Вітроенергетична установка

Реферат: Вітроенергетична установка містить щонайменше один основний генератор високої напруги, який складений із ротора у вигляді двох дисків з рівномірно закріпленими по колу на периферії постійними магнітами, розміщеними з чергуванням в осьовому напрямку та розташованими один до одного різнойменними полюсами, і дискового статора з якірними котушками без сердечника, який розміщений з повітряним зазором між дисками ротора. Крім того, установка має щонайменше один генератор низької напруги, що закріплений послідовно знизу до основного генератора високої напруги, причому їх статори закріплені на спільній осі, два чи більше крила, які закріплені кронштейнами до ротора основного генератора високої напруги фланцевими кріпленнями ресорного типу. Додатково установка обладнана електронним модулем синхронізації і змішання напруг двох вищезазначених типів генераторів, причому маса одного або більше основних генераторів високої напруги більша за масу одного або більше додаткових синхронних генераторів низької напруги. UA 110912 C2 (12) UA 110912 C2 UA 110912 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до альтернативних джерел енергії, а саме - до вітроенергетичних установок (ВЕУ), і може бути використаний для отримання електричної енергії в регіонах зі слабкими вітрами, як в побутових, так і в комерційних, і промислових цілях. Зростання потреби людства в енергетичних ресурсах та збільшення вартості традиційних джерел енергозабезпечення призводить до необхідності пошуків альтернативних джерел і більш широкого їх використання. Вказані джерела ніколи не закінчується і практично безкоштовні: сонячна енергія, енергія вітру, біоенергія, геотермальна енергія, енергія припливіввідливів і т.д. Одним з основних напрямків, що найбільш динамічно розвиваються в альтернативній енергетиці, є вітроенергетика, яка спеціалізується на перетворенні кінетичної енергії повітряних мас в атмосфері в електричну, механічну, теплову або інші зручні для використання види енергії. Актуальність "зеленої" енергетики, що прогресивно зростає, виражається в тенденціях максимального підвищення ефективності ВЕУ, у наслідок чого вони стають все більш наукоємними технічними агрегатами. Вітроенергетичні установки існують двох типів - з горизонтальною та вертикальною віссю обертання ротора. Також їх називають вітрогенераторами, вітродвигунами, вітроагрегатами та ін. Оптимальна швидкість повітря для промислових вітроенергетичних установок має становити більш ніж 10-12 м/с, і бажана постійна швидкість, а також відсутність частих змін направлення вітру. В свою чергу, вертикальноосьові ВЕУ найбільш ефективні в тих місцях, які характеризуються змінними вітрами з нестійкими швидкостями і напрямами (в Україні, наприклад, це - Крим). Підвищення потужності ВЕУ є актуальною проблемою сьогочасного стану вітроенергетики. Збільшення діаметра ротора вертикальноосьових безредукторних вітроустановок веде до підвищення потужності з одного боку, але викликає необхідність магнітного підпору ротора - з іншого. Магнітоелектричні ротори, застосовувані на вітроагрегатах такого типу, збільшуються в масі пропорційно збільшенню номінальної потужності. У такому ж темпі зростають внутрішні втрати енергії, що йдуть на покриття сил тертя, а також на живлення засобів управління стійкістю динаміки ротора. Останнім часом з'являються технічні рішення, які направлені на з'ясування вищевказаних проблем. Відомий вітрогенератор з горизонтальною віссю обертання ротора [патент України № 54948, 7 опубл. 17.03.2003, Бюл № 3, 2003 р., МПК F03D 1/00, F03D 7/04], що має головку з установленим в ній генератором, кінематично зв'язаним з вітроколесом, яке закріплене на вертикальній опорі, що обертається в горизонтальній площині, має механізми виводу вітроколеса від вітру та орієнтування на вітер. Недоліком цього вітрогенератора є необхідність орієнтування на вітер, потреба в високих швидкостях вітру для пуску і для виходу на оптимальний робочий режим, велика висота розміщення головки з генератором і лопатями, високий рівень шуму і загроза для життя птахів. Крім того гіроскопічний момент, що виникає під час обертання, потребує посиленої конструкції опорів, що приводить до подорожчання установки і, в кінцевому рахунку, до високої ціни за вироблену електроенергію. Відомий вітродвигун, робота якого не залежить від напрямку вітру [Патент РФ № 2065992, Кл. F03D 3/00, публ. 1996 р.], який містить вертикальний вал, на якому наглухо посаджене вітроколесо з лопатями, закріпленими під кутом до радіусу вітродвигуна. Вал кінематично зв'язаний з електрогенераторами, вітроколесо з лопатями виконане у вигляді вінця з Пподібним жолобом, а кут кріплення лопатей складає 60°, причому між лопатями утворені кишені. Маса конструкції вітроколеса через катки опирається на кільце у колію, яка змонтована на колонах. Проте при такій конструкції розміщення лопатей для роботи використовується тільки їх частина, зокрема та частина, яка розташована під більшим кутом до напрямку вітру, а лопаті, які розташовані під малим кутом до напрямку вітру, використовуються слабо, тобто ефективно працює не більше як 20-25 % лопатей вітроколеса і тільки ті, які розташовані проти напрямку вітру, що зменшує потужність вітродвигуна. Крім того, через наявність колон, які підтримують через кільцеву колію вітроколесо, такий вітродвигун має надто громіздку конструкцію, займає велику площу і має низький ККД. Також відомий вітрогенератор [Патент України № 86126, МПК (2009) F03D 9/00, 1/00, 3/00, опубл. 