ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2075643

ПЕРЕДВИЖНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЕЕ МОНТАЖА

ПЕРЕДВИЖНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЕЕ МОНТАЖА

Имя изобретателя: Забегаев А.И.; Горбунов Ю.Н.; Наумов В.В.; Чернышов С.К.; Смирнов С.Л.; Новак Ю.И.; Соболь Я.Г.; Демкин В.В. 
Имя патентообладателя: Товарищество с ограниченной ответственностью - Фирма "Общемаш-инжиниринг"; Научно-производственное объединение "Ветроэн"
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1995.01.31 

Использование: изобретение относится к ветроэнергетике и касается перебазируемых и передвижных ветроэлектрических установок и способов их монтажа. Сущность изобретения: передвижная ветроэнергетическая установка содержит секционную мачту, грузоподъемное устройство, ветроколесо с лопастями, гондолу, генератор, трансмиссию, гибкие тяги и снабжена регулируемыми опорами, силовой обоймой, рядом опорных групп и периферийными опорами, каждая из опорных групп выполнена в виде последовательно соединенных приобойменной фермы, рычага и периферийной фермы, в опорной группе рычаги выполнены с возможностью поворота и фиксации в положении опирания их периферийными концами на грунт с образованием между грунтом и нижними частями обоймы проема по высоте и ширине определенно большего высоты и ширины транспортной платформой для перевозки ветроэнергетической установки, секционная мачта выполнена из однотипных модулей, нижний из которых монтирован и зафиксирован внутри обоймы, форма и разрезы которой выполнены с возможностью поступательного перемещения модуля через отверстие в центральной части обоймы, а гибкие тяги снабжены механизмами натяжения и соединены одними концами с периферийной опорой каждой из групп опорного механизма, а другими с верхним модулем мачты. Каждая гибкая тяга может быть снабжена механизмом изменения ее длины, в том числе механизмами предварительного и окончательного натяжения, а также самонатяжения при изменении ее длины. Грузоподъемное устройство включает в себя зубчатую пару "рейка-колесо", связанную с приводом, размещенным на корпусе, который выполнен с возможностью его установки на силовой обойме. Периферийные опоры выполнены регулируемыми по высоте, а, по меньшей мере, одна периферийная опора снабжена штырем, выполненным с возможностью его заглубления в грунт. Передвижная ветроэнергетическая установка монтируется способом, включающим транспортировку к месту монтажа составных частей установки и основания, установку ветроколеса и гондолы, последовательный подъем грузоподъемным устройством составных частей установки. Основание установки выполняют в виде силовой обоймы со сквозным каналом, предварительно до транспортировки собирают часть установки, включающую силовую обойму, приобойменную ферму и рычаги, помещают ее на транспортную платформу и опирают к транспортной платформе нижней стороной обоймы, транспортную платформу перемещают на место монтажа до совпадения основания с номинально необходимым положением и временно фиксируют, после чего с помощью приобойменной фермы и рычага осуществляют связь силовой обоймы с грунтом, приподнимают смонтированную на основании часть установки относительно транспортной платформы, затем удаляют транспортную платформу, а подъем грузоподъемным устройством каждого из модулей мачты производят через сквозной канал в основании установки, причем подъем осуществляют ступенчато составной части установки в сборе, по меньшей мере, один из поднимаемых модулей снабжают средствами для размещения и фиксации на нем функциональной оснастки. На периферийных опорах опорные элементы выполняют в виде емкостей под жидкость или под сыпучую среду. Подъем смонтированной на основании части установки относительно транспортной платформы производят с помощью регулируемых опор.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится с ветроэнергетике и касается перебазируемых и передвижных ветроэлектрических установок (ВЭУ), ориентированных преимущественно на работу в низкоскоростном диапазоне ветров.

Известна передвижная ветросиловая установка небольшой мощности, в которой опора выполнена в виде отдельных воздухозаполняемых эластичных тороидальных секций, полости которых сообщаются между собой через гибкий шланг (см. авт.свид. N 164854 от 13.01.1962 кл. F 03 D 11/00).

Это известное техническое решение требует при выполнении монтажных работ специального оборудования: компрессора, трубопроводов и пневмоарматуры, что снижает мобильность установки и область ее применения, усложняет технологию работ.

Кроме того, такое выполнение опоры из пневмоупругих элементов предопределяет ее большое поперечное сечение, что ухудшает процессы взаимодействия ветроколеса установки с опорой при вращении ветроколеса в потоке воздуха и ограничивает эффективность и технологические параметры ВЭУ.

Известен способ монтажа вертикальных конструкций (cм. авт.свид.СССР N 1219767 от 04.07.84 кл. E 04 H 12/00), при котором верхнюю секцию поднимают над фундаментом на высоту, необходимую для подведения в вертикальном положении подращиваемой нижней секции. После проектного соединения верхней и подращиваемой нижней секций производят перенос расчалок нижнего уровня для закрепления за нижнюю часть верхней секции и перестроповку для очередного подъема.

Это известное техническое решение для рассматриваемого класса ВЭУ обладает недостатками, которые ограничивают его эффективность.

Такой способ монтажа целесообразен прежде всего для стационарно устанавливаемых конструкций, т.к. содержит трудоемкую операцию стыковки подращиваемых секций между собой, переноса расчалок и перестроповки.

Кроме того, он сопряжен с трудоемкими работами по организации опорного контура воздвигаемой конструкции, выполняемого из заякоренных в грунт гибких тяг для эффективного восприятия ветровых нагрузок. Быстрый демонтаж смонтированной конструкции попросту невозможен.

