Вітросилова установка

Реферат: Вітросилова установка містить вітроколесо, магнітоелектричний генератор та регулятор потужності, обмежуючий швидкість обертів. Вітроколесо виконано у вигляді тричотирилопатевого гвинта, оправленого кільцем аеродинамічного профілю і встановленого на валу з можливістю поздовжнього зміщення по ньому під тиском вітрового напору і пружини. Ротор генератора, який виконує функцію стабілізатора обертів, конструктивно суміщений з вітроколесом, для чого по тильній потовщеній стороні кільця вітроколеса закріплені бруски постійних магнітів збудження у вигляді кругового ланцюжка. Статор виконаний у формі нерухомого колеса, кільцева площадка якого поєднана з валом за допомогою траверс, на площадці розміщений ланцюжок котушок індуктивності, оснащених феромагнітними сердечниками. Магніти ротора орієнтовані полюсами, що чергуються, до модулів статора. Ротор відносно статора встановлений з зазором , розмір якого змінюється в різних режимах роботи і обмежується за допомогою пружинного амортизатора, що складається з циліндричного корпусу, закріпленого нерухомо на опорі коаксіально валу, і пружини, замкненої всередині корпусу поршнем, що спирається на втулку вітроколеса. Орієнтація вітроколеса на вітер здійснюється за допомогою кіля. Мережа навантаження генератора складається з сітьового і зарядного контурів, які розгалужуються в розподільному щиті, причому зарядний контур оснащений конденсаторною батареєю. UA 98543 C2 (12) UA 98543 C2 UA 98543 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вітроенергетики, зокрема до конструювання та виробництва вітроенергетичних установок для використання в різних галузях господарської діяльності, для індивідуальних потреб, а також в промислових електромережах і для підзарядки резервних акумуляторів-накопичувачів. Переважний ареал роботи: регіони з поривчастими вітрами. Швидкохідні вітрогенератори, що працюють в регіонах з вітрами поривчастого характеру, мають потребу у вузлах, що обмежують швидкість обертання вітроколеса. Причому приймаються до уваги не лише фактори конструкційної міцності, а і той факт, що коефіцієнт використання енергії вітру Сp оптимальний тільки в певному діапазоні швидкохідності вітроколеса. Так, три-чотирилопатеві вітроколеса найбільш рентабельні в діапазоні 2-5-кратної швидкохідності. Утримання їх при експлуатації у цьому інтервалі швидкостей проводиться різноманітними засобами. Відомі засоби зводяться або до зменшення енерговідбору від надвисокопотенціального повітряного потоку, або ж до дисипації надлишку отриманої енергії. Тобто - до втрати надлишкової потужності. Однак, вітроенергоустановки (ВЕУ), які забезпечені вузлами гальмування і адаптовані до роботи в регіоні з примхливими вітрами, як правило, мають підвищений момент стартового зсуву, унаслідок чого їх самозапуск обертається проблемою або взагалі стає неможливим, особливо при слабкому вітрі. І таким чином поєднання обох якостей в одному пристрої призводить до технічного протиріччя, яке в практиці проектування вирішується по-різному. 5 Так, відомий вітродвигун за пат. України № 21028 МПК F03D 1/00, автори Тайє Еліас Бедада та Піпа Б.Ф., заявка № 93040372, пріоритет від 21.10.92, опубл. 27.02.98, Бюл. № 1. Згаданий вітродвигун містить вітроколесо, кожна лопать якого забезпечена пазом, виконаним у радіальному напрямку щодо осі вала, а в пазах встановлені тягарі-противаги, які мають можливість переміщення під тиском відцентрових сил. До недоліків пристрою слід віднести те, що розміщення масивних рухомих елементів безпосередньо на лопатях з неузгодженими позиціями щодо осі обертання, може призвести до розбалансування розподілу мас і збудити небезпечні вібрації і навіть биття вітроколеса при робочих швидкостях обертання. Відома також система регулювання навантаження вітроелектричної установки за А.с. СРСР 4 № 1455039, МПК F03D 9 / 00, автори М. Г. Попович та ін., заявка № 4150060/25-06, пріоритет від 24.11.86, опубл. 30.01.89, Бюл. № 4. Установка містить електронний вузол моніторингу та корекції режиму, за допомогою якого регулюється темп подачі електричної потужності в мережу споживання шляхом зміни опору навантаження. До недоліків системи слід віднести складність конструкції ВЕУ, а також те, що нережимні порції енергії непродуктивно розсіюються на додатковому опорі. Найближчим до технічного рішення, що заявляється, узятим за найбільш близький аналог, є 7 відомий вітродвигун за пат. РФ № 2165544, МПК F03D 1/00, автор Троянов В.Ф., патентовласник Троянов В.Ф., заявка № 99119791/06, пріоритет від 14.09.1999, опубл. 