ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к альтернативным источникам энергии, а именно - к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ), и может быть использовано для получения электрической энергии в регионах со слабыми ветрами, как в бытовых, так и в коммерческих и промышленных целях.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Рост потребности человечества в энергетических ресурсах и увеличение стоимости традиционных источников энергообеспечения приводит к необходимости поисков новых ресурсов и более широкого их применения. Такие источники никогда не заканчиваются и практически бесплатные: солнечная энергия, энергия ветра, биоэнергия, геотермальная энергия, энергия приливов-отливов и т.д.

Одним из основных, наиболее развивающихся направлений в сфере альтернативной энергетики является ветроэнергетика, которая специализируется на преобразовании кинетической энергии атмосферных воздушных масс в электрическую, механическую, тепловую или другие удобные необходимые виды энергии.

Постоянно возрастающая актуальность "зеленой" энергетики выражается в тенденциях максимального повышения эффективности ВЭУ, в результате чего они становятся все более наукоемкими техническими устройствами.

Ветроэнергетические установки существуют двух типов - с горизонтальной и вертикальной осью вращения ротора. Также они известны как ветрогенераторы, ветродвигатели, ветроагрегаты и др.

Оптимальная скорость воздуха для промышленных ветроэнергетических установок составляет порядка 10-12 м/с, при этом желательна постоянная скорость ВЕТРА и отсутствие частых изменений направления ветра. В свою очередь, ВЭУ вертикального типа наиболее эффективны в местностях, которые характеризуются переменными ветрами с неустойчивыми скоростями и направлениями (в Украине, например - Крым).

Повышение мощности ВЭУ на сегодня является актуальной проблемой современной ветроэнергетики. Увеличение диаметра ротора безредукторных ветроустановок вертикального типа приводит к повышению мощности с одной стороны, но, при этом вызывает необходимость магнитного подпора ротора с другой. Масса магнитоэлектрических роторов, применяемых на ветроагрегатах такого типа возрастает пропорционально увеличению номинальной мощности. В такой же мере растут и внутренние потери энергии, идущие на покрытие сил трения, а также на питание средств управления устойчивостью динамики ротора. В последнее время появляются технические решения, направленные на решение вышеуказанных проблем.

Известный ветрогенератор с горизонтальной осью вращения ротора [патент Украины JVo 54948, опубл. 17.03.2003, Бюл JV<> 3, 2003 г., МПК7 F03D 1/00, F03D 7/04], имеющий головку с установленным в ней генератором, кинематически связанным с ветроколесом, которое закреплено на вертикальной опоре, вращающимся в горизонтальной плоскости, механизмы вывода ветроколеса из под ветра и ориентирования по ветру.

Недостатком данного ветрогенератора является необходимость ориентирования на ветер, потребность в высоких скоростях ветра для пуска и для выхода на оптимальный рабочий режим, большая высота размещения головки с генератором и лопастями, высокий уровень шума и угроза для жизни птиц. Кроме того, гироскопический момент, возникающий во время вращения, требует усиленной конструкции сопротивлений, что приводит к удорожанию установки и, в конечном счете, высокой себестоимости электроэнергии.

Известен ветродвигатель, работа которого не зависит от направления ветра [Патент РФ Ν° 2065992, Кл. F03D 3/00, публ. 1996 г.], который содержит вертикальный вал, на котором жестко закреплено ветроколесо с лопастями, закрепленными под углом к радиусу ветродвигателя. Вал кинематически связан с электрогенераторами, ветроколесо с лопастями выполнено в виде венца с П-образным желобом, а угол крепления лопастей составляет 60°, причем между лопастями образованы карманы. Масса конструкции ветроколеса через катки опирается на кольцо в колее, которая смонтирована на колоннах. Однако при такой конструкции размещения лопастей для полезной работы используется только их часть, в том числе и та часть, которая расположена под большим углом к направлению ветра, а лопасти, которые расположены под малым углом к направлению ветра, используются слабо, то есть эффективно работает не более 20-25 % лопастей ветроколеса и только те, которые размещены против направления ветра, что уменьшает мощность ветродвигателя. Кроме того, через наличие колонн, которые поддерживают через кольцевую колею ветроколесо, такой ветродвигатель имеет слишком громоздкую конструкцию, занимает большую площадь и имеет низкий КПД.