Для рассматриваемого класса передвижных и быстро монтируемых ВЭУ прежде всего необходима простая и оперативная технология развертывания ВЭУ на месте монтажа и технология перебазирования ВЭУ.

Важным моментом является обеспечение восприятия динамичных ветровых нагрузок, так как ветроколесо ВЭУ при работе создает большое аэродинамическое сопротивление, что, учитывая динамический характер ветровой нагрузки и большую ее величину, создает значительные сложности для обеспечения работы ВЭУ.

Известный по авт.свид. СССР N 1219767 от 04.07.84 кл. E 04 H 12/00 способ монтажа, несмотря на свою прогрессивность, не решает рассмотренные выше задачи.

Известна передвижная ветроэлектрическая установка (см. авт.свид. СССР N 1546700 от 27.04.88 кл. F 03 D 11/04), содержащая опорную мачту, прикрепленную к земле гибкими тягами, установленный на ней роторный ветродвигатель с горизонтальными траверсами и шарнирно закрепленными на них лопастями и электрогенератор, расположенный у основания мачты и кинематически связанный с ветродвигателем при помощи редуктора и трансмиссионного вала, установленного в полости мачты, передвижную платформу. Трансмиссионный вал и опорная мачта выполнены телескопическими. Последняя шарнирно закреплена на платформе и снабжена механизмами подъема и выдвижения, горизонтальные траверсы установлены с возможностью складывания к мачте, а электрогенератор и редуктор смонтированы на платформе.

Известная по авт.свид. N 1546700 передвижная ветроэлектрическая установка исключает строительные работы по возведению фундамента, повышает быстроту развертывания и обеспечивает ее монтаж непосредственно на транспортной платформе, используемой в качестве опоры в течение всей работы установки, т.е. как при ее транспортировке, монтаже, так, и это главное, в процессе работы.

По выполняемой функции и достигаемому результату такая ветроэлектрическая установка и способ ее монтажа являются наиболее близкими к заявляемым ветроэнергетической установке и способу ее монтажа и выбраны в качестве прототипа по устройству и способу.

Монтаж передвижной ветроэлектрической установки (см. выше описание к авт. свид. СССР N 1546700 от 27.04.88) осуществляют вначале в заводских условиях. После чего постоянно соединенную с передвижной (транспортной) платформой ветроэлектрическую установку транспортируют в передвижном сложенном состоянии на транспортной платформе.

По месту работы поворачивают телескопическую мачту из горизонтального в вертикальное положение за счет механизма подъема. Опирают транспортную платформу о грунт через пару регулируемых по высоте опор. Соединяют верхнюю часть (секцию) телескопической мачты с гибкими тягами. Выдвигают телескопическую секцию, имеющую меньший диаметр, из нижерасположенной имеющей больший диаметр секции мачты.

Эта ветроэнергетическая установка обладает следующими недостатками: транспортная платформа постоянно при транспортировке, монтаже и выработке электроэнергии является подвижной или неподвижной опорой под ее мачтой. Работа ВЭУ не может быть обеспечена без транспортной платформы; из-за наличия "постоянно неиспользуемой" транспортной платформы имеет высокую стоимость как сама ветроустановка, так и вырабатываемая ею электроэнергия, что увеличивает сроки окупаемости ВЭУ; недостаточна универсальность, поскольку конструкция ВЭУ по существу неизменяема, что требует заводского монтажа ВЭУ на транспортной платформе. При прибытии на место ее параметры, например максимальная высота, не могут быть изменены исходя из конкретных особенностей местности и ветропотоков; недостаточная надежность прежде всего за счет большого количества сочлененных механизмов и агрегатов, в том числе выдвижной мачты и платформы в силовой цепи установки, имеющих невысокую надежность, тем более с учетом специфики эксплуатации ВЭУ в условиях воздействия переменных нагрузок, климатических факторов и, как правило, недостаточной квалификации обслуживающего персонала; привязка ВЭУ к заякоренным в грунт опорам для гибких тяг налагает определенные ограничения на используемые типы грунтов. Например, в скальных грунтах закрепление гибких тяг требует специальной технологии по сравнению, например, с мягкими (осадочными породами) грунтами. В то же время на рыхлых грунтах, например песчаных, имеется сложность заякорения опор ввиду непрочности грунта. Аналогично для торфяных и болотистых грунтов.

Это ограничивает применение известного устройства и известного способа монтажа ВЭУ.

Целью изобретения является: уменьшение стоимости, веса, материалоемкости ветроэнергетической установки за счет полного исключения транспортного средства из состава установки в рабочем режиме при выработке электроэнергии; сокращение срока монтажа ВЭУ и количества персонала; повышение универсальности за счет возможности установки ВЭУ на рыхлых и скальных грунтах без их предварительной подготовки, а также за счет использования модульных узлов при монтаже; обеспечения возможности изменения максимальной высоты ВЭУ при установке ее на рабочую позицию в конкретных условиях местности и ветропотоках; оптимизация транспортных габаритов ВЭУ и ее составляющих; повышение надежности; сокращение срока окупаемости и уменьшение стоимости вырабатываемой электроэнергии;

Заявленная цель достигается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая секционную мачту, грузоподъемное устройство, ветроколесо с лопастями, электрогенератор, трансмиссию, гондолу (со стойкой), гибкие тяги, снабжена силовой обоймой, рядом опорных групп в виде последовательно соединенных приобойменной фермы, рычага и периферийной фермы, в опорной группе рычаги выполнены с возможностью поворота и фиксации в положении опирания их периферийными концами на грунт с образованием между грунтом и нижними частями обоймы проема по высоте и ширине определенно большего высоты и ширины транспортной платформы для перевозки ветроэнергетической установки, мачта выполнена из однотипных модулей, нижний из которых монтирован и зафиксирован внутри обоймы, форма и размеры которой выполнены с возможностью поступательного перемещения модуля через отверстие в центральной части обоймы, а гибкие тяги снабжены механизмами натяжения и соединены одними концами с периферийной опорой каждой из групп опорного механизма, а другими с верхним модулем мачты.

