Вітроенергоустановка з карусельним генератором

Вітроенергоустановка з карусельним генератором, що містить вертикальноосьове вітроколесо C2 2 (19) 1 3 стає все більш істотним при зростанні габаритів вітроколеса. Компенсація наслідків вказаного недоліку проводиться звичайно в кінематичних вузлах вітроустановок. Відомий вітроагрегат сегментного типу за пат. RU №2286478, МПК6 F03D 9/00, автор Литвиненко A.M., патентовласник Воронезький державний технічний університет, пріоритет від 31.01.2005, опубл. 27.10.2006, який містить башту, вітроколесо з горизонтальною віссю та сегментний генератор. Башта має дугоподібну основу. Лопаті вітроколеса сполучені роторним елементом, що має магнітний контакт з елементом статора, укріпленим на основі. Основним недоліком аналога можна вважати те, що при рівномірному обертаючому моменті на валу відбір енергії в мережу проводиться дискретними порціями, що веде до порушення плавності обертання вала, який має імпульсний характер і не знімається компенсаційними заходами. Крім того, багатофункціональність вітроприймальних пристроїв, як правило, веде до помітного ослаблення основної функції - енерговідбору. Найбільш близьким рішенням до того, що заявляється, узятим як прототип, є "Опорний вузол ротора вітроенергоустановки" за патентом України № 86143 по заявці а2007 08837, МПК(2009) F03D 11/00, 3/00, автори Дзензерський В.О., Тарасов СВ., Костюков І.Ю., Буряк О.А., пріоритет 31.07. 2007, заявка опубл. 10.02.2009 бюл. № 3, патент опубл. 25.03.2009, бюл. № 6. Описаний в патенті пристрій містить вітроколесо, естакаду та електрогенератор. Вітроколесо закріплене на трансмісійному валу. У верхній частині вал фіксується за допомогою підшипникового вузла, а хвостовик спирається на підшипник в лунці. Вал забезпечений диском з діамагнітного матеріалу. По периферичному кільцю в нього вмонтовані бруски постійних магнітів. Диск розміщений в зазорі між двома ярусами платформи. Верхній ярус оснащений круговим ланцюгом модулів, зібраних на його активній площині. Модулі є котушками індуктивності, сполученими в електричний ланцюг і мають вихід в мережу корисного навантаження через систему комутації. Нижній ярус оснащений круговою доріжкою з короткозамкнутих контурів індуктивності. Всі три рівні активних елементів позиційно залежні. Постійні магніти встановлені ланцюгом так, що проекція траєкторії руху їх центрів тяжіння на обидва яруси співпадає з лініями розміщення центрів модулів і короткозамкнутих котушок. А протилежні полюсні грані кожного магніта паралельні полюсним наконечникам верхнього ярусу і площинам котушок нижнього відповідно. Геометричне узгодження проведено для отримання максимального магнітного зв'язку всіх елементів. До недоліків пристрою слід віднести циклічну зміну швидкості руху магнітів по траєкторії, обумовлену нерівномірністю обертаючого моменту вітроколеса по фазах руху. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача оптимізації роботи ВЕУ шляхом збільшення плавності ходу вітроколеса за 94320 4 рахунок синхронізації викидів значень крутильного та гальмуючого моментів. Поставлена задача розв'язується тим, що у вітроенергоустановці з карусельним генератором, яка містить вітроколесо, з лопатями, закріпленими на валу за допомогою траверс, і генератор, магніти збудження генератора закріплені на валу за допомогою траверс і встановлені над модулями статора, причому при будь-якій кількості лопатей траверси, які несуть магніти, повернуті по відношенню до траверс, які несуть лопаті, на 90° у напрямі обертання вітроколеса, модулі статора упресовані в диск площадки статора, що виготовлений з немагнітного матеріалу, в повітряному зазорі між ротором і статором на незалежному валу, пов'язаному з площадкою, встановлений рухомий екрануючий диск, який складається з двох металевих шарів - діамагнітного та феромагнітного, внакладку жорстко сполучених між собою, в шарах на загальній осі симетрії з перекриттям площ виконані сектори вибірки матеріалу, причому сектор у феромагнітному шарі складає 90-180°, а сектор в діамагнітному шарі дорівнює 60-90°, а на протилежній стороні екрануючого диска уздовж цієї ж осі встановлений кіль стабілізатора положення. Проаналізуємо обгрунтованість відмінних ознак пристрою, що патентується. 