Вітрова електрична установка

Винахід відноситься до нетрадиційних відновлюваних джерел енергії, а саме до вітроенергетики і може бути використаний у вітрових електричних та енергетичних установках (далі ВЕУ), які встановлюються на опорах або на повітроплаваючих апаратах. Відоме рішення вітротурбіни (1), що використовує більш великі швидкості повітряного потоку за рахунок застосування концентратора вітрового потоку. Така вітротурбіна включає до свого складу корпус з вхідним щілинним конфузором, за яким розташовані два ротори вітротурбін з паралельними осями та з можливістю обертання у протилежні боки, обтічник, вітрового потоку, який розташований за роторами. Недоліком цього пристрою є необхідність застосування повітряного гвинта (ротора) великого діаметру, що збільшує габарити конфузора. Недоліком цього пристрою є також мала величина коефіцієнту концентрації потужності потоку вітр у на площу кола, описаного повітряним гвинтом, що не дозволяє позитивним кількісним змінам перерости у якісні. Крім того, у цій вітротурбіні не визначені умови одержання максимальної потужності, що відбирається ротором від набігаючого потоку вітру, а тому не обумовлені засоби підтримки величини навантаження повітряного гвинта на рівні максимально можливої потужності, тобто нема адаптації навантаження до максимально можливої потужності повітряного гвинта. Найближчим за технічної суті до пристрою, що пропонується є вітроенергетична установка по авторському свідоцтву SU 1373858 [2], яка містить корпус з вхідним щілинним конфузором, за яким розташовані два ротори вітротурбін з паралельними осями та з можливістю обертання у протилежні боки, обтічник вітрового потоку, який розташований за роторами, і на якому встановлений (розсікач) вітрового потоку, що розділяє ротори вітротурбін і має вихор утворюючу кромку розташовану у конфузорі, а корпус на виході має два дифузори, кожний з яких розташований за Відповідним ротором та відокремлений від іншого поверхнею обтічника від зовнішнього середовища стінками корпуса. В наведеному пристрої застосована конструкція концентратора вітрового Потоку, яка з одного боку дозволяє зменшити габарити повітряного гвинта (далі ротора), а з другого - зводить нанівець цю перевагу за рахунок великих площ вхідного і ви хідного отворів (конфузора та дифузора). Необхідно також відмітити, що у конструкції цієї ВЕУ відсутні елементи захисту ротора від поривчастих та граничних вітрових потоків. Поставлена задача в запропонованій ВЕУ вирішена за рахунок того, що концентратор вітрового потоку уявляє собою крило аеродинамічного профілю, у лобовій кромці якого виконані додатковий концентратор вітрового потоку у вигляді щілинного конфузора, у найменшому перетині якого встановлені ротори вітротурбін таким чином, що їх лопаті заходять одна проміж одну з зазором з валами роторів, за роторами розташований дифузор, щ якому встановлений обтічник, що розділяє дифузор на два канали, які виходять на бокові поверхні крила, у стінках дифузора одразу за роторами вітротурбін виконані два щілинних канали, які виходять на бокові поверхні юрила, а пристрій зупинки роторів вітротурбін виконаний у вигляді двох закрилків, профіль поверхонь яких повторює поверхню конфузора, і які закріплені на бокових поверхнях останнього з можливістю узгодженого повороту навкруги точок їх закріплення. Виконання γ ВЕУ, концентратору вітрового потоку у вигляді крила аеродинамічного профілю та введення додаткового концентратору вітрового потоку у вигляді щілинного конфузору, дозволило з урахуванням відомої залежності величин швидкості вітрового потоку на лобовій кромці крила та на його бокових поверхнях (3) сформувати вітровий потік на роторах вітротурбін, швидкість якого набагато перевищує швидкість потоку, що набігає на лобову кромку крила. Введення у стінки дифузора одразу за роторами вітротурбін двох щілинних каналів, які виходять на бокові поверхні крила дозволило створити ежектор, який знижує тиск вітрового потоку одразу за роторами вітротурбін і тим самим сприяє збільшенню