Дополнительные отличия заявляемого устройста заключаются в том, что: каждая гибкая тяга снабжена механизмом изменения ее длины, в том числе механизмами предварительного и окончательного натяжения, грузоподъемное устройство включает в себя зубчатую пару "рейка-колесо", связанную с приводом, размещенным на корпусе, которой выполнен с возможностью его установки на силовой обойме, периферийные опоры могут выполняться регулируемыми по высоте, при этом, по меньшей мере, одна периферийная опора снабжена штырем, выполненным с возможностью его загрубления в грунт. Заявляемый способ монтажа передвижной ветроэнергетической установки включает транспортировку к месту монтажа составных частей установки и основания, установку ветроколеса и гондолы, последовательный подъем грузоподъемными средствами составных частей установки, предварительно основание установки выполняют в виде силовой обоймы со сквозным каналом и до транспортировки собирают часть установки, включающую силовую обойму, приобойменную ферму и рычаги, помещают ее на транспортную платформу и опирают к транспортной платформе нижней стороной обоймы, транспортную платформу перемещают на место монтажа до совпадения основания с номинально необходимым положением и временно фиксируют, образовывая при этом арочный проем под силовой обоймой, затем удаляют из проема транспортную платформу, а подъем грузоподъемным средством каждой из секций мачты производят через сквозной канал в основании установки, причем подъем осуществляют ступенчато составной части установки в сборе, а, по меньшей мере, одну из поднимаемых секций снабжают средствами для размещения и фиксации на них функциональной оснастки.

Дополнительные отличия заявляемого способа монтажа заключаются в том, что на периферийных опорах опорные элементы выполняют в виде емкостей под жидкость или сыпучую среду, а образование проема под основанием силовой обоймой и подъем смонтированной на ней части установки относительно транспортной платформы производят с помощью регулируемых опор.

Приложенные чертежи изображают: фиг. 1 общий вид передвижной ветроэнергетической установки в смонтированном состоянии; фиг. 2 общий вид передвижной ветроэнергетической установки в транспортном положении. фиг. 3 - схема опирания на грунт силовой обоймы после формирования внутреннего контура опор и выведения из-под нее транспортной платформы. фиг. 4 - ветроэнергетическая установка в промежуточной стадии монтажа состоянии с подстыкованными периферийными опорами и сформированным внешним опорным контуром. фиг. 5 силовая обойма с грузоподъемным механизмом при выдвижении мачты. фиг. 6 верхняя часть ветроэнергетической установки. Расчаливание гибких тяг к верхнему модулю к стойке гондолы ВЭУ. фиг. 7 схема действия нагрузки от веса ветроэнергетической установки, ветропотока и восприятия нагрузки внешним и внутренним опорным контурами.

 
 

На чертежах и в материалах заявок обозначено: секционная мачта ВЭУ 1; гондола 2; стойка гондолы 3 верхний модуль 15 мачты 1; ветроколесо 4; гибкие тяги 5; силовая обойма 6; грузоподъемное устройство 7; опорные группы 8; приобойменная ферма 9; рычаг 10; периферийная ферма 11; опора (регулируемая по высоте), устанавливаемая на конце рычага 12; периферийная опора 13; грунт 14; верхний модуль мачты 15; типовой модуль мачты 16; нижний модуль мачты 17; механизм натяжения гибких тяг 18; механизм изменения длины гибких тяг 19; штырь 20 на периферийной опоре 13; транспортная платформа 21; привод грузоподъемного устройства 22; направляющие 23 силовой обоймы 6; емкости 24 под жидкость или сыпучую среду на периферийных опорах 13.

Передвижная ветроэлектрическая установка, см. фиг. 1,4, 5, содержит секционную мачту 1, гондолу 2 со стойкой 3, ветроколесом 4, электрогенератором и трансмиссией, гибкие тяги 5 и снабжена силовой обоймой 6 с центральным отверстием и грузоподъемным устройством 7, опорными группами 8, например, четырьмя, каждая из которых выполнена в виде последовательно соединенных приобойменной фермы 9, рычага 10 и периферийной фермы 11, приобойменная ферма 9 одним концом соединена с обоймой 6, а внешним шарнирно связана с ближним к центру концом рычага 10, установленного с возможностью его поворота и фиксации в вертикальной плоскости и имеющего на периферийном конце опору 12, регулируемую по высоте, периферийная ферма 11 одним концом связана с периферийным концом рычага 10, а внешним концом с внешней периферийной опорой 13, рычаги 10 установлены с возможностью их поворота и фиксации в положении опирания периферийным краем о грунт 14 через регулируемую по высоте периферийную опору 12, с образованием между грунтом 14 и нижними частями обоймы 6 проема по высоте Н и ширине "а" определенно большего высоты Hn и ширины "an" транспортной платформы для перевозки ветроэнергетической установки, гондола 2 (снабжена в нижней части стойкой 3), присоединена к верхнему модулю 15 мачты, которая выполнена в виде жестко последовательно соединенных между собой однотипных модулей 16, нижний из которых 17 монтирован и зафиксирован внутри обоймы 6, форма и размеры которой выполнены с возможностью поступательного перемещения модулей 16 через отверстие в центральной части обоймы 6, каждая гибкая тяга 5 снабжена механизмом натяжения 17 и соединена одним концом с периферийной опорой 12 каждой из опорных групп, а другим со стойкой 3 гондолы 2 (верхним модулем 14 мачты).