1. Магніти збудження генератора закріплені на валу за допомогою траверс і встановлені над модулями статора, причому при будь-якій кількості лопатей траверси, які несуть магніти, повернуті по відношенню до траверс, які несуть лопаті, на 90° у напрямі обертання вітроколеса. Закріплення магнітів на траверсах зменшує масу ротора, а його корисна інерційність відновлюється за рахунок моменту інерції, який нескладно підібрати шляхом простого збільшення діаметра ротора, який в даній конструктивній схемі не обмежений габаритами корпусу генератора. Ознака зсуву магнітів відносно лопатей по площині статора, що постульоване у рішенні, дає можливість симетризації на загальній осі відкритого сектора екрана і точки кріплення кіля. Таке вирівнювання захищає екран від кутових перекосів, які важко коректувати роботою кіля при слабких вітрах. 2. Модулі статора упресувані в диск площадки статора, який виготовлений з немагнітного матеріалу. Цей захід попереджає різкі скачки вертикальних сил реакції, діючі на магніти при проході відкритого сектора екрануючого диска. 3. В повітряному зазорі між ротором і статором на незалежному валу, пов'язаному з площадкою, встановлений рухомий екрануючий диск, який складається з двох металевих шарів - діамагнітного та феромагнітного, внакладку жорстко сполучених між собою, в шарах на загальній осі симетрії з перекриттям площ виконані сектори вибірки матеріалу, причому сектор у феромагнітному шарі складає 90-180°, а сектор в діамагнітному шарі дорівнює 60-90°, а, на протилежній стороні екрануючого диска уздовж цієї ж осі встановлений кіль стабілізатора положення. 5 В технічному рішенні, що патентується, зроблена спроба розв'язати проблему поліпшення динаміки вітроколеса шляхом перерозподілу магнітних потоків в роторі, а не за рахунок змін в конструкції передавальних зв'язків, як це вироблено практикою. Для цього замість традиційного циліндрового генератора доцільно використовувати тихохідний дисковий (карусельний) генератор, розташований горизонтально. Вертикальний вал ВЕУ в схемі такого генератора виводять на максимально можливу висоту і без перехідних пристроїв (редукторів) сполучають з диском-ротором на якому кріпляться магніти збудження. Кутова швидкість обертання такого генератора від 10 до 50 об./хв. Якщо встановити сильні постійні магніти (супермагніти) на траверсах, сполучених з трансмісійним валом вітроколеса, а котушки статорів розташувати на площадці естакади, то одержимо генератор вказаного типу. Використання такої схеми додає максимально можливу варіативність вірогідним конструктивним рішенням. Двошаровість екрана обумовлена тим, що режим роботи вітроколеса нестійкий і повністю залежить від швидкості вітру. Для вирівнювання динаміки в цих умовах використовується не тільки ефект замикання магнітного потоку через феромагнетик, але і демпфуючу дію шару вихрових струмів в діамагнетику. Завдяки примусовій орієнтації (за допомогою флюгерного кіля) екрануючого диска та наявності в екрані відкритого сектора відповідний сегмент котушок статора відкривається тільки в активній фазі обертання вітроколеса. В результаті робоче навантаження створюється саме тоді, коли ротор розвиває найбільшу потужність. При цьому сила опору руху ротора пропорційна потужності. Таким шляхом, поштовхи тягової сили згладжуються розмитими по діапазону зустрічними імпульсами моменту навантаження. Більш плавне обертання ротора з моментом тяги, що компенсується, сприяє як вирівнюванню механічних навантажень на деталі вітроприймального вузла (на лопаті і на підвіску), так і більш ефективному відбору кінетичної енергії, здійснюваному тільки на ділянках її інтенсивного отримання, а не при проходах за інерцією. Розміри відкритих секторів пов'язані з положенням і габаритами зон виробництва обертаючого моменту на лопатях вітроколеса. Діапазон вибірки матеріалу в діамагнітному шарі обумовлено тим, що, згідно з теорією, сектор активної роботи лопаті ротора Дар'є взагалі дорівнює 90°, а максимальних значень тягова сила набуває в секторі розміром 60°. Діапазон вибірки у феромагнітному шарі має повну залежність від розмірів сектора, в якому сила тяги набуває позитивних значень. А це сектор, який займає половину обертового кола (180°), в якому лопать рухається назустріч вітровому потоку. Узгодження фаз утилізації вітрової