швидкості обертання роторів. Формування у дифузорі двох каналів, які виходять на бокові поверхні крила, дозволило створити додатковий ежектор, який знижує тиск вітрового потоку у ди фузорі і тим самим сприяє збільшенню швидкості обертання роторів. Крім того встановлення роторів вітротурбін таким чином, що їх лопаті заходять одна проміж одної з зазором з валами роторів дозволило зменшити (у порівнянні з прототипом) габарити пристрою. Введення двох закрилків, профіль поверхонь яких повторює поверхню конфузора, і які закріплені на бокових поверхнях останнього з можливістю узгодженого повороту навкруги точок їх закріплення, дозволило реалізувати як пристрій регулювання вітрового потоку так і пристрій зупинки роторів вітротурбін. Відомі рішення, у яких встановлені більш як одна вітротурбіна (4, 5). Однак у цих рішеннях відсутні концентратори вітрового потоку, які і дозволили реалізувати запропонований винахід з наведеними перевагами як у відношенні до прототипу, так і у відношенні до аналогів. Також відомі рішення, у яких вали роторів вітротурбін розташовані на відстані один від одного, яка менша за діаметр роторів і заходять один проміж одного з зазором з валами роторів (6, 7). Але ці рішення не мають пристрою концентрації вітрового потоку. Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому представлені два варіанти реалізації ВЕУ (ВЕУ наземного базування та ВЕУ, яка розташована на повітроплаваючому засобі): на Фіг.1 - блок-схема ВЕУ (варіант наземного базування); на Фіг.2 - загальний вид ВЕУ варіанту наземного базування; на Фіг.3 - перетин А-А по Фіг.2 і 6; на Фіг.4 - кінематична схема приводу закрилків; на Фіг.5 -; блок-схема ВЕУ (варіант базування на дирижаблі); на Фіг.6 - загальний вид варіанту базування ВЕУ на дирижаблі; Однакові елементи в обох варіантах базування мають однакові позиції. ВЕУ по варіанту наземного базування (див. Фіг.1-4) містить опору 1, на якій, на пристрої позиціювання 2, встановлено крило 3, у лобовій кромці 4 якого виконаний щілинний конфузор 5, у найменшому перетині якого встановлені ротори 6 і 7 вітротурбін 8 та 9, які кінематично зв'язані з генераторами 10 та 11. Вали генераторів 10 та 11 з'єднані з валами роторів 6 та 7 відповідно напівмуфтами ( на кресленні не показані) та з датчиками обертів 12 та 13. На боковій поверхні 14 (або 15) крила 3 встановлені датчики швидкості вітру 16 та напрямку вітру 17. Пристрій позиціювання 2 реалізований на підшипнику 18, який, наприклад, зубчастою передачею 19 зв'язаний з приводом 20 та датчиком позиціювання 21. За роторами 6, 7 відповідно виконані канали 22, 23, які виходять на бокові поверхні 14 та 15 крила 3, а далі послідовно розташовані дифузор 24, у якому встановлений обтічник 25, який розділяє дифузор 24 на два канали 26 та 27. Канали 26, 27 виходять на бокові поверхні 14 та 15 крила 3. На бокових поверхнях конфузору 5 шарнірно закріплені закрилки 28, 29, які кінематично зв'язані, наприклад, через черв'ячну передачу 30 і редуктор 31 з приводом 32. Генератори 10 та 11 вітротурбін 8 та 9 електрично з'єднані з навантаженням за допомогою силових кабелів 33 через блок автоматів 34 (включення-відключення вітротурбін 8 та 9), блок датчиків потужності 35 та блок релейного захисту 36, встановлені в ша фі силовій 37. Керування ВЕУ здійснюється системою керування 38 та блоком задатчиків 39. Електричне живлення від мережі живлення (380В 50Гц; 220В 50Гц) надходить на блоки автоматів 34 і релейного захисту 36 безпосередньо, а на систему керування 38 та блок задатчиків 39 через блок живлення 40, а на привод 32 закрилків 28, 29 через блок живлення 41. Електричний зв'язок системи керування 38 з датчиками 12, 13, 16, 17, 21 та 35, блоками автоматів 34 та релейного захисту 36, а також з приводами закрилок 32 та пристрою позиціювання 2 здійснюється за допомогою сигнального кабелю (на кресленні показаний у вигляді окремих провідників - див. Фіг.1) Блок задатчиків 39 складається із потенціометричних задатчиків, або задатчиків іншого типу, задавальні сигнали від яких