Передвижная ветроэнергетическая установка дополнительно может быть снабжена механизмами 19 изменения длины гибких тяг 5. В зависимости от срока службы и эксплуатационных режимов она может содержать механизмы предварительного и окончательного натяжения гибких тяг, а также механизмами самонатяжения тяг при выдвижении мачты соответственно при изменении длины гибких тяг 5. Кроме того, ветроэрегетическая установка снабжена узлами для крепления силовой обоймы на транспортной платформе.

Периферийные опоры 13 выполнены регулируемыми по высоте, причем по крайней мере одна из них снабжена штырем 20, выполненным с возможностью его заглубления в грунт 14.

Грузоподъемное устройство 7 включает в себя зубчатую пару "рейка-колесо", связанную с приводом 22, размещенным на корпусе, см. фиг. 4, который выполнен с возможностью его установки на силовой обойме 6.

В смонтированном состоянии ВЭУ основание мачты (нижний модуль 17) зафиксировано в охватывающей его силовой обойме 6, связанной с симметрично расходящимися под углом друг к другу опорных групп, например, четырех в виде последовательно соединенных приобойменной фермы 9, рычага 10 и периферийной фермы 11, приобойменная ферма 9 одним концом соединена с силовой обоймой 6, а другим внешним шарнирно связана с ближним концом рычага 10, установленного с возможностью его поворота и фиксации в вертикальной плоскости и имеющего на периферийном конце опору 12, регулируемую по высоте и выполненную, например, винтовой.

Приобойменные фермы 9 соединены с обоймой 6 с возможностью поворота каждой фермы 9 в горизонтальной плоскости и последующей фиксации в рабочем радиально ориентированном положении.

Рычаги 10 установлена на приобойменной ферме 9 с возможностью их поворотов и фиксации в вертикальной плоскости, по крайней мере, в двух положениях в транспортном, поднятом вверх, см. фиг. 2, и рабочем, повернутом вниз, см.фиг. 1.

Рычаги 10 в рабочем положении зафиксированы в позиции опирания периферийными краями о грунт 14 через регулируемую (винтовую опору) 12 с образованием силовой обоймой 6, четырьмя приобойменными фермами 9 и четырьмя рычагами 10 силовой конструкции с арочным проемом по высоте Н и ширине В, определенно большей, чем высота Н1 и ширина В1 транспортной платформы 21, используемой для перевозки установки в разобранном виде к месту монтажа и последующей работы ВЭУ.

Мачта ВЭУ представляет собой секционную разборную конструкцию, каждая секция представляет собой однотипный модуль 16 в виде объемной конструкции с элементами межмодульной фиксации по верхнему и нижнему торцам. Поперечное сечение каждого модуля 16, 17, стойки 3 гондолы выполнено под центральное отверстие силовой обоймы 6 и ее направляющие 23 с возможностью свободного прохождения через обойму 6. Направляющие 23 и высота модуля Н3 выбрана из условия свободного перемещения в арочном проеме, т.е. должна быть определенно меньше последнего.

Выполнение секционного модуля мачты ВЭУ в настоящей заявке не рассматривается, не рассматривается также выполнение кабельных устройств ВЭУ, которые раскладывают при выполнении монтажа, а также устройства пуска-останова ВЭУ, которые представляют собой независимые технические решения, известные из технической литературы и не являющиеся предметом настоящей заявки.

Подробно устройство модуля, выполнение и способ монтажа вертикальных конструкций, составляемых из секций, рассмотрены в отдельной заявке того же заявителя на "Способ монтажа вертикальных конструкций, составляемых из секций, и секционный модуль для монтажа вертикальных конструкций", направленной во ВНИИГПЭ исх. N 5/1-95 от 30.01.95 г.

В настоящей заявке отметим, что секционный модуль содержит верхнее и нижнее основание, связывающий их остов, узлы межмодульного крепления на основаниях и снабжен направляющими, закрепленными на остове для взаимодействия с грузоподъемным средством, причем остов модуля выполнен в виде объемной силовой конструкции, а узлы межмодульного крепления на основаниях расположены попарно на каждом и диагонально противоположно с разворотом диагоналей на основаниях на угол, например, 90o друг относительно друга.

Способ монтажа передвижной ветроэнергетической установки заключается в том, что основание установки выполняют в виде силовой обоймы 6 со сквозным каналом, предварительно, до транспортировки, собирают часть установки, состоящей из силовой обоймы 6, приобойменных ферм 9 и рычагов 10, помещают ее на транспортную платформу 21 и опирают к транспортной платформе 21 нижней стороной обоймы 6, транспортную платформу 21 перемещают на место монтажа до совпадения основания с номинально необходимым положением и временно фиксируют, после чего с помощью приобойменных ферм 9 и рычагов 10 осуществляют связь силовой обоймы 6 с грунтом 14 и приподнимают смонтированную на основании (силовой обойме 6) часть установки относительно транспортной платформы 21, образуя арочный проем под силовой обоймой, затем удаляют из проема транспортную платформу 21, а подъем грузоподъемным устройством 7 каждой из модулей 16 мачты производят через сквозной канал в основании силовой обойме 6 установки, причем подъем осуществляют ступенчато составной части установки в сборе, а, по меньшей мере, один из поднимаемых модулей снабжают средствами для размещения и фиксации на них функциональной оснастки.

