Вітроелектричний агрегат

Реферат: Вітроелектричний агрегат містить корпус, в круглому отворі якого встановлене вітроколесо, і генератор у вигляді біморфного п'єзоелектричного кільця з електродами, закріпленими на корпусі над вітроколесом. Корпус виконаний у вигляді металевого кільця з двосторонньою відбортовкою, виготовлений з діамагнітного матеріалу і укріплений на опорі при допомозі траверс. На площині кільця з двох сторін закріплені п'єзокерамічні пластини. Кільце охоплює з повітряним зазором кінці лопатей вітроколеса, на яких закріплені магнітні насадки з радіальною орієнтацією полюсів, причому на сусідніх лопатях насадки різнополярні. UA 97699 C2 (12) UA 97699 C2 UA 97699 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області вітроенергетики і може бути використаний для швидкохідних вітроенергоустановок малої та середньої потужності. Швидкохідні горизонтальноосьові вітроенергоустановки, до яких належать і репелерні 2-3 лопатеві модифікації, набувають поліпшених ходових і енергетичних параметрів при встроюванні вітроколеса у кільцевий обід. Лопатева конструкція, що утворюється при такій реконструкції, так званий, імпелер, дозволяє істотно знизити перетікання повітря на кінцях лопатей, і тим самим зменшити втрати потужності. Крім того, кільце помітно знижує шум від роботи повітряного гвинта, а також збільшує максимально досяжну швидкість його обертання. При цьому відпадає необхідність в оптимальній профілізації еліптичних закінцівок лопатей. Таким чином, оснащення вітроколеса зовнішнім ободом (пов'язаним з лопатями або незалежним) саме по собі покращує його характеристики. Проте, відомі спроби використання вільних площин обода для паралельної реалізації додаткових функцій. Зокрема, в даному розділі техніки розроблені різні способи перенесення на імпелери генераторних вузлів. Ідея сама по собі виявилася продуктивною, але череватою новими технічними труднощами. Так, відома вітрова турбіна Windgate (http://www.wetroenergetika.ru/44_17-310_Windgate.html), яку розробила американська фірма WindTronics. Вітряк діаметром 1,7 м призначений для установки на дахах приватних будинків і здатний працювати на відносно малих вітрах. По зовнішньому діаметру вітроколеса розташовується магнітна система збудження (з постійних магнітів), а всередині охоплюючого обода розміщені обмотки статорів. Завдяки цьому вже при щонайменшому обертанні турбіни в обмотках з'являється достатня для подачі в мережу напруга. В даному виконанні наявність обода дає можливість перенести елементи електрогенератора на саме вітроколесо, при повному знятті обертаючого моменту з вала. До недоліків такого рішення слід віднести зайве і створююче нові технічні проблеми вагове перевантаження периферійної зони вітроколеса та імпелера в цілому. Крім того, виникають труднощі в організації енергозняття при нежорсткій фіксації магнітної системи через неусувну нестійкість траєкторії кінців лопатей при великих швидкостях і навантаженнях. 4 Відомий також вітроагрегат за А.с. № 1402706, МПК F03D 1/02, автори Захватов Є.М. і Візгалов В.І., пріоритет від 12.11.86, опубл. 15.06.88, Бюл. № 22. Вітроколесо вітроагрегата складається з двох вітроколес, розташованих співвісно одне в одному. Внутрішнє вітроколесо оснащено периферійним ободом, а зовнішнє - кореневим ободом, на якому закріплені лопатки. На ободах встановлені ротор і контрротор відповідно. Обертання вітроколес в протилежні напрямки забезпечує стрічний рух роторів, що підвищує потужність генератора. Індуктивний аеродинамічний опір лопатей внутрішнього вітроколеса зменшений використанням обода, що підвищує ефективність енерговідбору і ККД всього двигуна. В такому виконанні елементи генератора зміщені ближче до осі обертання, що зменшує інерційність вітроколес, а жорстке закріплення магнітів збудження стабілізує режим струмозняття. До недоліків описаного вітроагрегата слід віднести наступне. Зниження аеродинамічного опору в даній конструкції організовано тільки для одного (внутрішнього) вітроколеса. Зовнішнє працює з суттєвими втратами. За рахунок установки на ободах масивних вузлів роторів їх вага і інерційність надмірно збільшуються. Найбільш близьким технічним рішенням до того, що заявляється, узятим як прототип, є 3 відомий вітроелектричний агрегат за А.