надходять на входи системи керування 38. ВЕУ по варіанту базування на повітроплаваючому засобі (див. Фіг.5, 6, 3) містить опору 1, дирижабль, виконаний у вигляді крила 3, яке з'єднане тросовою системою 42 з лебідкою 43, кінематично зв'язаною з приводом 44 та датчиком висоти 45, встановленими на опорі 1. У задній кромці 46 крила 3 встановлені рульові поверхні 47 з приводом 48. У всьому іншому ВЕУ по варіанту базування на повітроплаваючому засобі конструктивно не відрізняється від першого варіанту. ВЕУ у всіх варіантах виконання забезпечує такі режими роботи: а) запуск ВЕУ; б) режим вироблення електричної енергії; в) зупинка ВЕУ. У режимі запуску ВЕУ (варіант наземного базування) працює таким чином. Спочатку подають живлення на систему керування 38, і вона через свій мікропроцесор формує сигнал пуску. Якщо сигнали датчика напрямку вітру 17 і датчика позиціювання 21 показують різність у напрямках вітру і орієнтації горизонтальної повздовжньої вісі крила 3 (задана програмою різність рівней сигналів), то система керування 38 формує управляючий сигнал на привод 20, що дозволяє змінити орієнтацію крила 3 таким чином, щоб вектор вітрового потоку, що набігає, збігався з горизонтальною повздовжньою віссю крила 3. Ця орієнтація па вітер контролюється та піддержується за вищеописаним алгоритмом з визначеною періодичністю системою керування 38. Далі система керування 38 формує сигнал запуску приводу 32, який через редуктор 31, та черв'ячну передачу 30 встановлює закрилки 28, 29 у положення А (див., наприклад, Фіг.3), відкриваючи ротори 6 та 7 вітровому потоку що набігає. У даному стані ВЕУ готова до запуску у роботу і, при досягненні швидкості вітру рівня включаючої, система керування 38 з визначеною вибраною періодичністю починає опитувати датчики обертів 12, 13 генераторів 10 та 11, які контролюють швидкість їх обертання. При досягненні швидкості обертів генераторів 10 та 11 величини, що відповідає заданій потужності (завдання здійснюється через блок задатчиків 39) система керування 38 формує сигнал на включення блока автоматів 34 і контролює по сигналам датчиків потужності 35 досягнення заданого рівня потужності. У даному стані ВЕУ вийшла на режим вироблення електричної енергії і може бути підключена до навантаження (наприклад, до промислової мережі). У режимі вироблення електроенергії система керування 38 із завданою періодичністю отримує інформацію від датчиків напрямку вітр у 17, швидкості вітру 16, обертів 12 та 13, потужності 35, позиціювання 21 і за їх даними керує відповідними виконавчими механізмами, підтримуючи завданий рівень потужності, яка генерується, а саме - по її керуючим сигналам: - привод 20 підтримує орієнтацію крила 3 у напрямку вітрового потоку; - привод 32 закрилків 28, 29, змінюючи їх положення від початкового (положення В) може екранувати або відкривати ротори 6, 7, змінюючи ефективність використання вітрового потоку, що набігає. В цьому режимі система керування 38 також отримує інформацію від блока релейного захисту 36, який містить реле перевантаження по струму, по напруженню, по температурі обмоток генераторів 10 та 11 (на кресленні не наведені). В цьому режимі можна змінювати завданий рівень вироблення потужності ВЕУ відповідними потенціометрами блока задатчиків 39, по сигналам якого система керування 38, діючи на привод 32 може відпрацьовувати нове завдання. У режимі зупинки ВЕУ працює таким чином. Система керування, отримавши управляючий сигнал від блока задатчиків 39, керуючи приводом 32, переводить закрилки 28, 29 в положення Г (див. Фіг.3), екрануючи ротори 6 та 7 від дії вітрового потоку, а потім вимикає блок автоматів 34, вимикаючи тим самим вітротурбіни 8 та 9 від навантаження. Цей режим також може бути реалізований і у випадку аварійних ситуацій: - токового перенавантаження; - перенавантаження по напрузі; перевищення температури обмоток генератора (граничної - зазначеної у технічних умовах); - граничних швидкостей вітрового потоку. Ці сигнали поступають на систему керування 38 від блока релейного захисту 