Дополнительно на периферийных опорах 13 опорные элементы выполняют в виде емкостей 24 под жидкость или сыпучую среду, а подъем смонтированной на основании 6 части установки относительно транспортной платформы 21 производят с помощью регулируемых опор 12 на рычагах 10.

Предварительные операции способа, включающие сборку части ВЭУ из силовой обоймы 6 со сквозными каналом, приобойменных форм 9 и рычагов 10, грузоподъемного устройства 7, закрепленного корпусом на силовой обойме 6, верхнего модуля 15 мачты, который помещают в грузоподъемное устройство 7 и закрепляют, и выполненного в виде стойки 3 с гондолой 2 и ветроколесом 4 в сложенном состоянии, гарантирует высокое качество сборки и надежность ВЭУ при эксплуатации.

Для гарантии неповреждения при транспортировке и перебазировании ВЭУ собранную часть установки опирают к транспортной платформе нижней стороной обоймы с помощью специальных опорных узлов.

Приобойменные фермы 9 устанавливают в наиболее удобное для транспортировки положение. Рычаги 10 поворачивают в транспортное положение "вверх" и фиксируют.

По прибытии транспортной платформы 21 с частями ВЭУ непосредственно на место монтажа установки транспортную платформу перемещают до совпадения в плане силовой обоймы 6 с требуемым положением, саму платформу в этом положении фиксируют.

В каждой из опорных групп 8 рычаг 10 фиксируют и устанавливают в вертикальной плоскости относительно соединения с приобойменной фермой, поворачивая из транспортного положения "вверх" в рабочее положение "вниз". При этом выводят рычаг 1 за пределы габаритов самой платформы 21 и опирают его периферийный конец через регулируемую опору 12 на грунт 14. В рабочем положении "вниз" каждый рычаг 10 фиксируют, при этом подбирают соответствующую длину каждой из винтовых опор 12 и, вывинчивая или завинчивая ее, добиваются номинально необходимого выравнивания положения силовой обоймы 63 и достаточного выравнивания давления каждой из регулируемых опор 12 непосредственно на грунт 14. Выставляют вертикальную ось силовой обоймы 6 в номинально необходимое вертикальное положение с помощью уровня, отвеса или нивелира. Периферийную ферму 11 одним концом связывают с периферийным концом рычага 10, а ее наружный конец соединяют с периферийной опорой 13. Жестко фиксируют оба конца периферийной фермы 11 соответственно на периферийном конце рычага 10 и периферийной опоре 13.

Устанавливают лопасть ветроколеса 4 в рабочее положение на гондоле 2. Один конец каждой гибкой тяги 5 связывают с силовой стойкой 3 под гондолой 3 и через механизм постоянного натяжения 18 замыкают противоположный свободный конец гибкой тяги 5 и образуют силовой треугольник из стойки 2, силовой обоймы 6, приобойменной фермы 9, рычага 10, периферийной фермы 11, периферийной опоры 13 и гибкой тяги 5 с механизмом 18 и (или) 19. Изменяют в процессе монтажа или при работе геометрию и составляющие силового треугольника. Грузоподъемное средство 7 (может выполняться различным образом, например, в виде зубчатого колеса, связанного с рейкой или фрикционной пары: ролик направляющая рейка), связывают с силовой обоймой 6. Выводят подвижную транспортную платформу 21 из-под арочного проема, образованного силовой обоймой 6, приобойменными фермами 9 и рычагами 10 с опертыми о грунт 14 регулируемыми опорами 12. Производят расфиксацию гондолы 2 со стойкой 3 относительно силовой обоймы 6. После чего стойка верхний модуль мачты 15 имеет возможность поступательного перемещения относительно направляющих 23 на грузоподъемном устройстве 7, закрепленном на силовой обойме 6. Однотипные модули 16 мачты выполняют по высоте определенно меньше, чем высота Н проема, образованного силовой обоймой 6 приобойменной фермой 9 и рычагом 10.

В рабочем положении каждый из модулей 16 поочередно перемещают в плане, совмещают его в сечении с проходным сечением центрального канала обоймы 6, поднимают над грунтом 14 в вертикальном положении до нижнего торца вышерасположенной части, которой для первого из монтируемых модулей 16 будет нижний торец стойки 3 или верхний модуль 15 мачты. Устанавливают лопасти ветроколеса в рабочее положение, после чего начинают подъем модульной - смонтированной на обойме 6 части ВЭУ, свободный конец каждой гибкой тяги 5, связанный с силовой стойкой верхним модулем 14 под гондолой 2, через механизмы 18, 19 замыкают на периферийной опоре 13 с образованием изменяемого силового треугольника и поддерживанием в нем номинальных наперед заданных усилий в процессе монтажа, подъем гондолы 2 и сборку мачты осуществляют ступенчато одновременно.

Для этого жестко соединяют между собой, по крайней мере в диагонально расположенных точках, модули 16, например, болтовым соединением, каждый последующий модуль 16 с предыдущим. После каждого соединения поочередно поднимают грузоподъемным устройством 7 соединенные между собой гондолу 2 со стойкой и модули 16 на величину высоты (длины) модуля 16. Нижний из соединенных в мачту модулей 17 жестко в нескольких точках (для восприятия момента) фиксируют в силовой обойме 6. За счет механизма 19 изменяют длину тяги 5 в процессе выдвижения каждого модуля 16. При этом выбирают зазоры между соединенными между собой однотипными модулями 16, стойкой 3 и соединительными элементами межмодульными узлами крепления. В случае необходимости доводят номинальное напряжение в системе составляющих ВЭУ модулей до номинально необходимого посредством натяжения гибких тяг 5. На каждой стадии монтажа любого из модулей 16 изменяют как геометрию силового треугольника, образованного смонтированной частью мачты, фермы 9, рычагами 10, так и его составляющие, т.е. силовой треугольник заставляют изменяться в пространстве.

