ветроэнергетический агрегат

область техники

изобретение относится к энергетике, в частности, к использованию энергии ветра для выработки электроэнергии при энергообеспечении обособленных объектов и подаче электроэнергии в местные или централизованные энергосистемы.

предшествующий уровень техники

известно несколько типов ветроэнергетических агрегатов (вэа) с горизонтальными или вертикальными осями вращения роторов пропеллерного, барабанного и роторного типов (Rоbеrt Gаsсh (нrsg). Windkraftanlagen - в. G. теubпеr, Stuttgаrt, 1993). однако практическое распространение получили лишь пропеллерные, как правило, трехлопастные агрегаты. они имеют сложные по конструкции лопасти, дорогой редуктор с большим передаточным числом между ветроколесом и электрогенератором, генератор, компьютер для управления положением лопастей и ориентированием колеса на ветер. из-за большой массы головки ветроэнергетического агрегата, самого ветроколеса и лопастей система регулирования не может обеспечить правильное ориентирование колеса на ветер, быстро меняющий свои скорость и направление. в результате постоянного несоответствия положения лопастей и колеса направлению и скорости ветра коэффициент использования установленной мощности вэа не превышает 10 - 23%. для получения возможности использования ветра любого направления известны конструкции вэа с вертикальным расположением осей вращения и лопастей типа дарье (Rоbеrt Gаsсh (нrsg). Windkraftanlagen - в. G. теubпеr Stuttgаrt, 1993) или с ротором савониуса (US 1766765), но они не получили распространения ввиду сложности вывода на рабочий режим при эксплуатации.

известна виндроторная электростанция по патенту KZ 3355, агрегаты которой содержат модули, состоящие из цилиндрических роторов с объемными профильными лопатками и подвижных направляющих аппаратов, положение которых относительно направления ветра устанавливается флюгером. для выработки энергии используются два или несколько генераторов, соединенных с валом ротора через разгонные муфты и механические передачи. но при использовании этого устройства практически отсутствует возможность оперативного управления положением направляющего аппарата на многомодульных станциях ввиду его большой массы, что также исключает

возможность достижения высокого коэффициента использования энергии ветра. наличие разгонной муфты и механических передач снижает кпд, усложняет и удорожает конструкцию.

известна виндроторная электростанция по патенту KZ 5595, агрегаты которой состоят из виндроторных блоков или модулей, включающих цилиндрические направляющие аппараты и лопастные вертикальные виндроторы, сконструированные с использованием формулы хелмана, соединенные с генераторной группой. однако и такая электростанция имеет недостатки. диаметры направляющих аппаратов и роторов модулей, а также количество лопаток в роторах модулей изменяются по высоте агрегата в соответствии с формулой хелмана, которая не дает достоверных результатов в реальных условиях и не охватывает всего многообразия условий эксплуатации ветроэлектростанций в приземном слое воздушного потока.

известны вэа и ветроэлектростанция (вэс) по патенту EA 003784 Bl. известные вэа включают один или несколько цилиндрических блоков, установленных последовательно по вертикали, каждый из которых содержит статор с вогнуто- выпуклыми пластинами и ротор с выпукло-вогнутыми лопатками, соединенными с общим для всех блоков вертикальным валом, нижний конец которого соединен с ротором генератора. во всех блоках роторы имеют постоянный наружный диаметр, число блоков в агрегате составляет от 1 до 50 в зависимости от высоты одного блока и ветровых условий, а между блоками в вэа имеются зазоры с кольцевыми коническими козырьками. при этом роторы всех блоков содержат одинаковое число лопаток.

однако известное решение также имеет недостатки. ввиду того, что скорость ветра на разной высоте от поверхности земли имеет разное значение, блоки вэа, установленные на разной высоте развивают разную мощность. блоки, расположенные в нижней части агрегата могут развивать меньшую мощность, а при связи общим валом с верхними могут переходить в режим работы вентилятора, вращаемого верхними блоками, что снижает выдаваемую мощность вэа. этот недостаток невозможно преодолеть изменением только конструкции блоков. при необходимости увеличения мощности вэа увеличивается диаметр статора и ротора, что приводит при одинаковой скорости ветра к снижению частоты вращения ротора и применяемые в таких условиях тихоходные электрогенераторы должны иметь большие габариты и вес.

