Безредукторний вертикальноосьовий вітроагрегат

Безредукторний вертикальноосьовий вітроагрегат, що має структуру лінійного генератора і C2 2 (19) 1 3 До бічних поверхонь роторів прикріплені вертикальні вітроприймальні лопасті. Механічний опір, що виникає при русі кільцевих роторів зменшується шляхом магнітного підвішування кожного ротора. Для створення сил підвісу застосовані електромагніти, розташовані вище за ротор. Повітряні зазори, що утворюються при роботі магнітних сил між площинами активних елементів, контролюються за допомогою системи управління. Недоліком аналога є те, що на підвіс (зменшення ваги) кільцевих роторів витрачається частина електроенергії, що виробляється установкою. Крім того, підтримка стійких повітряних зазорів здійснюється за допомогою складної системи управління, швидкість реакцій якої не гарантує своєчасної позиційної корекції роторів. Найближчим технічним рішенням до того, що заявляється, і узятим як прототип, є безредукторний вітроагрегат [по пат. РФ №2037070, МПК7 F03D5/04, 3/06, Опубл. 09.06.95г., Бюл.№18, авторов Молькова В.Ф., Соколова Ю.Д. и др.] з вертикальною віссю обертання, що містить розташовані по колу опорні стійки зі встановленими на них кільцевими площадками статорів. Тороподібні роторні блоки, виконані з феромагнітного матеріалу, постачені опорно-ходовими вузлами і вітроприймальними лопастями. На поперечних балках стійок статорів укріплені електромагніти, розташовані над роторами і звернені до них полюсними гранями. При включенні електроживлення ротори притягуються до магнітів. При цьому «спливають» всі блоки. Таким чином зменшується тиск опорноходових вузлів на поверхню кільцевої площадки, що знижує втрати на тертя. Зазори (кліренси), що утворилися, підтримуються постійними за величиною системою управління по сигналах від датчиків. До недоліків прототипу можна віднести наявність великого моменту трогання, а також те, що зменшення внутрішніх втрат енергії при роботі здійснюється за рахунок витрати вихідної потужності і те, що нестійкість повітряних зазорів при левітації роторів коректується системою управління, яка додатково споживає мережну електроенергію і має велику складністю та вимагає обслуговування. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача підвищення чутливості вітроагрегата до слабких вітрових тисків шляхом зменшення моменту трогання і підвищення сталості руху ротора при левітації за рахунок автоматичної стабілізації величини повітряного зазора між рухомими і нерухомими площинами. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованому безредукторному вертикальноосьовому вітроагрегаті, що містить статор у вигляді естакади, яка складається з опорних стійок і кільцевих площадок і ротор, постачений опірноходовим вузлами, і з'єднаний з вітроприводом, а також джерела магнітного поля і індуктори, згідно винаходу вітропривод складається з вітроколеса, встановленого на трансмісійному валу і сполученого з радіальною системою траверс, джерела магнітного поля у вигляді супермагнітів встанов 86142 4 лені на роторі вітроагрегата в зонах розміщення опірно-ходових вузлів, а індуктори позбавлені осердь і виконані у вигляді плоских котушок з феромагнітним підшарком без внутрішнього отвору; крім того він забезпечений автономним розвантажувальним пристроєм для забезпечення магнітного підвісу ротора, розміщеним в повітряному об'ємі між опорними стійками і містить жолобоподібний кільцевий трек, виконаний з діамагнітного матеріалу та укріплений на карусельній рухомій опорі з системою додаткових вітроприймальних лопастей, встановлених по зовнішньому обводу трека. Рішення задачі розвантаження опорноходових вузлів для зменшення втрат енергії на тертя здійснюється шляхом введення другого вітроколеса, робота якого не використовується для виробництва електроенергії, а йде тільки на зменшення ваги