Для натяжения тяг 5 и изменения их длины в процессе подъема конструкции применяют устройства в виде специальных механизмов. В качестве простейшего механизма для натяжения, например, может быть применен талреп, который при завинчивании изменяют длину тяг. Для регулирования длины и натяжения гибких тяг при выдвижении мачты может быть применен более сложный механизм из известных, например, механизм ручного спасательного противопожарного устройства, который обеспечивает вытяжку троса на длину до 30.50 метров с силой сопротивления до 125 и более "кгс" при температуре окружающей среды ± 50 o. (Проспект с описанием этого спасательного механизма прилагается). ["Устройство спасательное пожарное индивидуальное. УСПИ 4-50, МВД СССР, ВНИИ пожарной обороны. М, 1991 г.

При вытягивании троса с некоторой регулируемой скоростью (от 0 до 3 м/с) устройство создает силу натяжения до 125 кгс. Сила вытягивания троса по своему характеру является неупругой диссипативной и создается за счет организации вязкого сопротивления жидкости в устройстве. (Возможны и другие варианты выполнения этого устройства на значительно большие усилия до сотен "кгс" и до тонн. Это техническое решение является независимым, известным, поэтому подробное рассмотрение его не приводится.)

В сочетании с талрепами такие и аналогичные устройства натяжения в заявляемом способе эффективно решают задачу создания осевой сжимающей силы как в процессе выдвижения конструкции, так и по окончанию выдвижения.

Демонтаж ветроэнергетической установки ведут в обратном описанному порядке, последовательно опуская модули и отсоединяя их друг от друга и от стойки гондолы. Транспортная платформа 21, после того как ее выводят из проема, даже одна может быть практически использована для монтажа, обслуживания и т.д. неограниченного числа ветроэнергетических установок, изготавливаемых на основе данного комплексного изобретения, т.е. она может быть, например, возвратным транспортным средством.

В то же время на одной транспортной платформе может устанавливаться ряд ВЭУ, например, две, три.пять и более. В этом случае после установки на грунт первого из модулей ВЭУ и выведения платформы из арочного проема она может быть транспортирована на место монтажа второго модуля ВЭУ и т.д.

Поскольку транспортная платформа 21 нужна только при транспортировке, стоимость ВЭУ и ее и монтажа резко сокращается. Тем более что заявляемая передвижная ВЭУ не требует ни фундамента, ни практически никакой подготовительной работы на монтажной площадке. Безразличен и тип грунта. Рыхлый грунт (песчаный, супесчаный, торфяной) потребует лишь увеличенного диаметра опорной части периферийной опоры 13.

Один (по меньшей мере, один) из поднимаемых секций-модулей мачты, верхний 15 или типовой 16 модуль снабжают средствами для размещения и фиксации на них функциональной оснастки. В простейшем случае функциональной оснасткой являются узлы для закрепления гибких тяг 5. Возможны другие варианты например, узлы для закрепления осветительных приборов, электрических кабелей и т. д.

По существу, в заявленном устройстве при монтаже формируют два опорных контура внутренний из опор 12 и внешний из периферийных опор 13. Выполнение периферийных опор 13 в виде емкостей под жидкость или сыпучую среду позволяет эффективно решать задачу уравновешивания аэродинамических нагрузок при работе ВЭУ в бесфундаментном исполнении ВЭУ, позволяет значительно снизить транспортируемую массу ВЭУ. Например, опора 13 в виде емкости объемом в 1 м3 при собственном весе 50.100 кг позволяет получить вес 1,О т при заполнении жидкостью (водой), а при заполнении грунтом до 2,2.2,7 т, что эффективно решает вопрос устойчивости ВЭУ при работе.

Внутренние опоры 12 и периферийные опоры 13 выполнены регулируемыми, что позволяет производить выравнивание нагрузок при монтаже. Вначале при формировании внутреннего опорного контура на него переносят вес модульной смонтированной на транспортной платформе части ВЭУ, при этом подъем силовой обоймы относительно транспортной платформы производят с помощью регулируемых опор 12.

Рассмотрим схему нагрузок, приложенных к передвижной ВЭУ при работе в ветропотоке.

При воздействии ветропотока сила Q сопротивления (см. фиг. 7) стремится опрокинуть ВЭУ. Развитый внешний опорный контур не позволяет опрокинуть ВЭУ.

Как видно из схемы на фиг. 7, опрокидыванию противостоит вес ВЭУ и периферийных опор.

Условие равновесия неопрокидывания ВЭУ приближенно запишем в виде:



где: H высота расположения оси ветроколеса; Q сила аэродинамического сопротивления ветроколеса ветропотоку при работе ВЭУ; K коэффициент безопасности, учитывающий порывистость ветра и др. случайные факторы;

(K @ 1,3...1,5)

NG реакция от веса i-й опоры внешнего контура;

R i проекция радиуса установки i-опоры внешнего опорного контура на направление ветропотока;

n число опор внешнего опорного контура;

Gвэу вес ВЭУ;

Rвн расстояние от вертикальной оси ВЭУ до ближней внешней опоры в проекции на направление ветропотока.

