.с. 2415296, F03D 27/03. 2011) Недостатками этого ветроэнергетического агрегата является неустойчивая работа электрогенератора из-за реакции ветроколеса на быстрые изменения скорости, направления ветра, снижение качества электроэнергии, значительные потери на трение при фрикционной передаче на три ролика, быстрый износ поверхностей рабочего привода на ролик генератора.
Задача предлагаемой полезной модели - повышение надежности ветроагрегата за счет укрепления кинематической схемы, улучшение качества вырабатываемой электроэнергии за счет стабильного вращения генератора от маховика при изменениях скорости, направления ветра, и выбора следящим устройством оптимального угла напора ветра в зависимости от нагрузки генератора.
Укрепление кинематической схемы по сравнению с фрикционной, достигается применением зубчатой передачи под углом 90 град. от зубчатого обода 8 маховика на шестерню 10 приводного вала генератора. Момент инерции вращающегося маховика 7 поддерживает постоянство оборотов генератора при резких кратковременных изменениях направления и скорости ветра. Обод маховика имеет конусный паз с радиусом окружности, равной выступу такого же профиля на ободе ветроколеса. Следящий механизм 12 может выбирать оптимальный угол напора ветра в зависимости от нагрузки электрогенератора и при необходимости останавливать ветроколесо, устанавливая его плоскость вращения вдоль линии ветра.
На чертеже (фиг. 1) схематично показан пример выполнения заявляемого ветроэнергетического агрегата, который содержит основание 1 на стойках 2, закрепляемых на грунте, на верхней площадке строений или на вышке. Поворотная платформа 3, с вертикальными стойками и горизонтальной осью 4 между ними, на которой вращаются ветроколесо, имеющее несколько лопастей 6, закрепленных между осевой втулкой с подшипником, ободом 5 с конусным выступом в сторону маховика и маховик 7, с зубчатым ободом 8 и конусным пазом по форме и радиусу окружности равными выступу на ободе ветроколеса, Вращение маховика передается через зубчатый венец под углом 90 градусов на шестерню 10, приводного вала электрогенератора 9, закрепленного под основанием 1. Ветроколесо агрегата, раскрутившись без нагрузки, под давлением ветра смещаясь по оси к маховику, раскручивает его, сжимая пружину 11, усилие которой рассчитано на обеспечение зазора между маховиком и ободом колеса при отсутствии ветра. Технический результат достигается равномерным вращением маховика (моментом инерции) от ветроколеса за счет силы трения при контакте ободов ветроколеса и маховика.
Работает ветроэнергетический агрегат следующим образом.
При появлении легкого ветра ветроколесо начинает свободное вращение на оси, сила лобового давления на лопасти 6 ветроколеса сдвигает его по оси и прижимает выступ обода 5 ветроколеса в паз обода маховика 7. Круговой конусный выступ на ободе ветроколеса входит в такой же формы паз на ободе маховика. Чем сильнее сила ветра, тем сильнее взаимное прижатие контактирующих поверхностей и тем, следовательно, больше сила трения, обеспечивающая передачу увеличенного в такой же степени вращающего момента с обода ветроколеса на маховик, и через его зубчатый обод под углом 90 градусов передается на шестерню 10 приводного вала электрогенератора. Так как центр парусности ветроколеса смещен относительно вала электрогенератора и оси поворота платформы, то плоскость ветроколеса всегда устанавливается перпендикулярно направлению ветра для получения максимальной мощности. Технический результат, равномерность вращения электрогенератора-постоянная величина выходной мощности, проявляется тогда, когда при кратковременном ослаблении ветра, ветроколесо под действием пружины на оси отходит от маховика и кинетическая энергия маховика не расходуется на вращение ветроколеса, а только на вращение электрогенератора. При увеличении силы ветра сверх номинальной и превышении вырабатываемой генератором мощности, следящий механизм 12 поворачивает платформу, а значит и плоскость ветроколеса под оптимальным углом к направлению ветра так, чтобы уменьшить общий напор ветра на ветроколесо. При необходимости плоскость ветроколеса устанавливается следящим механизмом параллельно направлению ветра и включается тормоз. При неисправности следящего механизма возможен поворот и торможение платформы вручную.
Основание ветрогенератора круглой формы, с загнутым краем в виде буквы Г, имеет два отверстия: в центре - для вала генератора и около края - для вала следящего устройства. Генератор крепится снизу основания, поэтому не требуются токосъемные кольца для передачи электроэнергии на потребители, его вал с шестерней проходит через трубу верх. На трубе имеется подшипник, на котором вращается платформа с ветроколесом и маховиком. Поворотная платформа состоит из втулки, спиц и обода, внутри которого имеются зубцы для передачи вращения от следящего устройства. Снаружи обода в плоскости оси вращения ветроколеса есть два пальца с подшипниками, перемещающимися внутри загнутого края основания для компенсации опрокидывающего момента от действия ветра. Ось вращения ветроколеса и маховика, 2-мя стойками на концах, крепится к ободу платформы в месте расположения подшипников. Маховик вращается на оси на упорном подшипнике, а ветроколесо - на подшипнике, скользящем внутренней обоймой по оси, поэтому свободно прижимается к маховику под напором ветра и быстро отходит при ослаблении. Массивные части агрегата - генератор с приводным валом и шестерней, платформа, основание находятся внизу агрегата, что делает его устойчивым к опрокидыванию при резких порывах ветра.
Ветроколесо с маховиком - ветроэнергетический агрегат, содержащий ветроколесо с горизонтальной осью вращения, имеющее возможность ориентации на ветер плоскости вращения ветроколеса путем поворота вокруг вертикальной оси относительно основания, выходной вал электрогенератора с передачей от ветроколеса, отличающийся тем, что на горизонтальной оси вращения ветроколеса дополнительно установлен маховик, имеющий зубчатый обод для передачи вращения под углом 90 градусов на шестерню вала электрогенератора, и конусный паз на поверхности стороны к ветроколесу с радиусом окружности, равной выступу такого же профиля на ободе ветроколеса для передачи его вращения за счет трения на маховик, благодаря моменту инерции которого достигается равномерное вращение генератора и повышается качество вырабатываемой электроэнергии.
