Автономна вітроелектростанція малої потужності

1. Автономна вітроелектростанція малої потужності, що містить вітродвигун, електричний генератор, пристрій для передавання механічного зусилля від вітродвигуна до електричного генератора, блок регулювання електричного струму, яка відрізняється тим, що як вітродвигун вона містить трилопатевий півсферичний аеродинамічного профілю вітродвигун, як електричний генератор асинхронний трифазний генератор з конденсаторами збудження, як блок регулювання електричного струму - стабілізатор напруги, а також додатко во містить редуктор і перетворювач числа фаз, який складається з двох трансформаторів з різними коефіцієнтами трансформації, що підключені до окремих фаз виходу трифазного генератора, причому один контакт первинної обмотки першого трансформатора приєднаний до одної з фаз асинхронного трифазного генератора, а другий контакт первинної обмотки першого трансформатора приєднаний до середньої точки другого трансформатора, а вторинні обмотки обох трансформаторів з'єднані узгоджено і підключені до стабілізатора напруги, вихід якого з'єднаний зі споживачем. 2. Автономна вітроелектростанція за п.1, яка відрізняється тим, що коефіцієнт трансформації Корисна модель відноситься до електротехніки та енергетики, а саме, до особливостей виконання вітроелектричних установок з віссю обертання ротора, перпендикулярною напрямкові вітру, і може бути використана для створення вітроелектростанцій різного призначення. Відома вітроелектростанція [патент Російської Федерації №2101559, МПК6 F03D5/00, дата публікації: 12.04.95], що містить вітряні ротори з генераторами, яка відрізняється тим, що не менше трьох роторів із гвинтовими лопастями встановлені у вигляді тригранної піраміди, а їхні генератори електричне зв'язані зі споживачем через пристрій діодного типу для автоматичного розподілення потужності від кожного генератора. Спільними ознаками з пристроєм, що заявляється, є: вітродвигун, електричний генератор, блок регулювання електричного струму. Причинами, що перешкоджають одержанню потрібного технічного результату, є надмірна складність конструкції. Відомий вітроелектричний двигун, який виконано у вигляді вертикальної колони, вітрових коліс, механізмів передач, редуктора і генератора, який відрізняється тим, що на вертикальній колоні шарнірне встановлено підставку з можливістю вільного обертання навколо осі в горизонтальній площині, на лівому кінці підставки на осі встановлено опору, яка зафіксована в вертикальному положенні розкосом, а на колоні жорстко закріплена в горизонтальній площині і перпендикулярно до осі опори підставка, на краях якої встановлені планетарні редуктори повітряних коліс таким чином, що конічні сонячні шестерні жорстко з'єднані з нею, а корпуси планетарних редукторів встановлені з можливістю вільного обертання навколо осі, а зірочки, які закріплені на корпусах редукторів, з'єднані ланцюговою передачею з зірочками вала, який через шківи редуктора пасовою передачею з'єднаний з валом генератора, причому між колоною і підставкою встановлена стабілізаційна площина, а основою вітрового колеса є корпус конічного планетарного редуктора, на якому в одній площині з інтервалом 120° рівномірно по колу жорстко встановлені три трубчаті щогли, на кінцях яких в їхній площині і перпендикулярно до їхніх осей жорстко закріплені три напрямні, на кінцях щогл, у площині, перпендикулярній до осі напрям 3 рази більший від 2 коефіцієнта трансформації другого трансформатора. (19) UA (11) 13702 (13) U першого трансформатора у 3 них, встановлені осі куліс, причому на осі встановлені куліси, які шатунами з'єднані з повзуном, що розміщений на напрямній, а через щогли встановлені вали, на кінцях яких розміщені конічні сателітні шестерні, які входять в зачеплення з нерухомою центральною шестірнею, і кривошипи, які через шатуни з'єднані з повзунами, на кулісах однією вершиною зафіксовані трикутні тканинні вітрила, які з однієї сторони закріплені на ролику, а кривошипи виставлені таким чином, що при перебуванні щогл у верхньому вертикальному положенні вони є у крайньому лівому положенні, що відповідає максимальному розкриттю вітрил, причому корпуси планетарних конічних редукторів встановлено з можливістю вільного кругового обертання навколо осі нерухомих центральних шестерень, які є в горизонтальній площині, на корпусі планетарних редукторів встановлено черв'ячні редуктори, а на валах черв'ячних коліс жорстко встановлені по два крайні і центральні барабани з можливістю кругового обертання навколо осі, а між цими барабанами встановлені муфти з можливістю осьового переміщення для входження в зачеплення з валом крайніх і центральних барабанів, а на корпусах планетарних конічних редукторів встановлені