Богатомашинна вертикально-осьова вітроелектрична установка з механічною редукцією швидкості

Реферат: Багатомашинна вертикально-осьова вітроелектрична установка з механічною редукцією швидкості містить вітроколесо з лопатями, що й приводяться від них у дію генераторами. Установка містить робоче вертикально-осьове вітроколесо з лопатями й певну кількість електрогенераторів, сумарна потужність яких дорівнює потужності багатомашинної вітроелектричної установки. Ці генератори встановлені в основу вітроелектричної установки на нерухомій платформі, а їх рухомі частини приводяться в обертання від вітроколеса через механічний пристрій. При цьому забезпечується мультиплікація, величина якої визначається співвідношенням діаметрів дотичних елементів робочого колеса й генератора. При цьому робоче колесо встановлюється на платформі на магнітному підвісі й центрується за допомогою валів, здатних обертатися навколо власної осі. UA 88140 U (12) UA 88140 U UA 88140 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вітроенергетики й може бути використана при виробництві електроенергії для постачання великих автономних об'єктів або передачі електроенергії в загальну мережу. Відомі два основні класи вітроелектричних установок (ВЕУ), описані в книзі Фатеєва Є.М. "Вітродвигуни і вітроустановки". - М.: Сельхозгиз, 1948. - 544 с. Перший - це ВЕУ пропелерного типу з горизонтальною, а другий - з вертикальною віссю обертання. Кожному із цих ВЕУ притаманні свої переваги й недоліки. Так, ВЕУ першого типу мають високий ККД, але потребують спеціальних пристосувань для установки за вітром. ВЕУ другого типу не потребують певної установки їх за вітром, але мають менший ККД і потребують застосування спеціальних пристроїв для їхнього запуску. Невід'ємним елементом двох цих типів ВЕУ є мультиплікатор, який забезпечує необхідну швидкість обертання електрогенератора. Крім того, у цих типах ВЕУ встановлюється, як правило, один генератор, що виробляє електроенергію. Звісно, що кращою буде ВЕУ, яка поєднувала б переваги названих двох типів і виключала їхні основні недоліки. Відома ВЕУ пропелерного типу з горизонтальною віссю обертання й трьома електричними генераторами (Н.С. Голубенко, В.Є. Олішевская, С.Д. Курдюков і інш. "Вітрова електрична турбогенераторна установка ТГ-750, опубл. у сб. Наука й інновації. 2008, Т4. № 6. С. 71-77), прийнята як прототип для запропонованого технічного рішення. Вона містить вежу, маточину, обтічник і три лопаті пропелерного типу, при цьому на кожній із цих лопатях встановлюється окремий генератор зі своєю турбіною й обтічником. Таким чином, у ній реалізується принцип аеродинамічної редукції швидкості обертання й розподілу всієї потужності ВЕУ на три частини. Недоліками вітроустановки, прийнятої за прототип, є складність конструкції, велика нестаціонарність аеродинамічних сил, що діють на окремі турбіни при зміні їх положення в просторі, ненадійність у роботі, низькі експлуатаційні характеристики. В основу корисної моделі поставлена задача поліпшення експлуатаційних характеристик ВЕУ, збільшення ККД, підвищення її надійності. Поставлена задача вирішується тим, що у вітроелектричній установці (ВЕУ), яка містить робоче вертикально-осьове колесо з лопатями, а також певну кількість електричних генераторів, сумарна потужність яких визначає задану потужність ВЕУ, ці генератори, згідно з корисною моделлю, встановлюються в основу ВЕУ на нерухомій платформі, а їх рухомі частини через механічний пристрій приводяться в обертання від вітроколеса, при цьому забезпечується мультиплікація (збільшення швидкості обертання генераторів), величина якої визначається співвідношенням діаметрів дотичних елементів робочого колеса й генератора. Запропонована корисна модель дозволяє спростити конструкцію вітроелектричної установки за рахунок розміщення всієї електричної частини на нерухомій основі й відмови від пристрою струмознімання, підвищити надійність за рахунок розподілу потужності ВЕУ між окремими генераторами, а також розширити діапазон робочих швидкостей вітрового потоку й спростити керування шляхом зміни числа включених у роботу під навантаженням генераторів. Конструктивна схема багатомашинної ВЕУ, що заявляється, представлена на кресленнях в поздовжньому (фіг. 1) і в поперечному перерізах (по А-А, фіг.2). На фіг. 3 у збільшеному масштабі показана схема вузла зчленування обертових елементів перетворювача енергії. Уся активна частина ВЕУ, у якій відбувається перетворення механічної енергії руху вітроколеса в електричну, розташовується на основі 1, яка може бути встановлена в спеціально підготовленому котловані на піднесеній ділянці місцевості. Основними елементами цього перетворювача є електрогенератори, нерухомі статори 5 яких розташовуються на основі 1, а їх ротори 7 входять у зачеплення й приводяться в обертання диском 6. Цей диск, у свою чергу, є частиною робочого колеса 3, механічно пов'язаного з вітроколесом 9 ВЕУ, і має форму переверненої чаші. Своєю нижньою основою робоче колесо 3 розташовується в підп'ятнику 2, при цьому воно обпирається на магнітний підвіс (М) 16. Центруючі валики 4, здатні обертатися навколо власної осі, охороняють робоче колесо 3 від радіального зсуву щодо корпусу 1, а потужні сегменти 15, закріплені на периферії корпуса 1, несуть у своїй конструкції постійні магніти магнітної системи 14 і охороняють робоче колесо 3 від вертикального зсуву в процесі роботи. Постійні магніти, що становлять магнітні системи 14 і 16, завжди розташовуються один до одного однойменними полюсами, так що діючі між ними магнітні сили перешкоджають взаємному зближенню й зіткненню обертових і нерухомих елементів ВЕУ. На кресленнях позначені також: 8 - нерухомий вал; 9 - лопать вітроколеса; 10 направляючий апарат для вітрового потоку; 12 поперечна тяга вітроколеса; 13 - опора вітроколеса. Працює ВЕУ в такий спосіб. 