с. № 819388, МПК F03D 9/00, автори Левченко Г.Т. і През А.А., Заявник - київський політехнічний інститут ім. 50-річчя Великої жовтневої соціалістичної революції, заявка № 2769533/25-06, пріоритет від 18.05.79, опубл. 07.04.81, Бюл. № 13. Вітроелектричний агрегат містить корпус, в круглому отворі якого встановлене лопатеве вітроколесо з ободом, на якому закріплені додаткові зовнішні лопатки. Генератор виконаний у вигляді біморфного п'єзоелектричного кільця з електродами, вбудованого в корпус над ободом вітроколеса. При обертанні під дією вітру зовнішні лопатки створюють локальні зони підвищеного тиску, діючі на поверхню кільця. Хвилі деформації передаються на пластини і генерують різницю потенціалів (унаслідок п'єзоефекту) на електродах. В описаному пристрої проблема перенесення генератора на деталі вітроколеса вирішена без істотного збільшення його масивності. До недоліків описаного вітроагрегату слід віднести виникнення істотних втрат енергії унаслідок використання вторинного механізму перетворення енергії. Набутий обертальний момент за допомогою системи зовнішніх лопаток передається на електрогенератор шляхом вторинної віддачі енергії повітряному середовищу з подальшим відбором її за допомогою п'єзоперетворювача. Створювані хвилі тиску у відкритому зазорі між вітроколесом і п'єзокільцем 1 UA 97699 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 втрачають енергію від часткового витікання повітря через бічні кругові щілини. Крім того, в даній компоновці збільшується аеродинамічний опір вітроколеса, що обумовлене компресійним режимом роботи зовнішніх лопаток. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача зменшення аеродинамічного опору ротора, зменшення відцентрових навантажень на вітроколесо при великих швидкостях обертання і збільшення ефективності перетворення вітрової енергії. Поставлена задача вирішується тим, що корпус вітроагрегату виконаний у вигляді металевого кільця з двосторонньою відбортовкою, виготовлений з діамагнітного матеріалу і укріплений на опорі при допомозі траверс, на площині кільця з двох сторін закріплені п'езокерамічні пластини, кільце охоплює з повітряним зазором кінці лопатей вітроколеса, на яких закріплені магнітні насадки з радіальною орієнтацією полюсів, причому на сусідніх лопатях насадки різнополярні. Крім того, на валу вітроколеса встановлено додатковий електромеханічний індукційний електрогенератор. Проаналізуємо відмінні ознаки на предмет оцінки їх ефективності і можливості реалізації. Перша відмінна ознака «корпус агрегату виконано у вигляді металевого кільця з двосторонньою відбортовкою з діамагнітного матеріалу, на яке з двох сторін наклеєні п'єзокерамічні пластини» дозволяє зняти серйозний недолік принципового характеру. Йдеться про створення фізичних передумов заміни повітря, що використовується як активне енергопередавальне середовище, магнітним полем, яке піддається набагато більшій локалізації. В даному випадку діамагнітне кільце виконує функції ресори, з якою пов'язані п'єзопластини. Як діамагнітний матеріал може використовуватися мідь або алюміній, тобто, матеріали з малим омічним опором. Таким шляхом можна легко добитися великих амплітуд вихрових струмів при дії магнітного поля, що рухається, і, отже, великих локальних сил магнітного тиску на ресору. Поле циклічних мікропрогинань кільця по силовому характеру значно інтенсивніше за подібну схему навантажень на статор прототипу. Друга відмінна ознака «кільце охоплює з повітряним зазором кінці лопатей вітроколеса» важлива не стільки сама по собі, скільки знімає вторинні технічні труднощі, що виникли унаслідок модернізації прототипу. Характер взаємодії набігаючого потоку з імпелером помітно відрізняється від взаємодії з вільним репелером. Це обумовлено тим, що кінці лопатей закриті від прямої дії струменів потоку і рухаються в жолобі