енергії та фаз перетворення її в електричну форму дає оптимальне співвідношення секторів вибірки в шарах екрануючого диска. Максимальну ефективність 94320 6 можна отримати при 60-градусному секторі в діамагнітному та при 180-градусному секторі в феромагнітному шарах відповідно. Інші співвідношення секторів із діапазонів, що патентуються, можуть бути використані в залежності від конкретних конструкційних особливостей ВЕУ - типів лопатей, модулів, кінематичної схеми тощо. В пристрої, що патентується, вузол флюгування встановлений на елементі, який, здавалося б, не потребує орієнтації на вітер. В даній же компоновці енергія вітру використовується для вирішення внутрішніх проблем вітроагрегата, пов'язаних не з процедурою вітроприйому, а з циклом енергоперетворення. Конкретно це виражається в синхронізації сил, діючих на ротор: обертаючого і гальмуючого моментів. Гальмуючий момент складається з ефекту прямого енерговідбору (перетворення обертаючого моменту в електричну енергію) і вторинних втрат (вихрове розсіяння в матеріалі екрана). Наслідком синхронізації є поліпшення динаміки вітроколеса, важливе для перспектив його експлуатації збільшення плавності ходу. Запропонована динамічна сегментація обмотки статора за допомогою двошарового екрана дає відразу декілька корисних ефектів: вирівнює силові умови рівноваги кінематичного вузла вітроколеса, згладжує хід вітроколеса і навантаження на нього, розширює діапазон вітрових швидкостей, що піддаються утилізації. За відомостями, що є у авторів, запропоновані істотні ознаки, які характеризують суть винаходу, не відомі ні в даному, ні в суміжних розділах техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні і розробці експлуатаційних прогнозів для ВЕУ будь-яких потужностей для регіонів з нестійкими повітряними течіями. Опис установки ілюструється кресленнями. На фіг. 1 приведений фронтальний вид установки, на фіг. 2 - вигляд зверху, на фіг. 3 представлена схема взаємної розстановки елементів карусельного генератора, на фіг. 4 - положення секторів вибірки матеріалу екрана для оптимального варіанту виконання. Вітроколесо вітроенергоустановки (фіг. 1 і фіг. 2), що патентується, встановлено на естакаді, яка утворена фермами 1, підтримуючими площадку 2 статора. Кінематична схема вітроколеса містить вертикальний вал 3 з двома точками рухомого закріплення: в опорному підшипнику 4, упресованому в тіло площадки, та в підтримуючому підшипнику 5, встановленому в просторі між фермами. На валу 3 за допомогою консольної підвіски закріплені лопаті 6. Підвіска лопатей складається з траверс 7 обтічного профілю. Магніти 8 збудження (ротор) генератора зафіксовані на нижньому ярусі жорстко закріплених траверс 9. На площадці 2 статора, виготовленої з немагнітного матеріалу, по всьому її периферійному кільцю встановлені (або упресовані) котушки 10 генератора з сердечниками 11, так звані, модулі статора. Магніти 8 орієнтовані полюсними гранями так, що при проході над котушками 10, вступають в магнітний зв'язок з сердечниками 11. Магніти 8 на сусідніх траверсах 9 7 різнополярні. Між ротором і статором генератора на незалежному валу 12, пов'язаному з площадкою 2, встановлений рухомий екрануючий диск 13 складної структури. Він складається (фіг. 3) з двох тонких металевих шарів - діамагнітного 14 (з боку магнітів 8 збудження) і феромагнітного 15 (з боку модулів статора) товщиною відповідно 1 і 2, внакладку жорстко сполучених між собою. В шарах виконані сектори вибірки матеріалу (фіг. 4): сектор Ф (180°) і сектор Д (60°) відповідно. Вибірки виконані на загальній осі симетрії ОО1 з перекриттям площ. Таким чином, феромагнетик займає половину диска, а діамагнетик - 5/6 його площі. В результаті екрануючий диск отримує три типи секторів: повністю відкриті, двошарові та одношарові. Різнотипна сегментація екрана робить його багатофункціональним вузлом, що бере активну участь в корекції режиму енергоперетворення. Для покращення механічної міцності диска 13, на який діють чималі сили, для попередження деформаційних процесів, на ньому виконують відбортовку або замикають обичайкою по всьому периметру. Уздовж осі ОО1 на протилежній стороні диска встановлений кіль 16 стабілізатора положення диска, за допомогою якого диск виводиться в робоче положення при будь-якому вітровому