1 UA 88140 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Вітровий потік, що має швидкість v, сприймається елементами направляючого апарата 10 і надходить на лопаті 9, приводячи через них у рух вітроколесо, яке обертається зі швидкістю n1 щодо вала 8 завдяки підшипниковим вузлам 11. Вітроколесо, будучи жорстко зв'язаним через опори 13 з робочим колесом 3, приводить його в обертання з такою ж швидкістю n1, а робоче колесо через диск 6 передає обертаючий момент на всі обертові частини (ротори) генераторів, розташованих у внутрішньому просторі робочого колеса 3. Магнітне поле магнітної системи обертових роторів 7 індукує в обмотках нерухомих статорів 5 ЕДС, яка й визначає величину напруги на виході генераторів. Струм обмотки статора кожного генератора визначається величиною й характером навантаження, що підключається до нього, і може регулюватися від нуля до встановленого номінального значення, а паралельна робота всіх цих генераторів або їх частини забезпечується спеціальною системою керування. Важливо відзначити тут, що швидкість обертання роторів 7 суттєво відрізняється від швидкості обертання робочого колеса 3 і ця різниця визначається коефіцієнтом редукції Кр, або співвідношенням діаметрів Dд приводного диска 6 і dв вала ротора 7. Якщо, наприклад, Dд=100 м, а dв=0,1 м, то коефіцієнт редукції рівний Кр=Dд/dв=100/0,1=1000, тобто при обертанні вітроколеса зі швидкістю n1, швидкість обертання ротора генератора досягає значення n2=Кр n1, так що при швидкості, наприклад, n1=1 об/хв, n2=1000 об/хв. Це визначає можливість без додаткових пристроїв використовувати промислові генератори постійного або змінного струму вертикального виконання відповідної частоти обертання. Загальна встановлена потужність такої ВЕУ визначається сумарною потужністю встановлених генераторів. Якщо, наприклад, на периметрі робочого диска розташовується 100 генераторів по 100 кВт кожний, то загальна потужність ВЕУ складе 10000 кВт. Ясно при цьому, що через велику різницю в концентрації потоків енергії вітру, що діє на лопаті, і електромагнітного поля в генераторах гранична потужність ВЕУ буде обмежуватися тільки аеродинамічними характеристиками вітроколеса. Безсумнівною перевагою багатомашинної ВЕУ, що описується, є її винятково висока живучість відносно електричної частини; вихід з ладу одного або частини встановлених у ній генераторів не позначається на працездатності ВЕУ в цілому, тому що генератори, що залишилися в роботі, забезпечать електропостачання споживачів. До винятково важливих конструктивних і експлуатаційних переваг слід віднести відсутність струмознімальних ковзних контактів в електричній частині ВЕУ. До того ж описане дроблення електричної потужності забезпечує високу гнучкість керування ВЕУ, у тому числі - її запуск при включенні окремих генераторів у руховий режим. Залежно від швидкості вітру й потужності на вітроколесі для зміни електричної потужності на виході ВЕУ є можливість варіювати числом працюючих під навантаженням генераторів, підтримуючи ККД кожного з них на номінальному рівні, а функція підтримки швидкості обертання вітроколеса і частоти струму, що виробляється, додатково забезпечується зміною кута установки лопатей. Що ж стосується зручності обслуговування, то очевидно, що весь вільний обсяг простору під робочим колесом може бути використаний для розміщення допоміжного устаткування, засобів контролю й вимірів, а також для забезпечення ремонту електроустаткування без зупинки ВЕУ. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Багатомашинна вертикально-осьова вітроелектрична установка з механічною редукцією швидкості, що містить вітроколесо з лопатями, що й приводяться від них у дію генераторами, яка відрізняється тим, що вона містить робоче вертикально-осьове вітроколесо з лопатями й певну кількість електрогенераторів, сумарна потужність яких дорівнює потужності багатомашинної вітроелектричної установки, при цьому ці генератори встановлені в основу вітроелектричної установки на нерухомій платформі, а їх рухомі частини приводяться в обертання від вітроколеса через механічний пристрій, причому забезпечується мультиплікація, величина якої визначається співвідношенням діаметрів дотичних елементів робочого колеса й генератора, при цьому робоче колесо встановлюється на платформі на магнітному підвісі й центрується за допомогою валів, здатних обертатися навколо власної осі. 2 UA 88140 U 3 UA 88140 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4