задачей изобретения является создание ветроэнергетических агрегатов блочного типа с повышенным коэффициентом использования энергии ветра, увеличенной удельной выработкой электроэнергии на 1 квт установленной мощности, позволяющих

при этом упростить сборку блоков в колонну при сооружении многоблочных вэа, а также уменьшить вес и размеры электрогенераторов с одновременном повышением их удельной мощности при прямом (без редуктора) соединении вала генератора с валом блоков.

раскрытие изобретения

указанная задача решается путем обеспечения независимого вращения роторов блоков, когда они могут вращаться с разной скоростью, развивая соответствующую местной скорости ветра мощность, и независимо вращать статор и ротор генератора в противоположных направлениях, что позволяет создать генераторы с меньшими габаритами и весом при одинаковой мощности по сравнению с генераторами обычного типа, где вращается только ротор, а статор неподвижен. это происходит вследствие увеличения результирующей скорости движения магнитной системы генератора относительно его обмотки, в результате чего увеличивается удельная мощность генераторов или снижается материалоемкость 1 квт мощности генератора.

указанная задача решается созданием ветроэнергетического агрегата, включающего несколько соосно расположенных цилиндрических блоков ветровой турбины, каждый из которых содержит статор с вогнуто-выпуклыми пластинами и ротор с вьшукло-вогнутыми лопатками, и электрический генератор, ротор которого механически связан с по меньшей мере одним ротором ветровой турбины, при этом ветроэнергетический агрегат согласно настоящему изобретению содержит по меньшей мере один установленный между блоками ветровой турбины электрический генератор, ротор которого механически соединен с ротором по меньшей мере одного блока ветровой турбины, расположенного с одной стороны от генератора, а статор - с ротором по меньшей мере одного блока ветровой турбины, расположенного с другой стороны от генератора, при этом пластины статора и лопатки ротора по меньшей мере одного блока ветровой турбины, расположенного с одной стороны от генератора, и пластины статора и лопатки ротора по меньшей мере одного блока ветровой турбины, расположенного с другой стороны от генератора, установлены так, что роторы указанных блоков при воздействии ветра вращаются в противоположных направлениях.

предпочтительно статор генератора снабжен вьшукло-вогнутыми лопатками, установленными так, что при воздействии ветра они создают дополнительный

вращающий момент в ту же сторону, что и соединенный с этим статором генератора ротор блока ветровой турбины.

электрический генератор преимущественно представляет собой многополюсный вентильный генератор с системой автоматического управления схемами включением обмоток статора и регулирования возбуждения. при этом ветроэнергетический агрегат может быть снабжен реле для включения возбуждения генератора при наличии ветра и отключения его в период затишья.

кроме того ветроэнергетический агрегат может дополнительно содержать регулятор выходной мощности для обеспечения номинальной частоты вращения роторов блоков в диапазоне от 0,5 до 0,6 частоты вращения роторов блоков на холостом ходу при скорости ветра в реальных условиях.

ветроэнергетический агрегат содержит несколько электрогенераторов, которые могут быть либо включены параллельно на общую нагрузку, либо каждый из них может питать обособленную нагрузку.

предпочтительно с каждой стороны электрогенератора установлены более одного блока ветровой турбины, причем мощности блоков, вращающих статор и ротор генератора, равны между собой.

преимущественно с каждой стороны электрогенератора установлены более одного блока ветровой турбины, причем мощность блоков N _st , вращающих статор, и мощность блоков Nn, вращающих ротор, находятся в соотношении:

N _st = k-N _rt , где к - отношение момента инерции статора генератора к моменту инерции ротора генератора.

блоки ветроэнергетического агрегата могут быть расположены как вертикально, так и горизонтально, например, на плавучей платформе. при вертикальном расположении блоков для оптимизации режима работы верхних и нижних блоков количество лопаток в роторе верхних блоков равно или меньше количества лопаток в роторе нижних блоков на 2 - 50%, а пластины статоров размещены по окружности равномерно через 0,6 - 60° в зависимости от диаметра статора. при горизонтальном расположении блоков агрегат дополнительно снабжен флюгерными рулями для удержания его перпендикулярно направлению ветра. кроме того, блоки ветроэнергетического агрегата могут быть расположены горизонтально поперек склонов гор, проходов или ущелий.

преимущественно с каждой стороны каждого из блоков ветровой турбины установлены удерживающие крышки статора, в которых расположены подшипники, а каждый ротор каждого из блоков ветровой турбины содержит вал, установленный в указанных подшипниках.