Также известен ветрогенератор [Патент Украины Ns 86126, МПК (2009) F03D 9/00, 1/00, 3/00, опубл. 25.03.2009, Бюл. JN° 6], содержащий ротор, выполненный из диамагнитного материала и установлен на одном валу с ветроколесом, и статор. Магнитная система статора состоит из обмоток, установленных на кольцевом магнитопроводе, причем статор выполнен из трех соединенных многоканальными магнитопроводами ферромагнитных пластин, укрепленных на эстакаде с общей центральной осью симметрии, совпадающей с валом ветроколеса, и одинаковыми воздушными зазорами между их плоскостями. На верхней и нижней пластинах ротора равномерно по окружности установлены одинаковые цепочки постоянных магнитов, каждая пара которых размещена одна против другой, а магниты, которые являются противоположными, имеют одинаковую полярность. Посередине между соответствующими парами магнитов закреплены модули, состоящие из сердечников с катушками индуктивности, которые образуют круговую цепочку с полюсным делением, равным полюсному распределению системы магнитов. При этом магнитные потоки статора замыкаются через систему магнитопроводов. Ротор выполнен в виде двух тонких дисков, закрепленных на общем валу и установленых в зазоры между пластинами статора. В каждом диске в зонах ортогональных проекций магнитных полюсов на его плоскости выполнены отверстия, перемежающиеся со сплошными участками, причем размеры тех и других в круговом направлении равны размерам полюсных граней магнитов. Диски сдвинуты друг относительно друга на угол, при котором отверстия на одном диске ротора находятся напротив сплошных участков между отверстиями - на другом. У описанного ветрогенератора максимально малая масса ротора, поскольку на роторе вообще не установлены активные детали генератора, а якорь и индуктор в данной схеме неподвижны.

Недостатком данного ветрогенератора является то, что его мощность недостаточна, как и недостаточна чувствительность к давлению ветра, кроме того при малом ветре скорость вращения ротора мала, и при этом относительно малый уровень наведенных вихревых токов в его материале дает незначительный эффект экранирования магнитного поля (скин-эффект), что приводит к отсутствию переполюсования магнитного поля в данном режиме, что делает невозможным выработку электрической энергии на малых скоростях ветра.

Известная безредукторная вертикальноосевая ВЭУ согласно патенту Украины Ν° 86142, МПК (2009) F03D 3/00, 5/00, 9/00, опубл. 25.03.2009 г., Бюл. JV» 6.

Она имеет структуру ротационного генератора и содержит статор, закрепленный на эстакаде, состоящей из опорных стоек и кольцевых площадок, и ротор, оборудованный опорно-ходовыми узлами, и соединенный с ветроприводом, а также источники магнитного поля. ВЭУ имеет автономный разгрузочное устройство для обеспечения магнитного подвеса ротора, размещенный в воздушном объеме между опорными стойками, содержащий желобчатая кольцевой трек, выполненный из проводящего диамагнитного материала и укрепленный на карусельной подвижной опоре с системой дополнительных ветроприемных лопастей, установленных по наружному обводу трека.

Ветропривод генератора состоит из ветроколеса, установленного на трансмиссионном валу и соединенного с ротором радиальной системой траверс. Источники магнитного поля в виде супермагнтв установлены на роторе ветроагрегата по круговой схеме, а индуктивные элементы генератора лишены сердечников и выполнены в виде плоских катушек с ферромагнитным подслоем без внутреннего отверстия.

К недостаткам прототипа следует отнести то, что узел магнитного подвеса ротора выполнен в схеме контрротора, конструкция которого не обеспечивает оптимального перераспределения величин магнитного потока, генерирующего электроэнергию (верхнего поля), и потока, который обеспечивает подвес (нижнего поля). Это снижает эффективность генерирования электроэнергии и неоправданно увеличивает электродинамические потери в узле подвеса, что в результате приводит к снижению КПД установки. Кроме того, при подключении нагрузки осуществляется торможение генератора, и, как следствие, уменьшается выработка электрического тока.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей данного изобретения является создание ветроэнергетической установки, в которой путем определенной совокупности конструктивных элементов, их последовательности и размещения, достигается эффективная работа ветроэнергетической установки в различных природных условиях.