25.03.2009, Бюл. № 6], що містить ротор, виконаний з діамагнітного матеріалу і встановлений на одному валу з вітроколесом, і статор. Магнітна система статора складається з обмоток, встановлених на кільцевому магнітопроводі, причому статор виконаний з трьох, 1 UA 110912 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сполучених багатоканальними магнітопроводами феромагнітних пластин, укріплених на естакаді із спільною центральною віссю симетрії, співпадаючою з валом вітроколеса, і однаковими повітряними зазорами між їх площинами. На верхній і нижній пластинах ротора рівномірно по колу встановлені однакові ланцюжки постійних магнітів, кожна пара яких розміщена одна проти одної, а магніти, що є протилежними, мають однакову полярність. На середній між відповідними парами магнітів закріплені модулі, що складаються з сердечників з котушками індуктивності, які утворюють круговий ланцюжок з полюсним розподілом, що рівний полюсному розподілу системи магнітів. При цьому магнітні потоки статора замикаються через систему магнітопроводів. Ротор виконаний у вигляді двох тонких дисків, закріплених на спільному валу і встановлені в зазори між пластинами статора. У кожному диску в зонах ортогональних проекцій магнітних полюсів на його площину виконані отвори, що чергують з суцільними ділянками, причому розміри тих та інших в круговому напрямі рівні розмірам полюсних граней магнітів. Диски зсунуті один відносно одного на кут, при якому отвори на одному диску ротора знаходяться навпроти суцільних ділянок між отворами - на іншому. У описаного вітрогенератора максимально мала маса ротора, оскільки на роторі взагалі не встановлюють активних деталей генератора, а якір і індуктор в даній схемі нерухомі. Недоліком даного вітрогенератора є те, що його потужність недостатня, як і недостатня чутливість до вітрового тиску, крім того при малому вітрі швидкість обертання ротора мала, і при цьому відносно малий рівень наведених вихрових струмів в його матеріалі дає незначний ефект екранування магнітного поля (скін-ефект), що призводить до відсутності переполюсування магнітного поля в даному режимі, що унеможливлює вироблення електричної енергії на малих швидкостях вітру. Відома безредукторна вертикальноосьова ВЕУ за патентом України № 86142, МПК (2009) F03D 3/00, 5/00, 9/00, опубл. 25.03.2009 р., Бюл. № 6. Вона має структуру ротаційного генератора і містить статор, закріплений на естакаді, що складається з опорних стійок і кільцевих площадок, і ротор, обладнаний опорно-ходовими вузлами, і сполучений з вітроприводом, а також джерела магнітного поля. ВЕУ має автономний розвантажувальний пристрій для забезпечення магнітного підвісу ротора, розміщений в повітряному об'ємі між опорними стійками, що містить жолобоподібний кільцевий трек, виконаний з провідного діамагнітного матеріалу і укріплений на карусельній рухомій опорі з системою додаткових вітроприймальних лопатей, встановлених по зовнішньому обводу треку. Вітропривід генератора складається з вітроколеса, встановленого на трансмісійному валу і сполученого з ротором радіальною системою траверс. Джерела магнітного поля у вигляді супермагнітів встановлені на роторі вітроагрегата по круговій схемі, а індуктивні елементи генератора позбавлені сердечників і виконані у вигляді плоских котушок з феромагнітним підшаром без внутрішнього отвору. До недоліків прототипу слід віднести те, що вузол магнітного підвісу ротора виконаний в схемі контрротора, конструкція якого не забезпечує оптимального перерозподілу величин магнітного потоку, що генерує електроенергію (верхнього поля), і потоку, що забезпечує підвіс (нижнього поля). Це знижує ефективність генерації електроенергії і невиправдано збільшує електродинамічні втрати у вузлі підвісу, що в результаті приводить до зниження ККД установки. Крім того, при підключенні навантаження здійснюється гальмування генератора, і, як наслідок, зменшується вироблення електричного струму. Задачею даного винаходу є створення вітроенергетичної установки, в якій шляхом певної сукупності конструктивних елементів, їх послідовності та розміщення, досягається ефективна робота вітроенергетичної установки в різноманітних природних умовах. Поставлена задача вирішується тим, що вітроенергетична установка, згідно з винаходом містить щонайменше один основний