охоплюючого кільця. За рахунок жолобоподібної форми кільця (ресори) частково зберігається компресійний ефект від роботи насадок лопатей, що швидко рухаються, але він не має вирішального значення в балансі енергопередачі. Третя відмінна ознака «на кінцях лопатей вітроколеса закріплені магнітні насадки з радіальною орієнтацією полюсів, причому на сусідніх лопатях насадки різнополярні» є основним для вітроагрегата, що патентується, оскільки усуває головний недолік прототипу і зводить передачу енергії до прямого типу. Тобто, скасовує вузол зовнішньої крильчатки, яка віддає енергію повітрю в прототипі. При обертанні вітроколеса магніти набувають великої швидкості щодо нерухомого кільця і наводять на його складній поверхні вихрові струми. Взаємодія струмів із магнітним полем насадок супроводжується появою сил тиску на поверхню кільця. Таким чином магнітні насадки виконують функцію створення хвиль деформації, які перетворюються в шарі біморфних п'єзоелементів в різницю потенціалів. Деформаційні зони, що рухаються, мають вузьку локалізацію, оскільки густина потоку індукції найбільш висока в полярних епіцентрах. Зосереджений магнітний тиск, таким чином, набагато ефективніший розмитого пневматичного (як в прототипі). Крім того, полярність джерел поля на лопатях, яка передується, посилює гостроту імпульсів тиску, оскільки кожна подальша хвиля змінює напрям вихрових струмів (Фуко), що призводить до додаткових деформацій ресори. В даному випадку важливий ще один ефект електродинамічної взаємодії поля магнітів з діамагнітним матеріалом. При роботі на кожній лопаті виникає (з боку кільця) безконтактна сила відштовхування, спрямована радіально і діюча протилежно відцентровим силам. Взаємне погашення пар вказаних сил розвантажує лопаті. Дві площини відбортовки кільця дають реакцію горизонтального відштовхування, що вирівнює траєкторію магнітів, протидіючи тим самим відхиленням лопатей від рівноважного положення. Остання відмінна ознака «на валу вітроколеса встановлено додатковий електромеханічний індукційний електрогенератор» торкається розширення діапазону перетворюваних агрегатом потужностей. У вітроагрегаті, що патентується, передбачена можливість двоканального зняття механічної енергії, одержаної вітроколесом від повітряного потоку: основним п'єзогенератором і допоміжним індуктивним генератором. Це дає можливість вибору оптимальної тактики енергозняття при різних швидкостях вітру. При зростанні швидкості потоку збільшується частота обертання вітроколеса, що веде з деякого частотного порогу до насичення перетворювальних 2 UA 97699 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ресурсів п'єзогенератора. В цьому режимі підключення другого каналу енерговідбору підвищує ККД (ефективність) установки. За відомостями, що є у авторів, запропоновані істотні ознаки, що характеризують суть винаходу, не відомі ні в даному, ні в суміжних розділах техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні вітроенергоустановок малої і середньої потужності для регіонів з нестійкими вітрами. Опис установки ілюструється кресленнями. На фіг. 1 приведена загальна схема вітроелектричного агрегату (вигляд збоку), що патентується, на фіг. 2 представлений фронтальний переріз по площині АА агрегату, на фіг. 3 зображена схема сил, діючих на магнітні насадки. Вітроелектричний агрегат містить вітроколесо 1, яке встановлене на валу 2 відбору потужності, який сполучає його з електромеханічним індукційним генератором 3, укріпленим на поворотній опорі 4, розміщеній на вершині силової башти 5. Вал закритий обтічником 6, нерухомо пов'язаним з опорою 4. Лопаті вітроколеса 1 оснащені магнітними насадками 7 з радіальною орієнтацією полюсів, які виконують подвійну функцію: можуть служити закінцівками, які знижують індуктивний опір вітроколеса, а також джерелами магнітного поля. Корпус 8 агрегату виконаний у вигляді металевого кільця з діамагнітного матеріалу з двосторонньою відбортовкою, на яке з двох сторін наклеєні п'єзокерамічні пластини 9 з електродами (не показані). Корпус охоплює з