Как видно из уравнения (1), вес внешней периферийной опоры, приложенный на большем плече, нежели вес ВЭУ, создает большой противодействующий момент. Поэтому стремление снизить вес ВЭУ за счет организации двух опорных контуров

внутреннего, воспринимающего преимущественно нагрузки от веса смонтированной конструкции ВЭУ, а внешнего из условия восприятия преимущественно функциональных нагрузок, в частности боковых нагрузок от ветроколеса ВЭУ, является оправданным и целесообразным. Это позволяет также достичь снижения материалоемкости, стоимости установки, обеспечить удобство транспортировки ВЭУ и не входит в противоречие с задачей обеспечения устойчивости смонтированной конструкции при различных возмущениях, в том числе ветровых.

Например, для

H= 15,0 м, n=4, Rвн=3,0 м Q=1,0 тс, RВн=6,0 м, Gвэу= 1,0 тс, действующий момент M=QЧH=15 тм уравновешивается следующим образом:

за счет веса ВЭУ при направлении ветропотока под углом 45 o между опорами создается момент

MGвэу= 3,0мЧcos 45oЧ1,0 тс= 2,1 тм, что при использовании классических решений требует заякоривания гибких связей в грунт на значительной опорной базе для восприятия внешнего действующего момента M=15 тм;

за счет веса внешних (периферийных) опор

MG BH 12,ОмЧcos 45oЧ2,0 тс=17,0 тм, таким образом, эффективность применения внешнего опорного контура с опорами в виде емкостей под жидкий или сыпучий наполнитель налицо.

Смонтированная ВЭУ подвергается следующим основным вилам нагрузок:

  • от веса ВЭУ в нерабочем состоянии;

  • боковой аэродинамической нагрузке от сопротивления ветроколеса в рабочем режиме эксплуатации при отдаче мощности;

  • боковой аэродинамической нагрузке при штормовых режимах ВЭУ не работает, шторм V= 44.60 м/с (при высоте мачты 15 и согласно СНИП Vmax= 44 м/с, при высоте мачты 30 м Vmax= 52 м/с);

  • боковым нагрузкам от ветра при монтаже.

Для обеспечения восприятия боковых нагрузок мачта ВЭУ должна быть постоянно нагруженной осевой сжимающей нагрузкой. Это достигается натяжением гибких связей 5, которые натянуты как при эксплуатации ВЭУ (в смонтированном состоянии), так и в процессе монтажа ВЭУ при ступенчатом подъеме за счет наличия механизмов натяжения 18 и изменения длины 19 в цепи "верхний модуль 15 мачты периферийная опора 13" и формирования за счет этого замкнутого силового треугольника. Усилие сжатия мачты может быть различным в зависимости от решения узлов межмодульного соединения секций. В наиболее простом случае их выполнения с организацией простого опирания секций в продольном направлении и фиксацией их от горизонтального смещения для обеспечения устойчивости составной мачты сила натяжения гибких опор должна быть достаточной для восприятия внешнего действующего момента: в рассматриваемом примере при моменте М= 15 тм сила натяжения гибких связей должны быть 2,7 тс. Продольная сжимающая числа, приложенная к мачте, при этом составляет 10 тс, что достаточно для обеспечения высокой жесткости напряженной таким образом конструкции.

В зависимости от требований к жесткости смонтированной конструкции величина усилия предварительного натяжения гибких тяг может задаваться различной. Например, при допуске на перемещение верхнего модуля мачты на величину 0,1.0,2 мм в горизонтальном направлении, величина силы предварительного натяжения гибких может быть уменьшена в 3.8 раз, что приведет к уменьшению жесткости всей смонтированной конструкции (в зависимости от предъявляемых требований)

Высота мачты передвижной ВЭУ при монтаже по заявляемому способу может регулироваться под конкретные условия местности и характеристики ветропотока. Она может быть увеличена, если местность "загромождена" строениями или деревьями, т.е. когда пограничный приземный слой высок, и, напротив уменьшена, когда местность открытая.

Вопрос восприятия увеличенных на ВЭУ нагрузок из-за увеличения высоты мачты в этом случае эффективно решается увеличением веса периферийных опор 13.

Высота мачты при этом увеличивается простым наращиванием дополнительными секциями модулями.

Важное значение при эксплуатации ВЭУ имеет вопрос заземления, т.к. одиноко стоящая вертикальная металлическая конструкция подвергается электрическим грозовым разрядам.

Для улучшения заземления ВЭУ достаточно, по крайней мере, одну из периферийных опор снабдить штырем, выполненным с возможностью заглубления в грунт.

Заявляемые способ и устройство ориентированы прежде всего для использования в условиях низкоскоростных ветропотоков, для которых требования, предъявляемые к ветроустановкам, значительно более жесткие, нежели в классических случаях. Например, ветроколесо ВЭУ, эффективно работающее в низкоскоростных ветропотках и обладающее значительной парусностью, при сильных и штормовых ветрах создает нагрузки, в 2.5 раз превосходящие нагрузки, имеющие место для классических ветроколес, спроектированных на отдачу номинальной мощности на скоростях, в 2,5.4 раза превосходящих среднегодовую скорость в местности применения ВЭУ.

Кроме того, особое значение имеет мобильность ВЭУ. Это относится к установкам, используемым для нужд Министерства обороны РФ и Министерства чрезвычайных ситуаций, экспедиций, когда требуется энергообеспечение в необустроенных районах, при перебазировании объектов, т.е. в ситуациях, когда ВЭУ демонтируется в последнюю очередь, а на новом месте монтируется в первую очередь.