електромагніти, а на крайніх і центральних барабанах встановлені електромагнітні гальма, які зв'язані з корпусом, а на щоглах встановлені кронштейни, на яких шарнірне встановлені на кожному валу вертикальні барабани, на які намотані полотнища вітрил, та нижні вертикальні барабани, на які намотані привідні канати крайніх і центральних барабанів, крім цього на вертикальних барабанах закріплені однією стороною трикутні вітрила, а третьою вершиною - канатами через блоки, які закріплені на кулісах через блоки з барабанами [деклараційний патент України на корисну модель №3277, МПК7 F03D1/00, 15.11.2004, бюл. №11, 2004р]. Спільними ознаками з пристроєм, що заявляється, є: вітровий двигун, редуктор і генератор. Причинами, що перешкоджають одержанню потрібного технічного результату, є надмірна складність конструкції. Відома вітроенергетична установка [патент України на винахід №18863, МПК5 F03D1/00, 25.12.97, бюл. №6], що містить генератор з валом і закріпленою на ньому шестірнею, вертикальну щоглу з вітровим колесом, виконаним у вигляді обода з двох зв'язаних між собою за допомогою рівномірно розташованих по окружності пружин, кілець, на одному з яких виконані наскрізні отвори і зубчатий вінець, а на іншому - пази, і робочих лопастей зі штирями, одні з яких установлені з можливістю повороту в отворах, а інші - в пазах. Щогла має в нижній частині опору з зубчастим колесом, що взаємодіє з вінцем обода і шестірнею вала генератора, і розташоване концентричне щоглі, верхню і нижню турелі, що контактують за допомогою тіл кочення з кільцями обода. Вітроенергетична установка споряджена пустотілим валом, установленим концентричне щоглі і кінематичне зв'язаним у верхній частині з вінцем обода, а в нижній частині з валом генератора. 13702 4 Спільними ознаками з пристроєм, що заявляється, є: наявність генератора, вертикальної щогли з вітровим колесом. Причинами, що перешкоджають одержанню потрібного технічного результату, є надмірна складність конструкції. За найближчий аналог вибрано за найбільшим числом спільних ознак пристрій [патент Російської Федерації №2210854, МПК7 Н02Р9/06, 9/42, F03D9/02, дата публікації: 20.08.2003], що містить зубчату диференціальну передачу, ланки якої механічно з'єднані з валом вітродвигуна, валом генератора змінного струму і з регульованою машиною постійного струму відповідно. Якір регульованої машини постійного струму електричне зв'язаний з якорем другої машини постійного струму, механічно з'єднаним з валом генератора змінного струму. Друга машина постійного струму має додаткову обмотку збудження, з'єднану з підсилювальним пристроєм. Вхід останнього підключений до виходу регулятора, один із входів якого підключений до виходу формувача швидкості, а інший - до виходу суматора. Вхід формувача швидкості з'єднаний з виходом датчика частоти обертання вала вітродвигуна. До другого входу суматора підключений задатчик активної потужності. Спільними ознаками з пристроєм, що заявляється, є: вітродвигун, електричний генератор, пристрій для передавання механічного зусилля від вітродвигуна до електричного генератора, блок регулювання електричного струму. Причинами, що перешкоджають одержанню потрібного технічного результату, є не досить вдало вибраний тип електричного генератора та вітродвигуна. В основу корисної моделі поставлено задачу в автономній вітроелектростанції малої потужності, шляхом зміни конструктивних елементів, забезпечити спрощення та надійність в експлуатації ВЕС. У ході довгих пошуків та експериментальних перевірок була віддана перевага генератору на базі асинхронного двигуна з коротко замкнутим ротором та швидкохідному вітродвигуну з лопастями аеродинамічного профілю. Поставлена задача вирішується тим, що автономна вітроелектростанція малої потужності, яка містить вітродвигун, електричний генератор, пристрій для передавання механічного зусилля від вітродвигуна до електричного генератора, блок регулювання електричного струму, згідно з корисною моделлю, як вітродвигун вона містить трилопатевий півсферичний аеродинамічного профілю вітродвигун, як електричний генератор - асинхронний трифазний генератор з конденсаторами збудження, як блок регулювання електричного струму - стабілізатор напруги, а також додатково містить редуктор і перетворювач числа фаз, який складається з двох трансформаторів з різними коефіцієнтами трансформації, що підключені до окремих фаз виходу трифазного генератора, причому один контакт первинної обмотки першого трансформатора приєднаний до одної з фаз асинхронного трифазного генератора, а другий контакт первинної обмотки першого трансформатора приєднаний до середньої точки другого трансформатора, а 5 вторинні обмотки обох трансформаторів з'єднані узгоджено і підключені до стабілізатора напруги, вихід якого з'єднаний зі споживачем. Згідно з корисною моделлю, коефіцієнт трансформації першого трансформатора більший у 3 рази від коефіцієнта трансформації другого 2 трансформатора. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де наведено функціональну схему автономної вітроелектростанції малої потужності. Пристрій, що заявляється, складається з трилопатевого півсферичного аеродинамічного профілю вітродвигуна 1, редуктора 2, асинхронного двигуна у режимі генератора 3 із конденсаторами самозбудження 4, перетворювача фаз 5, стабілізатора змінної напруги (220В) 6. Перетворювач фаз 5 складається з першого трансформатора 7, один контакт первинної обмотки якого приєднаний до одної з фаз асинхронного трифазного генератора 3, а другий контакт первинної обмотки трансформатора 7 приєднаний до середньої точки другого трансформатора 8, контакти первинної обмотки якого приєднані до двох інших фаз асинхронного трифазного генератора 3. Автономна вітроелектростанція малої потужності працює так. Під дією вітру зі швидкістю 5м/с вітродвигун 1 досягає номінальних оборотів: 500 об/хв. Редуктор 2 підвищує оберти вала генератора до 720об/хв або 910об/хв. Перевага асинхронного трифазного генератора в тому, що вихідна частота змінного струму практично не залежить від швидкості обертання ротора генератора. При обертанні ротора виникає невеликий струм в обмотці статора, що заряджає один з конденсаторів 4. Завдяки тому, що фаза напруги на конденсаторі відстає на 90°, на роторі виникає магнітне поле вже більшої величини, що діє на наступну обмотку. Тому наступний конденсатор зарядиться до більшої напруги. Цей процес продовжується протягом 1-1,5с, поки ротор генератора не вийде на режим насичення. Після цього можна підключати до автономної вітроелектростанції мережу споживачів. Для нормальної роботи двигуна в режимі генератора потужність навантаження повинна становити не більше 80% потужності асинхронного двигуна, який застосовують як генератор. 20% потужності асинхронного двигуна використовують для підтримки напруги на конденсаторах, тобто для підтримки генератора в робочому стані. У випадку порушення такої умови напруга на конденсаторах зникає, а отже, зникне і магнітне поле на якорі, що приведе до зникнення 13702 6 напруги на виході. Причому це відбувається практично миттєво. Такий ефект можна вважати як недоліком, так і перевагою. Недоліком є те, що повторна подача напруги можлива після того, як буде відключений вихідний автомат та усунута причина перевантаження. Після усунення перевантаження можна включати автомат і споживати електроенергію. Істотною перевагою є те, що генератор практично неможливо спалити, бо напруга на його клемах зникає дуже швидко, протягом 0,1-0,5с. Електромережа автономних користувачів (дачні ділянки, приватні будинки тощо) переважно однофазна, напругою 220В і частотою 50Гц. Для електроживлення однофазних мереж трифазним електрогенератором потрібно рівномірно розподіляти навантаження по фазах генератора, інакше відбудеться перекіс фаз, й електрогенератор вийде з ладу. Тому автономна вітроелектростанція малої потужності, що заявляється, оснащена перетворювачем числа фаз 5, який містить два трансформатора 7 і 8 з різними коефіцієнтами трансформації. Первинна обмотка трансформатора 8 приєднана до двох окремих фаз виходу трифазного генератора. Первинна обмотка трансформатора 7 одною клемою приєднана до третьої фази трифазного електрогенератора, а друга клема приєднана до середньої точки первинної обмотки трансформатора 9. Коефіцієнт трансформації 3 рази від коефі2 цієнта трансформації трансформатора 8. З вторинних обмоток обох трансформаторів, які з'єднані узгоджено і підключені до стабілізатора напруги, електричний струм напругою 220В і частотою 4660Гц направляють до споживачів. У випадку значного зменшення швидкості вітру на виході генератора падає вихідна напруга. Проте стабілізатор напруги 6, що приєднаний до виходу перетворювача числа фаз 5, забезпечує нормальну вихідну напругу навіть при зміні напруги генератора в 2 рази. Вихідна напругазмінного струму, що надходить до споживача, має синусоїдальну форму, вихідна частота становить 46-60Гц, що цілком достатньо для побутового використання. Електричний генератор має невеликі габарити і масу при досить великій потужності. Немає необхідності в окремому джерелі напруги збудження. Вихідна частота практично не залежить від швидкості обертання ротора генератора. Автономна вітроелектростанція малої потужності, що заявляється, порівняно проста за конструкцією, надійна в експлуатації, може бути виготовлена на стандартному обладнанні. трансформатора 7 більший у 7 Комп’ютерна верстка А. Рябко 13702 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601