статор каждого генератора может включать в себя жестко закрепленный на нем вал, при этом агрегат может быть снабжен упругими муфтами для соединения валов роторов блоков ветровой турбины, расположенных с разных сторон от электрического генератора, с валом ротора и валом статора установленного между ними электрического генератора.

для соединения между собой валов роторов блоков ветровой турбины, расположенных по одну сторону от электрогенератора могут быть установлены упругие муфты, что позволяет исключить негативное воздействий резких порывов ветра на элементы конструкции вэа.

для прокладки проводов от выводов обмоток статора и ротора валы генераторов и валы роторов блоков ветровой турбины, соединенные с соответствующими валами генератора, предпочтительно имеют каналы и снабжены щеточными узлами с контактными кольцами для подключения выводов обмоток генераторов, установленными на валах генераторов или на противоположных от генератора концах валов роторов блоков ветровой турбины.

краткое описание чертежей

на фиг. 1 показан общий вид агрегата при наличии с каждой стороны генератора по одному блоку ветровой турбины; на фиг. 2 — то же, но с двумя блоками ветровой турбины с каждой стороны генератора; на фиг. 3 показан агрегат с несколькими генераторами и несколькими блоками ветровой турбины с каждой стороны генератора; на фиг. 4 показано продольное сечение фрагмента одного блока ветровой турбины; на фиг. 5 и 6 изображено поперечное сечение блоков ветровой турбины, расположенных с разных сторон от генератора; на фиг. 7 показан генератор с упругой муфтой и лопатками на статоре, вид сбоку; на фиг. 8 - то же, вид сверху.

варианты осуществления изобретения

изображенный на фиг. 1 ветроэнергетический агрегат содержит два соосно расположенных цилиндрических блока 1 и Ia ветровой турбины, между которыми расположен электрический генератор 6. как показано на фиг. 4 — 6, каждый из цилиндрических блоков 1 и Ia содержит, соответственно, статор 2 и 2а с вогнуто- выпуклыми пластинами 3 и за и ротор 4 и 4а с выпукло-вогнутыми лопатками 5 и 5а. пластины 3 статора 2 и лопатки 5 ротора 4 блока ветровой турбины, расположенного с одной стороны от генератора 6, например, сверху от него (фиг. 5), и пластины за статора 2а и лопатки 5 а ротора 4а по меньшей мере одного блока Ia ветровой турбины, расположенного с другой стороны от генератора 6 (фиг. 6), установлены так, что роторы 4 и 4а указанных блоков 1 и Ia при воздействии ветра вращаются в противоположных направлениях. с двух сторон каждого блока 1 ветровой турбины установлены крышки 7 (на фиг. 4 показана одна нижняя крышка), соединенные между собой стойками 8. в крышках 7 установлены подшипники 9, а роторы 4 каждого блока 1 ветровой турбины снабжены валами 10, установленными в подшипниках 9. каждый блок 1 ветровой турбины сформирован как самостоятельный узел, что позволяет обеспечить унификацию узлов, а, следовательно, упростить изготовление и сборку ветроэнергетических агрегатов.

статор электрического генератора 6 снабжен валом 11, закрепленным на статоре, например, посредством фланца 12, а ротор генератора имеет вал 13 (фиг. 7). валы 11 и 13 генератора 6 соединены с соответствующими валами 10 и 10а роторов блоков 1 и Ia ветровой турбины, установленных с разных сторон электрического генератора 6, посредством упругих муфт 14. соединение валов 10 и 10а роторов 4 и 4а блоков 1 и Ia ветровой турбины и валов 11 и 13 статора и ротора генератора 6 с упругой муфтой 14 может быть выполнено посредством любых известных средств: концы валов 11 и 13 статора и ротора генератора б, а так же валы 10 и 10а роторов 4 и 4а ветровой турбины могут иметь овальную, многогранную или круглую форму с профильными зубьями или шлицами, или шпоночными канавками, а муфты 14, в свою очередь, с каждой стороны могут быть снабжены втулками 15, внутренняя поверхность которых имеет, соответственно, овальную, многогранную или круглую форму с профильными зубьями или иметь шлицы или шпоночные канавки. в корпусе генератора 6 имеется отверстие (не показано) для вывода проводов от обмотки статора, которые через отверстие в валу 11 (не показано) соединяются со щеточным узлами 16, удерживающимися от вращения посредством прикрепленных к стойкам 8 распорок 17

(фиг. 1 — 3). аналогично выводятся провода от обмотки ротора в случае ее наличия. если для возбуждения генератора используются постоянные магниты, то щеточные узлы устанавливаются только на одном из валов. на статоре генератора 6 установлены выпукло-вогнутые лопатки 18 для улучшения охлаждения генератора и вращения его ветром в ту же сторону, куда вращает его ротор соединенного с ним блока Ia.