ротора. Таким чином, пристрій, що патентується, складається з основного робочого вітроколеса, обертаючого генератор і додаткового, обертаючого тільки розвантажувач - рухомий опірний диск. В ролі основи вітропривода в пристрої, що патентується, використано вітроколесо типа Дар'є або Савоніуса, момент з якого передається через трансмісію і траверси на магніти лінійного генератора. Генератори цього типу мають менший опір троганню і меншу інерцію роторного вузла, а також відрізняються відносно невеликими діаметрами роторів. Такими, що ще зберігає значення прямий тяговий зв'язок обода ротора із загальною центральною віссю, але вся конструкція вже набуває громіздкості і її спирання на естакаду, загострюється помітними фрикційними втратами. Для цього класу ВЕУ магнітний підвіс ротора найбільш актуальний. Поєднання в одній конструкції вертикальноосьових ВЕУ і магнітоелектричних генераторів дає можливість розробити клас середніх по потужності і габаритам пристроїв з підвищеною реакцією на вітер. Розвантажувач є автономним пристроєм, що працює від вітропривода, не пов'язаного з основним вітроколесом. Він використовує енергію віддалених повітряних струменів, які рухаються в стороні від основного напірного потоку, тому його робота не позначається на балансі перетворення енергії ВЕУ. Тим часом, розкручування ротора в прототипі і аналогічних агрегатах виконується за рахунок витрати внутрішніх резервів електроенергії, оскільки для цих цілей використовуються електромагніти. Розвантажувач зменшує вагу ротора ще до початку роботи основного вітроколеса, оскільки завдяки його роботі спливають всі елементи ротора, сполучені в єдину конструкцію. Тому фаза трогання не вимагає стартових витрат енергії. Таким чином, введення в структуру вітроустановки розвантажувача пом'якшує вагові обмеження, що накладаються на ротор і дає можливість встановити на ньому магніти збудження. А цей спосіб розміщення магнітів найбільш ефективний, оскільки дає можливість використовувати обидва полюси, застосовувати різнополюсное укладання магнітних брусків без втрати сили левітації і т.п. 5 При великій швидкості обертання каруселі магніти ротора можуть левітувати над треком, втрачаючи з ним механічний зв'язок. В цьому режимі на траєкторії їх утримує система кріплення до валу і сили, діючі із сторони увігнутої площини трека на опуклу поверхню нижніх полюсних граней. Ці сили здатні гасити вібрації і коливання окремих магнітів, що поступили як з боку валу, так і унаслідок локального розбалансу зйому потужності. Вживання плоских котушок галетного типу може дати можливість за відсутністю осердь повніше утилізувати енергію магнітного потоку від супермагнітів. Витки в такій катушці розподілені не по висоті, а по площині, заповнюючи практично весь простір, звичайно займаний осердям. Крім того відпадає необхідність в моніторингу розмірів повітряного зазора, оскільки тяжіння магнітів до котушок відсутнє. Зазор встановлюється сам залежно від балансу діючих сил і підтримується шляхом стабілізації режимних параметрів. Як наслідок автокорекції скасовується система управління. Джерела магнітного поля встановлені на роторі і безпосередньо діють на індуктори, а не через магнітопровід, як в прототипі. Розсіяння поля при цьому зменшується. Для додаткового збільшення густини потоку через котушки можна під витками встановити феромагнітні пластини. Феромагнітний підшарок перерозподілить густину потоку індукції на користь нормальної до площини котушки компоненти. Така компоновка відрізняється від варіанту з осердею тим, що мідна обмотка екранує магніти і запобігає небезпеці залипання їх на модулях при небезпечному зближенні на максимумі розкручування. Таким чином всі відмітні ознаки вносять свій вклад в здійснення поставленої задачі. За відомостями, що є у авторів, запропоновані суттєві ознаки, що характеризують суть