галсі. При такій компоновці сили електромагнітного і електродинамічного гальмування, виникаючі при взаємодії поля магнітів 8 з шарами диска, мають якнайменше плече. Взаємна розстановка елементів карусельного генератора детально показана на фіг. 3. Магніт збудження 8 ротора піднятий над екраном 13 і відстоїть від нього на відстань 1. Зазор 1 змінюється силами відштовхування F залежно від швидкості обертання ротора. Зазор 2 між екраном 13 і статором мінімізований і постійний у всіх режимах. Установка працює наступним чином. Стартовий рух вітроколеса під дією швидкісного натиску повітряного потоку на лопаті 6 здійснюється легше, ніж в прототипі, оскільки електромагнітне гальмування діє тільки на один працюючий у даний момент магніт 8. Набір обертів супроводжується проявом сили електродинамічного відштовхування (за рахунок вихрових струмів) магнітів збудження 8 від матеріалу площадки 2. Робочий процес перетворення енергії за участю екрануючого диска 13 має умовно дискретну динаміку. Роль диска 13 полягає в тому, що він в залежності від фази змінює розподіл магнітного поля від магнітів 8, замикаючи і переполюсовуючи потік магнітної індукції. Товщина шарів диска така, що при малих швидкостях обертання вітроколеса магнітне поле пронизує діамагнітний шар 14 і замикається повністю феромагнітним шаром 15. Силова картина відповідає структурі польових взаємодій. На початку обертання вихрові струми в діамагнітному шарі 14 ще малі, тому сили відштовхування F не компенсують сил тяжіння Р. У міру зростання швидкості 94320 8 обертання ці сили збільшуються, причому їх інтенсивність росте швидше, ніж в діамагнітному диску 14, оскільки нижнє поле струмів Фуко, замикаючись по матеріалу феромагнетика 15, як по магнітопроводу, підтримує самі струми. Таким чином, якщо натиск вітру наближається до межі безпеки, сили відштовхування перевищують сили тяжіння і далі можуть дати результуючу силу (P-F), здатну підняти вітроколесо, збільшивши зазор 1. При великих швидкостях зменшується і потік, що досягає котушок 10 в секторах, закритих тільки діамагнітним шаром 14. Зменшення товщини скін-шару в діамагнетику зменшує дифузію поля у напрямі модульних сердечників 11. Таким чином, якщо на малих швидкостях відкриті котушки 10 працюють у повну силу, а частково екрановані - пропорційно ступеню екранування, то при закритих їх швидкостях енергію виробляє тільки група повністю відкритих котушок 10. Таким чином, на малих та середніх швидкостях працює половина від загального числа котушок 10. На великих і надто великих оборотах працюють тільки повністю відкриті котушки. Цей ефект є допоміжним для стабілізації потужності, що розвивається на генераторі. Основним же корисним ефектом є згладжування ривків навантаження. Найбільш вигідне положення екрана 13 досягається за допомогою роботи кіля 16. Кіль розміщений по відношенню до відкритого сектора Д так, що той завжди знаходиться з навітряного боку. Коли екран 13 зміщується в стійке (щодо вітру) положення, відкритим залишається той сектор котушок 10 статора, при русі над яким активна в даний момент лопать 6 виконує робочий хід і розвиває максимальну тягову силу. Оскільки траєкторії та фази лопатей 6 і відповідних магнітів 10 узгоджені, то таким шляхом досягається синхронізація максимального обертаючого моменту і максимальної сили навантаження. На екранованій групі магнітів 8 знімаються процеси розсіяння поля і відповідний їм додатковий опір. І таким чином збільшується продуктивність ходу вітроколеса. Плавність ходу вітроколеса збільшується ще й тим, що ротор (магніти 8 на траверсах 9) одночасно виконує роль маховика. Утримання екрана 13 від небажаних переміщень, за відсутності твердої фіксації, гарантується як інерцією самого вузла, так і фрикційним способом його кріплення до площадки 2. Частота обертання вітроколеса збільшується при посиленні вітру. Проте, в пристрої, що патентується, відбувається автостабілізація потужності, що знімається, оскільки паралельно збільшенню швидкості збільшується зазор 1 і відповідно - відстань між магнітами збудження 8 і котушками 10 генератора, що зменшує інтенсивність потоку індукції. 9 94320 10 11 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 94320 Підписне 12 Тираж 23 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