Поставленная задача решается тем, что ветроэнергетическая установка, в соответствии с изобретением содержит по меньшей мере один основной генератор высокого напряжения, который состоит из ротора в виде двух дисков с равномерно закрепленными по окружности на периферии постоянными магнитами, размещенными с чередованием в осевом направлении и расположенными друг к другу разноименными полюсами, и дискового статора с якорными катушками без сердечника, который расположен с воздушным зазором между дисками ротора, кроме того установка имеет по меньшей мере один генератор низкого напряжения, закрепленный последовательно снизу основного генератора высокого напряжения, причем их статоры закреплены на общей оси, две или больше лопасти, которые закреплены кронштейнами к ротору основного генератора высокого напряжения фланцевыми креплениями рессорного типа, дополнительно установка оборудована электронным модулем синхронизации и смешения напряжений двух вышеупомянутых типов генераторов, причем масса одного или более основных генераторов высокого напряжения больше в 1,5-2,5 раза по массе одного или более дополнительных синхронных генераторов низкого напряжения.

Автором изобретения было отмечено, что основной генератор высокого напряжения является синхронным и выполнен с использованием неодимовых постоянных магнитов, а в дополнительный генератор низкого напряжения является синхронным и выполнен с использованием постоянных ферритовых магнитов.

Кроме того, в результате проведенных экспериментов автором было доказано, что оптимальными для забора ветра являются лопасти, имеющие профиль Жуковского.

Автором заявляемого изобретения, доказано, что крепления крыльев к кронштейну и кронштейна к генератору должны быть рессорного типа и самоцентрирующимися.

Также автором были проведены соответствующие расчеты и эксперименты, которые позволили выявить преимущества заявляемого изобретения в сравнении с другими ветроэнергетическими установками вертикально типа.

Размещение магнитов основного генератора зеркально с разноименными полюсами друг к другу позволяет создать мощный магнитный поток, который замыкается через статорные диски и якорные катушки и создает индукционный ток. Согласно правилу Ленца, индукционный ток всегда имеет такое направление, при котором его собственный магнитный поток компенсирует изменение внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток, и при подключении к низкоомной нагрузки к этому генератору происходит его резкое торможение, однако, если нагрузку не подключать, то усиливается раскрутка генераторов лопастями и происходит дополнительная разгрузка подшипников, т.к. отсутствует сопротивление вращению ротора.

За счет отсутствия внутреннего магнитного зацепления и высокой инерционности, вызванной тем, что вес основного генератора в 1,5-2,5 раза превышает вес дополнительного или суммарного веса дополнительных генераторов, осуществляется сохранение скорости вращения при провалах ветра.

Так же за счет того, что вес основного генератора больше, при подключении к низкоомной нагрузки к дополнительному генератору, за счет высоких инерционных свойств он механически преодолевает возникшую противо-ЭДС. Дополнительный генератор, ротор которого закреплен на роторе основного генератора, и магнитное поле, которое вырабатывается при вращении дополнительного генератора, расположено в ортогональной проекции основного генератора, что способствует тому, что механическая сила, которая вращает ветроколесо легче преодолевает противо-ЭДС, возникающая при подключении нагрузки.

При увеличении скорости ветра увеличивается мощность основного генератора, что приводит к усилению торможения, что автоматически защищает лопасти от повреждений при порывах и больших скоростях ветра. Использование наборных фланцевых креплений крыльев позволяют крыльям пружинить на сильных ветрах, что значительно повышает их прочность.

Работа электронного модуля синхронизации и смешение высоковольтного и низковольтного напряжения от двух типов генераторов основывается на принципе ВЧ преобразования с различными коэффициентами трансформации, что предоставляет возможность формирования ВЧ индуктивных импульсов, которые в сочетании с большой инерционной способностью ветроэнергетической установки позволяет заряжать АКБ на количестве оборотов, которые равны V* от номинальной.