Заявляемая ВЭУ мобильна, компактна при перевозке и транспортируется на двух автомобилях или одном автомобиле с прицепом, причем в состав первого транспортного модуля входит силовая обойма с опорными группами и составными поднимаемыми частями ВЭУ (ветроколесо в сложенном состоянии или лопасти упакованы в транспортную тару), вторым транспортным модулем является комплект секций модулей мачты, периферийные фермы и периферийные опоры.

ВЭУ монтируется минимальным количество персонала.

Как показали конструкторские разработки и расчеты технологического времени, монтаж ВЭУ в целом может быть осуществлен с помощью двух человек за 1 час. При этом требуются минимальные грузоподъемные средства, например, для ВЭУ мощностью 10 кВт масса одного секционного модуля мачты не превышает 20 кг, масса периферийной опоры 100 кг, периферийных опор в зависимости от варианта выполнения 50.100 кг.

Таким образом, заявляемые передвижная ветроэнергетическая установка и способ монтажа передвижной ветроэнергетической установки являются прогрессивными, а их использование создает положительный эффект, который заключается, в следующем:

  • уменьшает стоимость, вес, материалоемкость ветроэнергетической установки за счет полного исключения транспортного средства из состава установки в рабочем режиме при выработке электроэнергии;

  • сокращает сроки монтажа ВЭУ и количество необходимого для этого персонала;

  • расширяет универсальность за счет обеспечения возможности установки ВЭУ на рыхлых и скальных грунтах без их предварительной подготовки, а также за счет использования модульных узлов при монтаже;

  • обеспечивает возможность изменения максимальной высоты ВЭУ при установке ее на рабочую позицию в конкретных условиях местности и ветропотоках;

  • позволяет оптимизировать транспортные габариты в ВЭУ и ее составляющих;

  • повышает надежность за счет обеспечения заводской сборки важнейших узлов ВЗУ и эффективного восприятия нагрузок при работе ВЭУ в различных режимах эксплуатации, включая штормовые и работу при сильных ветрах;

  • сокращает срок окупаемости и уменьшает стоимость вырабатываемой электроэнергии в особенности в низкоскоростных ветропотоках за счет снижения стоимости монтажных работ и стоимости конструкции ВЭУ.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Передвижная ветроэнергетическая установка, содержащая секционную мачту, грузоподъемное устройство, ветроколесо с лопастями, гондолу, генератор, трансмиссию, гибкие тяги и снабженная регулируемыми опорами, отличающаяся тем, что она снабжена силовой обоймой, рядом опорных групп, выполнена в виде последовательно соединенных приобойменной фермы, рычага и периферийной фермы, в опорной группе рычаги выполнены с возможностью поворота и фиксации в положении опирания их периферийными концами на грунт с образованием между грунтом и нижними частями обоймы проема по высоте и ширине определенно большего высоты и ширины транспортной платформы для перевозки ветроэнергетической установки, мачта выполнена из однотипных модулей, нижний из которых монтирован и зафиксирован внутри обоймы, форма и размеры которой выполнены с возможностью поступательного перемещения модуля через отверстие в центральной части обоймы, а гибкие тяги снабжены механизмами натяжения и соединены одними концами с периферийной опорой каждой из опорных групп, а другими с верхним модулем мачты.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что каждая гибкая тяга снабжена механизмом изменения ее длины.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что каждая гибкая тяга снабжена механизмом предварительного натяжения и механизмом окончательного натяжения.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что каждая гибкая тяга снабжена механизмом самонатяжения при изменении ее длины.

5. Установка по пп. 1 4, отличающаяся тем, что гибкие тяги снабжены механизмами натяжения и изменения их длины, соединенными между собой последовательно.

6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что грузоподъемное устройство включает в себя зубчатую пару "рейка-колесо", связанную с приводом, размещенным на корпусе, который выполнен с возможностью его установки на силовой обойме.

7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что периферийные опоры выполнены регулируемыми по высоте.

8. Установка по пп. 1 и 7, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна периферийная опора снабжена штырем, выполненным с возможностью его заглубления в грунт.

9. Способ монтажа передвижной ветроэнергетической установки, включающий транспортировку к месту монтажа составных частей установки и основания, установку ветроколеса и гондолы, последовательный подъем грузоподъемными средствами составных частей установки, отличающийся тем, что основание установки выполняют в виде силовой обоймы со сквозным каналом, предварительно до транспортировки собирают часть установки, включающую силовую обойму, приобойменную ферму и рычаги, помещают ее на транспортную платформу, и опирают к транспортной платформе нижней стороной обоймы, транспортную платформу перемещают на место монтажа до совпадения основания с номинально необходимым положением и временно фиксируют, после чего с помощью приобойменной фермы и рычага осуществляют связь силовой обоймы с грунтом, приподнимают смонтированную на основании часть установки относительно транспортной платформы, затем удаляют транспортную платформу, а подъем грузоподъемным устройством каждого из модулей мачты производят через сквозной канал в основании установки, причем подъем осуществляют ступенчато составной части установки в сборе, по меньшей мере один из поднимаемых модулей снабжают средствами для размещения и фиксации на нем функциональной оснастки.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что на периферийных опорах опорные элементы выполняют в виде емкостей под жидкость.

11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что на периферийных опорах опорные элементы выполняют в виде емкостей под сыпучую среду.

12. Способ по п. 9, отличающийся тем, что подъем смонтированной на основании части установки относительно транспортной платформы производят с помощью регулируемых опор.

Версия для печати
Дата публикации 02.04.2007гг


вверх