винаходу, не відомі в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні ВЕУ середньої потужності для регіонів із слабкими вітрами. Критерій «промислове вживання» підтверджується актуальністю проблематики на сучасному етапі розвитку вітроенергетики і його практичною прив'язкою до реальної енергетичної ситуації в Україні. Принцип роботи пристрою, що патентується, ілюструється малюнками. На Фіг.1 зображена кінематична схема ВЕУ середньої потужності; на Фіг.2 - поперечний переріз маточини ротора. Робоче вітроколесо 1 (Фіг.1) встановлене на трансмісійному валу 2. Вал зафіксований у вертикальному положенні двома підшипниковими вузлами. Вітроколесо розчалено для чого верхній вузол 3 з'єднаний фермами 4 з горизонтальним площадками естакади 5. Нижній підшипниковий вузол 6 вмонтований в площадку 5 і є опорним, приймаючим на себе вагу вітроколеса. Вал забезпечений хвостовиком 7, який проходить крізь вузол 6 і стикується з маточиною 8 системи траверс 9 ротора, поєднуючих круговий ланцюжок постійних магнітів 10 ротора з віссю. Кожний магніт жорстко з'єднаний з кронштейном 11, який оснащений роликами 12, що обпираються на кільцеву площа 86142 6 дку естакади 13. На нижній площині площадки 5 встановлені модулі 14 генератора, що складаються з галетних котушок індуктивності з феромагнітним підшарком. Вони включені в мережу споживацького навантаження (не показана). Естакада містить бетонні опори 15, за допомогою яких вітрогенератор піднятий над землею для утворення великого повітряного об'єму під ротором установки. В цьому об'ємі установлений автономний розвантажувальний пристрій для забезпечення магнітного підвісу ротора. Він складається з жолобоподібного кільцевого трека 16, який спирається на кінці жорстких ферм і виконаний з діамагнітного листового матеріалу. Ферми сходяться в центральній частині в опорно-підшипниковий блок 18, вмонтований в опорну колону 19. Ця карусельна конструкція оснащена системою вітроприймальних лопастей 20, встановлених по зовнішньому обводу трека. На Фіг.2 приведений поперечний розріз маточини 8 ротора. Маточина 8, жорстко сполучена з радіальною системою траверс 9, має зчеплення з рухливим хвостовиком валу 7 в горизонтальній площині і може переміщатися по ньому у вертикальному напрямі. Функціонально вона є силовим вузлом, що приймає крутильний момент від валу, а також забезпечує можливість позиційного зсуву ротора в робочому режимі. Пристрій працює в такий спосіб. При виводі ВЕУ на робочий режим використовується велика різниця в моментах трогання, конструктивними особливостями надана двум вузлам, що рухаються: ротору ВЕУ і розвантажувачу. Ротор має значний момент трогання, обумовлений великою масою магнітної групи і істотним сумарним тертям, супроводжуючим рух роликів по кільцевій площині естакади. Розвантажувальний вузол має значно меншу масу і дуже малий фрикційний опір. Тому він розкручується раніше ротора і при меншому критичному вітрі, ніж цього вимагає ротор. І зменшуючи його вагу, примушує до зачеплення. Одержуючи від своєї незалежної системи лопастей 20 обертаючий момент, карусельна опора розкручується, відчого поверхня трека 16, звернена до нерухомих полюсних граней супермагнітів 10, набуває великої швидкості. В результаті цього магніти відчувають дію вертикальної підйомної сили і їхня вага зменшується. Ця сила може при великих швидкостях розкручування перевищувати силу тяжіння і ротор стане зміщуватися вгору, оскільки муфта 8 має змогу ковзати по хвостовику 7 валу. При цьому магніти будуть левітувати над треком, утримувані на траєкторії деталями фіксації валу, а їх можливі коливання і вібрації гаситимуться додатковими коректуючими силами, діючими із сторони увігнутій площині трека на опуклу поверхню нижніх полюсних граней. Схема пристрою, що патентується, може бути здійснена в двох модифікаціях: із злагодженим обертанням