Кроме того применение самоцентрирующихся фланцевых креплений крыльев рессорного типа устраняет их перекос и дополнительную нагрузку на подшипники, что придает крылу повышенную прочность.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение поясняется примером конкретного выполнения и чертежами, где изображено ветроэнергетическую установку.

Фиг. 1 - ветроэнергетическая установка;

Фиг. 2 - синхронный генератор высокого напряжения.

ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ветроэнергетическая установка содержит основной синхронный генератор высокого напряжения (1), содержащий ротор (2) в виде двух дисков (3) с закрепленными постоянными магнитами (4), статор (5), содержащий диск (6) с якорными катушками (7), дополнительный синхронный генератор низкого напряжения (8), ось (9), кронштейны (10), фланцевые крепления (11), крылья (12), электронный модуль синхронизации и смещение напряжений (13).

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Устройство работает следующим образом:

При возникновении движения воздушных масс ветер оказывает давление на крылья (12), которые, в свою очередь, начинают раскручивать ротор (2) основного генератора (1). Так как основной (1) и дополнительный (8) генераторы соединены между собой, происходит одновременное вращение основного (1) и дополнительного (8) генераторов. Ветроэнергетическая установка выходит на режим холостого хода, начинается зарядка АКБ и последующий разгон генераторов (1) (8) малыми ветрами. При увеличении скорости ветра включается "плечо" контроллера электронного модуля синхронизации и смешения напряжений (13), который отвечает за снятие энергии с основного генератора (1), при этом высокое выходное напряжение и малые токи основного генератора (1) суммируются с низким напряжением и большими токами дополнительного генератора (8). При увеличении скорости ветра растет мощность синхронного генератора высокого напряжения (1), он начинает тормозить, защищая лопасти (12) от повреждений. Выходное напряжение от двух типов генераторов (1) (8) поступает на электронный модуль синхронизации и смешение напряжений (13), на выходе которого получают флуктуирующее выпрямленное не стабилизированное напряжение.

Конструктивно автором данного изобретения предусмотрена возможность наращивания мощности путем добавления к каждому из основных генераторов несколько дополнительных генераторов. Дополнительно общую мощность ветроэнергетической установки можно увеличить повышением плоскости крыльев путем их наращивания.

Далее автором изобретения приведены примеры конкретного использования.

Ппример 1

Ветроэнергетическая установка оборудована одним синхронным генератором высокого напряжения номинальной мощности 1 кВт и двумя синхронными генераторами низкого напряжения по 1,5 кВт каждый. Установка имеет три крыла высотой 2 м и диаметром 1,67 м, вес 97 кг и установлена в регионе со среднегодовой скоростью ветра - 5,4 м / с. При скорости ветра 0,17 м / с началось вращения установки. Средняя скорость ветра за сутки составляла 4 м / с. При этом показателе скорости ветра установка выработала 19,8 кВт / ч., то есть за сутки этот показатель составил, примерно, 470 кВт.

Пример 2.

Ветроэнергетическая установка оборудована двумя синхронными генераторами высокого напряжения с общей номинальной мощностью 3 кВт и четырьмя синхронными генераторами низкого напряжения по 1,5 кВт каждый. Установка имеет три крыла высотой 3 м, установленна в регионе со среднегодовой скоростью ветра - 7,0 м / с. Вращения установки началось при 0,5 м / с. Средняя скорость ветра за сутки составляла 6 м / с, учитывая краткосрочные провалы и порывы ветра. При скорости ветра в 6 м / с выходная мощность этой ветроэнергетической установки составила около 56,9 кВт / ч., А за сутки выработала, примерно, 1360 кВт, что является промышленным показателем. Таким образом, заявляемая ветроэнергетическая установка обеспечивает стабильную зарядку АКБ при малых скоростях ветра, эффективно стартует на минимальных скоростях ветра, сводит к минимуму торможение на ветрах 2-5 м / с, обеспечивает максимально возможные показатели при ветре в 5 м / с, имеет высокую устойчивость к сильным и ураганных ветров. Все перечисленные преимущества заявляемого решения доказывают высокую эффективность ВЭУ при различных условиях эксплуатации.