с каждой стороны генератора 6 может быть установлено несколько блоков 1 и Ia ветровой турбины, например, по два, как показано на фиг. 2.

при необходимости увеличения мощности вэа устанавливается несколько генераторов, как показано на фиг. 3, а с каждой стороны генератора устанавливается по нескольку блоков, причем количество и/или мощность блоков, вращающих статор генератора больше количества и мощности блоков, вращающих ротор генератора. это следует из того, что статор по сравнению с ротором имеет больший вес и диаметр, следовательно обладает большим, чем у ротора, моментом инерции, для преодоления которого требуется большее усилие. устойчивость конструкций с небольшим диаметром статора обеспечивается растяжками (не показаны).

вэа может устанавливаться вертикально на трубчатых стойках (фиг.l) на опорах линий электропередач, мачтах ретрансляторов, на конусных (фиг.2), цилиндрических или трех- или четырехопорных (фиг. 3) основаниях 19 на грунте или на фундаментах 20. при необходимости выработки электроэнергии в больших объемах ветроэнергетические агрегаты объединяются в многоагрегатные ветроэлектростанции (вэс) и взаимно располагаются в зависимости от местной розы ветров, а при компактном размещении связываются между собой перемычками.

в природе имеется много мест с постоянными ветрами большой силы и большим значением скорости непосредственно над подстилающей поверхностью. это ветры горных перевалов, узких ущелий. среди них знаменитая «Kpымcкaя бopa», где ветер поднимается по склону на плоскогорье и стекает с него по склону в долину со скоростью до 40 - 60 м/с, катобический ветер гренландии. в таких условиях эффективна горизонтальная установка вэа поперек склонов гор и наклонных поверхностей, в узких коридорах и проходах, а также на растяжках поперек ущелья или на плавающей платформе при удержании агрегата перпендикулярно направлению ветра посредством ветровых рулей-флюгеров (условно не показано).

при работе вэа в каждом блоке 1 (фиг. 4 - 6) статор 2 пластинами 3 забирает воздушный поток, обеспечивая его сжатие и ускорение, и направляет его на лопатки 5 ротора 4. действуя на лопатки 5, соединенные с валом 10 ротора 4, воздушный поток

вызывает вращение этого вала 10 и связанного с ним ротора генератора 6. статор 2а блока Ia также забирает воздушный поток пластинами за, обеспечивая его сжатие и ускорение, и направляет его на лопатки 5а ротора 4а. действуя на лопатки 5а, соединенные с валом 10а, воздушный поток вызывает вращение вала 10а и соединенного с ним статора генератора б в направлении, противоположном направлению вращения ротора генератора. вращение ротора и статора генератора в противоположных направлениях с номинальной частотой вращения роторов блоков увеличивает выдаваемую генератором мощность по сравнению с генераторами, где вращается только ротор, а статор неподвижен. вращение ротора и статора генератора в противоположных направлениях приводит к увеличению скорости движения его магнитной системы относительно обмотки, что в соответствии с законом магнитной индукции увеличивает на такую же величину электродвижущую силу и мощность генератора, как это следует из формулы: е = L-vв, где е — мгновенное значение эдс в проводнике,

L - длина активной части проводника, v — скорость относительного перемещения проводника и магнитного поля,

в - магнитная индукция.

в этих условиях будет соответственно увеличена развиваемая мощность, что соответствует энергетическим характеристикам ветроэнергетического агрегата данного типа. вывод энергии генератора осуществляется через щеточные узлы 16 с контактными кольцами, установленными на свободных концах валов генераторов или блоков. для прокладки проводов от генераторов к щеточным узлам в валах ротора и статора, а также в валах блоков имеются каналы. при изменении скорости ветра автоматически производится переключение ветвей обмоток генераторов, так чтобы постоянно поддерживать оптимальную частоту вращения роторов блоков под нагрузкой на уровне 0,5 - 0,6 от частоты вращения на холостом ходу без нагрузки при конкретной скорости ветра.