ветроколеса і каруселі і із стрічним їх обертанням. Модифікації реалізуються шляхом різноспрямованої або односпрямованої орієнтації лопастей двох вітроколес. При злагодженому обертанні у фазі розкручування розвантажувальної каруселі на магніти ро 7 тора окрім підйомної сили діє також сила електродинамічного гальмування, яка складаючись з привідним імпульсом, одержуваним ротором від основного вітроколеса, захоплює ротор і дає можливість розігнати його навіть при слабких поривах вітру. Це тим більш легко, що опорно-ходові вузли розвантажені і не чинять істотного тиску на кільцеву площину. Проте збільшення обертів вітроколеса веде до зменшення швидкості відносного руху (швидкості віднімаються) і до падіння підйомної сили. Величина сили левітації в цій модифікації пропорційна різниці швидкостей і має тенденцію до їх зрівнювання на основі взаємного гальмування або прискорення силами магнітного зчеплення. Тому з наближенням швидкості ротора до робочого значення карусель загальмовують. При цьому сила підпору зберігається завдяки великій швидкості руху магнітів щодо поверхні жолоба, забезпечуючи мінімізацію внутрішніх сил опору обертанню. Аретирування карусельної опори веде до деяких вторинних труднощів, наприклад, до необхідності зменшувати вітрове навантаження, небезпечне для вітроколеса, що стоїть (шляхом зміни кута атаки лопатей, або переводу їх в горизонтальну площину, або виведенню з-під вітру і т.п.). Виникає також необхідність в гальмі великої сили, яке спрацьовувало б по критичному параметру (швидкості обертання ротора, наприклад), або просто від таймера. Ця модифікація може бути ефективна при сильних вітрах. При стрічному обертанні швидкість відносного руху рівна сумі швидкостей. Тому при слабкому вітрі (або в тихохідних моделях вітроколес) сила левітації забезпечується на найраніших фазах розкручування. Проте сила електродинамічного гальмування направлена стрічно напряму розкручування ротора. Для нейтралізації цього недоліку достатньо збільшити початкову величину зазора, 86142 8 використовуючи відому залежність: сила левітації падає повільніше при збільшенні кліренсу, ніж сила гальмування. Ця конструкція не потребує гальма для розвантажувача, оскільки він може працювати постійно після першого пуску. Дану модель ВЕУ можна зробити рентабельною при дуже слабких вітрах. Нерухома струмопровідна площадка, розміщена під магнітною групою ротора, може дати корисний розвантажувальний ефект, що має причину тільки в обертанні ротора. Якщо ж розвантажувач має можливість власного руху і незалежний привід, то його силова дія на ротор розширює діапазон умов, придатних для нормальної роботи вітрогенератора. Таким чином, ВЕУ, постачена додатковим вузлом з автономною енергоперетворюючою системою карусельного типу, не пов'язаною з основним вітроколесом, одержує розділення енергоприводів на робочий і розвантажувальний. Це дає можливість полегшити ротор пристрою, зменшивши стрічно діючою силою вагу магнітних блоків (і тиск з їх сторони на роликові катки). Ступінь відстані ротора від трека залежить тільки від швидкості взаємного обертання і не вимагає контролю та управління. Сталість динаміки ротора є наслідком автокорекції. Розвантажувача можна вважати допоміжним пристроєм, на роботу якого не затрачається енергія, вироблена основним механізмом, або узята з енергомереж. Розвантажувальний пристрій, що патентується, може входити до складу ВЕУ різних типів. Проте в легких (малопотужних) ВЕУ краще використовувати модифікацію розвантажувача з нерухомим треком, у важких надпотужних ВЕУ вони реалізуються в громіздких формах. Найбільшу ефективність вони мають у вертикальноосьових безредукторних модифікаціях ВЕУ середньої потужності. 9 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 86142 Підписне 10 Тираж 28 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