генератор високої напруги, який складений із ротора у вигляді двох дисків з рівномірно закріпленими по колу на периферії постійними магнітами, розміщеними з чергуванням в осьовому напрямку та розташованими один до одного різнойменними полюсами, і дискового статора з якірними котушками без сердечника, який розміщений з повітряним зазором між дисками ротора, крім того установка має щонайменше один генератор низької напруги, що закріплений послідовно знизу до основного генератора високої напруги, причому їх статори закріплені на спільній осі, два чи більше крила, які закріплені кронштейнами до ротору основного генератора високої напруги фланцевими кріпленнями ресорного типу, додатково, установка обладнана електронним модулем синхронізації і змішання напруг двох вищезазначених типів генераторів, причому маса одного або більше основних генераторів високої напруги більша у 1,5-2,5 рази за масу одного або більше додаткових синхронних генераторів низької напруги. 2 UA 110912 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Автором винаходу було зазначено, що основний генератор високої напруги є синхронним і виконаний з використанням неодимових постійних магнітів, а в додатковий генератор низької напруги є синхронним і виконаний з використанням постійних феритових магнітів. Крім того, в результаті проведених експериментів автором було доведено, що оптимальними для забору вітру є крила, що мають профіль Жуковського. Автором винаходу, що заявляється, доведено, що кріплення крил до кронштейну і кронштейну до генератора мають бути ресорного типу і самоцентрівними. Також автором були проведені відповідні розрахунки та експерименти, які дозволили виявити переваги винаходу, що заявляється, в порівнянні з іншими вітроенергетичними установками вертикально типу. Розміщення магнітів основного генератора дзеркально з різнойменними полюсами один до одного дозволяє створити потужний магнітний потік, який замикається через статорні диски і якірні котушки і створює індукційний струм. Згідно з правилом Ленца, індукційний струм завжди має такий напрямок, що його власний магнітний потік компенсує зміна зовнішнього магнітного потоку, що викликав цей струм і при підключенні низькоомного навантаження до цього генератора відбудеться різке його гальмування, проте, якщо навантаження не підключати, то посилюється розкручування генераторів крилами та відбувається додаткове розвантаження підшипників, т.я. відсутній опір обертанню ротора. За рахунок відсутності внутрішнього магнітного зачеплення і високої інерційності, викликаної тим, що вага основного генератора в 1,5-2,5 рази перевищує вагу додаткового або сумарної ваги додаткових генераторів здійснюється збереження швидкості обертання при провалах вітру. Так само за рахунок того, що вага основного генератора більше, при підключенні низькоомного навантаження до додаткового генератора, за рахунок високих інерційних властивостей він механічно долає проти-ЕРС, що виникла. Додатковий генератор, ротор якого закріплений на роторі основного генератора, і магнітне поле, яке виробляється при обертанні додаткового генератора, розташоване в ортогональній проекції до основного генератора, що сприяє тому, що механічна сила, яка обертає вітроколесо легше долає проти-ЕРС, що виникає при підключенні навантаження. При збільшенні швидкості вітру збільшується потужність основного генератора, що приводить до посилення гальмування, що автоматично захищає вітрокрила від пошкоджень при поривах і великих швидкостях вітру. Використання наборних фланцевих кріплень крил дозволяють крилам пружинити на міцних вітрах, що значно підвищує їх стійкість. Робота електронного модуль синхронізації і змішання високовольтної і низьковольтної напруги від двох типів генераторів ґрунтується на принципі ВЧ перетворення з різними коефіцієнтами трансформації, що надає можливість формування ВЧ індуктивних імпульсів, що в поєднанні з великою інерційною здатністю вітроенергетичної установки дозволяє заряджати АКБ на кількості обертів, що дорівнюють ¼ від номінальної. Крім того застосування самоцентрівних фланцевих кріплень крил ресорного типу усуває їх перекіс та додаткове навантаження на підшипники і надає крилу підвищену міцність. Винахід пояснюється прикладом конкретного виконання і кресленнями, де зображено вітроенергетичну установку. Фіг. 1 - вітроенергетична установка; Фіг. 2 - синхронний генератор високої напруги. Вітроенергетична установка містить основний синхронний генератор високої напруги (1), що містить ротор (2) у вигляді двох дисків (3) із закріпленими постійними магнітами (4), статор (5), що містить диск (6) з якірними котушками (7), додатковий синхронний генератор низької напруги (8), ось (9), кронштейни (10), фланцеві кріплення (11), крила (12), електронний модуль синхронізації і зміщення напруг (13). Пристрій працює наступним чином: При виникненні руху повітряних мас вітер здійснює тиск на крила (12), які, в свою чергу, починають розкручувати ротор (2) основного генератора (1). Так як основний (1) і додатковий (8) генератори сполучені між собою, відбувається одночасне обертання основного (1) і додаткового (8) генераторів. Вітроенергетична установка виходить на режим холостого руху, починається зарядка АКБ і подальший розгін генераторів (1) (8) малими вітрами. При збільшенні швидкості вітру включається "плече" контролера електронного модуля синхронізації і змішення напруг (13), що відповідає за зняття енергії з основного генератора (1), при цьому висока вихідна напруга і малі струми основного генератора (1) підсумовуються з низькою напругою і великими струмами додаткового генератора (8). При збільшенні швидкості вітру росте потужність синхронного генератора високої напруги (1), він починає гальмувати, що захищає вітроколеса (12) від пошкоджень. Вихідна напруга від двох типів генераторів (1) (8) поступає на електронний 3 UA 110912 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 модуль синхронізації і змішання напруг (13), на виході якого отримують флуктуючу випрямлену не стабілізовану напругу. Конструктивно автором даного винаходу на сьогодні передбачена можливість нарощування потужності шляхом додавання до кожного з основних генераторів декілька додаткових генераторів. Додатково загальну потужність вітроенергетичної установки можна збільшити підвищенням площини крил шляхом їх нарощування. Далі автором винаходу наведені приклади конкретного використання. Приклад 1 Вітроенергетична установка обладнана одним синхронним генератором високої напруги номінальної потужності 1 кВт і двома синхронними генераторами низької напруги по 1,5 кВт кожний. Установка має три крила висотою 2 м і діаметром 1,67 м, вагу 97 кг і встановлена в регіоні з середньорічною швидкістю вітру - 5,4 м/с. При швидкості вітру 0,17 м/с почалось обертання установки. Середня швидкість вітру за добу становила 4 м/с. При цьому показнику швидкості вітру установка виробила 19,8 кВт/год., тобто за добу цей показник склав, приблизно, 470 кВт. Приклад 2. Вітроенергетична установка обладнана двома синхронними генераторами високої напруги с загальною номінальної потужністю 3 кВт і чотирма синхронними генераторами низької напруги по 1,5 кВт кожний. Установка має три крила висотою 3 м, встановлена в регіоні з середньорічною швидкістю вітру - 7,0 м/с. Обертання установки почалось при 0,5 м/с. Середня швидкість вітру за добу становила 6 м/с, враховуючи короткострокові провали і пориви вітру. При швидкості вітру в 6 м/с вихідна потужність цієї вітроенергетичної установки склала близько 56,9 кВт/год., а за добу виробила, приблизно, 1360 кВт, що є промисловим показником. Таким чином, вітроенергетична установка, що заявляється, забезпечує стабільну зарядку АКБ при малих швидкостях вітру, має ефективний старт з найменшої швидкості вітру, зводить до мінімуму гальмування на вітрах 2-5 м/с, забезпечує максимально можливі результати при вітрі в 5 м/с, має високу стійкість до сильних і ураганних вітрів. Усі перераховані переваги рішення, що заявляється, доказують високу її ефективність в різних умовах експлуатації. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Вітроенергетична установка, яка відрізняється тим, що містить щонайменше один основний генератор високої напруги, який складений із ротора у вигляді двох дисків з рівномірно закріпленими по колу на периферії постійними магнітами, розміщеними з чергуванням в осьовому напрямку та розташованими один до одного різнойменними полюсами, і дискового статора з якірними котушками без сердечника, який розміщений з повітряним зазором між дисками ротора, крім того, установка має щонайменше один генератор низької напруги, що закріплений послідовно знизу до основного генератора високої напруги, причому їх статори закріплені на спільній осі, два чи більше крила, які закріплені кронштейнами до ротора основного генератора високої напруги фланцевими кріпленнями ресорного типу, додатково установка обладнана електронним модулем синхронізації і змішання напруг двох вищезазначених типів генераторів, причому маса одного або більше основних генераторів високої напруги більша у 1,5-2,5 рази за масу одного або більше додаткових синхронних генераторів низької напруги. 2. Вітроенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що основний генератор високої напруги є синхронним з постійними неодимовими магнітами. 3. Вітроенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що додатковий генератор низької напруги є синхронним з постійними феритовими магнітами. 4. Вітроенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що крила мають профіль Жуковського. 5. Вітроенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що фланцеві кріплення крил ресорного типу виконані самоцентрівними. 4 UA 110912 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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 5