36 і система керування 38 аналогічним чином екранує ротори 6 та 7, і зупиняє вітротурбіни 8, 9. Аналогічно реалізується режим зупинки ВЕУ при граничних швидкостях вітру, які визначаються по сигналу від датчика швидкості вітру 16, який надходить на інформаційний вхід системи керування 38. У режимі запуску ВЕУ (варіант базування на повітроплаваючому засобі) працює таким чином. Спочатку подають живлення на систему керування 38, блок задатчиків 39 і через блок живлення 41. Одним з потенціометрів блока задатчиків 39 задають висоту підняття дирижабля 3 і система керування 38 через свій мікропроцесор формує сигнал пуску приводу 44 лебідки 43 і дирижабль 3 (заповнений, наприклад, гелієм) підіймається на завдану висоту, яка контролюється датчиком висоти 45. Якщо сигнал датчика напрямку вітру 17 показує відмінність у напрямках вітр у і орієнтації горизонтальної повздовжньої вісі дирижаблю 3, то система керування 38 формує управляючий сигнал на привід 48 рульових поверхонь 47, що дозволяє змінити орієнтацію дирижаблю 3 таким чином, щоб вектор вітрового потоку, що набігає, збігався з горизонтальною повздовжньою віссю дирижабля 3. Ця орієнтація на вітер контролюється та підтримується за вищеописаним алгоритмом з визначеною періодичністю системою керування 38. Як вітротурбіии 8 та 9 можуть бути використані установки з роторами барабанного типу, роторами Дар'є або Савоніуса (див. 3 - с.26, 27) з асинхронними або синхронними генераторами. Як датчик напрямку вітр у 17 може бути використаний давальник Wind Vane 200PNRG Systems 1-10796901 виробництва фірми "Кенетех Уиндпауер", а як датчики швидкості вітру 16 - Anemometer 040 NRG Systems 1-107968-02 тієї ж фірми. Система керування 38 може бути реалізована на базі пристрою керування Уг 3.035.159 виробництва КБ "Радіозв'язок", або ДНВО "Електронмаш". Система захисту та передавання енергії (блоки 34 та 36) у навантаження може бути реалізована на базі шафи керування Уг 4.100.003 виробництва ДНВО "Електронмаш". Як лебідки 43 з керуючим приводом 44 можуть бути використані лебідки суднові вантажні по ГОСТ 1261778. Рульова поверхня 47 з приводом 48 може бути реалізована на базі тримерів та керуючих ними рульових механізмів, наприклад, літаків АН-10, ЯК-40 та інше. Як датчики обертів 12 та 13 можуть бути використані стандартні тахометри. Як датчики потужності 35 можуть бути використані датчики потужності Уг 2.720.000 виробництва КБ "Радіозв'язок" або ДНВО "Електронмаш". Позиції креслення (інформація для довідки) 1 - опора; 2 - пристрій позиціювання; 3 - крило; 4 - лобова кромка крила; 5 - щілинний конфузор; 6, 7 - ротори вітротурбін; 8, 9 - вітротурбіни; 10, 11 - генератори; 12, 13- датчики обертів генераторів; 14, 15 - бокові поверхні крила 3; 16 - датчик швидкості вітру; 17 - датчик напрямку вітр у; 18 - підшипник; 19 - зубчаста передача; 20 - привід позиціювання; 21 - датчик позиціювання; 22, 23 - канали; 24 - дифузор; 25 - обтічник; 26, 27 - канали; 28, 29 - закрилки; 30 - черв'ячна передача; 31 - редуктор; 32 - привід закрилків; 33 - силові кабелі; 34 - блок автоматів; 35 - блок датчиків потужності; 36 - блок релейного захисту; 37 - шафа силова; 38 - система керування; 39 - блок задатчиків; 40, 41 - блоки живлення; 42 - тросова система; 43 - лебідка; 44 - привід лебідки; 45 - датчик висоти; 46 - задня кромка крила; 47 - рульова поверхня; 48 - привід рульової поверхні Джерела інформації 1. Патент США 4074951, кл. 415-2 "Ветроэнергетическая установка". 2. А.с. SU1373858 FO3D1/04, 14. 08. 1986г. "Ветроэнергетическая установка". 3. Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо. Перевод с английского под ред. Шефтера. M., Энергоатомиздат, 1982г. УДК 621548. 4. А.с. SU1783143, FO3D3/02, 7/00, 12. 02. 1991г. "Ветроагрегат". 5. А.с. SU1793096, FO3D5/00, 09. 08. 1990г. " Ветроэнергетическая установка". 6. Патент RU2139442, FO3D7/02, 10. 10. 1999г. "Энергетический комплекс трехвального ветродвигателя" 7. Патент RU2139443, FO3D7/02, 23. 06. 1998г. "Энергетический комплекс трехвального ветродвигателя"