повітряним зазором кінці лопатей вітроколеса і укріплений на оболонці обтічника 6 при допомозі траверс 10. Орієнтація на вітер проводиться за допомогою кіля 11. Описаний вітроелектричний агрегат працює наступним чином. У момент зрушення під дією вітру вітроколесо 1 не відчуває додаткового опору обертанню, по-перше, тому що насадки 7 лопатей екрановані від вітру корпусом 8, і, по-друге, тому що магнітний потік від насадок на малих швидкостях не наводить помітних вихрових струмів в матеріалі корпусу. При подальшому розкручуванні вітроколеса 1 магнітні насадки 7 набувають велику лінійну швидкість щодо нерухомого корпусу 8 і вихорові струми в ньому зростають. В результаті виникає електродинамічне відштовхування насадок від внутрішньої поверхні корпусу. При цьому можна виділити дві пари найважливіших сил взаємодії. Сила F 1 (фіг. 1) деформує кільце 8 в місці тиску, і в розгортці створює хвилю деформації, яка циклічно оббігає кільце і продукує вироблення електропотенціалу на пластинах 9. Відповідно на кожній лопаті виникає сила відштовхування - F1, спрямована радіально і діюча протилежно відцентровим силам. Взаємне погашення пар вказаних сил (F1 і -F1) розвантажує лопаті, знімаючи пружні напруги. Друга пара сил F2 діє між площинами відбортовок кільця 8 і насадками 7. В ідеалі вони симетричні по напряму і однакові по величині, але при випадковій зміні траєкторії сила відштовхування з боку зближення насадки з площиною зростає, а з боку віддалення - падає. Таким чином створюються умови повернення насадки на траєкторію, і відбувається автогасіння поперечних (непродуктивних) коливань лопатей вітроколеса 1. Енергозняття на агрегаті, що патентується, проходить по двох каналах: по контуру п'єзосистеми та по контуру індукційного генератора. Агрегат, що патентується, має наступні перспективи практичного використання. Його ефективність підвищується в швидкохідних установках. При цьому вона прогресивно збільшується, починаючи з діаметра вітроколеса 1,5-2,0 м. Це обумовлено зростанням кругової швидкості кінцевих частин лопатей. Із зростанням діаметра вітроколеса відповідно збільшується і діаметр стабілізатора. З деякого розміру маса стабілізатора може стати надмірною. Проте, враховуючи той загальновідомий факт, що при збільшенні швидкості відносного руху магнітів, зменшується товщина скин-шару (глибини проникнення струмів Фуко в матеріал діамагнітного кільця), товщину кілець можна зменшувати. Тому для коліс великого діаметра кільця можуть бути виконані тонкими, практично плівковими. Це істотно розширює габаритний діапазон вживання агрегату, що патентується. Таким чином, одноступінчата утилізація вітрової енергії шляхом прямої подачі її на п'єзогенератор, що реалізується в агрегаті, який патентується, надає йому значну перевагу над прототипом у плані ефективності перетворення вітрової енергії. А більш суттєве зменшення індуктивного аеродинамічного опору вітроколеса за рахунок зняття ефекту перетікання повітряних струменів на кінцівках лопатей, та можливості автостабілізації лопатей надає остаточну перевагу модернізованому агрегату над прототипом. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 3 UA 97699 C2 5 10 1. Вітроелектричний агрегат, що містить корпус, в круглому отворі якого встановлене вітроколесо, і генератор у вигляді біморфного п'єзоелектричного кільця з електродами, закріпленими на корпусі над вітроколесом, який відрізняється тим, що корпус виконаний у вигляді металевого кільця з двосторонньою відбортовкою, виготовлений з діамагнітного матеріалу і укріплений на опорі при допомозі траверс, на площині кільця з двох сторін закріплені п'єзокерамічні пластини, кільце охоплює з повітряним зазором кінці лопатей вітроколеса, на яких закріплені магнітні насадки з радіальною орієнтацією полюсів, причому на сусідніх лопатях насадки різнополярні. 2. Вітроелектричний агрегат за п. 1, який відрізняється тим, що на валу вітроколеса встановлений додатковий електромеханічний індукційний електрогенератор. 4 UA 97699 C2 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 5