20.04.2001, Бюл. № 11. Ця установка містить вітроколесо, встановлене на несучому валу, та регулятор потужності, який обмежує кутову швидкість. На валу закріплено також регульований трубчастий упор. Регулятор виконаний у вигляді пружини, одягненої на вал між упором і рухомою маточиною. Лопаті вітроколеса виконані поворотними і кінематично пов'язані з регулятором потужності за допомогою тягової тарілки і шарнірних дволанцюгових важелів. Стабілізація обертів проводиться за рахунок зміни кута атаки лопатей. До недоліків прототипу слід віднести наявність складного і схильного до заклинювання вузла керування положенням лопатей, втрати утилізованої потужності при зменшенні кута атаки, а також труднощі самозапуску при незнятому кінематичному зв'язку з електрогенератором. В основу запропонованого рішення поставлена задача підвищення експлуатаційної ефективності та механічної надійності вітроколеса за рахунок скасування вузла повороту лопатей шляхом створення можливості автостабілізаціі швидкості обертання вітроколеса за будь-якого вітрового напору, а також задача зменшення моменту стартового зсуву для забезпечення режиму самозапуску. Поставлена задача вирішується тим, що вітроколесо виконано у вигляді тричотирилопатевого гвинта, оправленого кільцем аеродинамічного профілю і встановленого на валу з можливістю поздовжнього зміщення по ньому під тиском вітрового напору і пружини, ротор генератора, який виконує функцію стабілізатора обертів, конструктивно суміщений з вітроколесом, для чого по тильній потовщеній стороні кільця вітроколеса закріплені бруски постійних магнітів збудження у вигляді кругового ланцюжка, статор виконаний у формі нерухомого колеса, кільцева площадка якого поєднана з валом за допомогою траверс, на площадці розміщений ланцюжок котушок індуктивності, оснащених феромагнітними 1 UA 98543 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сердечниками, причому магніти ротора орієнтовані полюсами, що чергуються, до модулів статора, ротор відносно статора встановлений з зазором , розмір якого змінюється в різних режимах роботи і обмежується за допомогою пружинного амортизатора, що складається з циліндричного корпусу, закріпленого нерухомо на опорі коаксіально валу, і пружини, замкненої всередині корпусу поршнем, що спирається на втулку вітроколеса, орієнтація вітроколеса на вітер здійснюється за допомогою кіля, мережа навантаження генератора складається з сітьового і зарядного контурів, які розгалужуються в розподільному щиті, причому зарядний контур оснащений конденсаторною батареєю. Розглянемо детально відмітні ознаки пристрою, що патентується, на предмет їх відповідності рішенню поставленої задачі. 1. Вітроколесо містить три-чотирилопатевий гвинт, оправлений кільцем аеродинамічного профілю і встановлений на валу з можливістю поздовжнього зміщення по ньому під тиском вітрового напору та пружини. Лопаттева конструкція (імпелер), що утворилася при оправленні гвинта у кільце, дає змогу суттєво знизити перетікання повітря на кінцях лопатей, і тим самим зменшити втрати корисної потужності. Крім того кільце зв'язує лопаті по кінцівках і збільшує механічну міцність конструкції навіть в тому випадку, якщо, як це зроблено в заявці, кільце виготовлено з відносно маломіцного матеріалу, наприклад, з армованої пластмаси. Це дає можливість зміцнити конструкцію з мінімальним збільшенням маси. Здатність протидіяти поперечним навантаженням є дуже важливою якістю вітроколеса, тому що в пристрої, який патентується, навантаження не повинні викликати серйозних деформацій, які негативно впливають на магнітне зчеплення ротора та статора. Крім того, складна конструкція вітроколеса-прототипу має слабкі сторони, оскільки можливе заклинювання лопатей, деформованих великим моментом вітрового тиску. Конструкція, що патентується, приймає симетричні, рівномірно розподілені навантаження. 2. Ротор магнітоелектричного генератора, який виконує функцію регулятора потужності, конструктивно поєднаний з вітроколесом, для чого по тильній потовщеній стороні кільця вітроколеса встановлено бруски постійних магнітів збудження у вигляді кругового ланцюжка. Вітроколесо виконує дві функції: перетворювача кінетичної енергії вітру в обертальний момент та ротора магнітоелектричного генератора. Він несе на собі магніти збудження, виготовлені з жорсткого феромагнетика (наприклад самарій-кобальтового або залізоніодимового складу). Висока питома магнітна енергія таких джерел поля дозволяє отримати сильнийротор при помірному збільшенні його маси. Перерізу кільця надано аеродинамічний профіль, з потовщенням на підвітряному (тильному) боці. Таке профілювання мінімізує додану парусність вітроколеса і формує набігаючий вітровий потік, в результаті чого він отримує додаткове прискорення в периферійній зоні гвинта. На потовщеній частині кільця легко встановлюються бруски постійних магнітів, габарити яких можуть бути узгоджені з геометрією місця їх розміщення так, щоб їх установка не збільшувала аеродинамічного опору вітроколеса. В оптимальному випадку бруски заглиблюють в тіло кільця. Встановлені рівномірно по колу вони стають магнітною системою генератора, яка обертається при роботі разом з колесом. Таким чином, вітроколесо отримує можливість виконувати водночас дві робочі функції, що ставить його в розширену систему зв'язків, яка дає змогу держати під контролем його кінетичні характеристики і оперативно корегувати його експлуатаційні параметри. 3. Статор виконаний у формі нерухомого колеса, кільцева площадка якого з'єднана з валом траверсами, на площадці встановлений ланцюжок котушок індуктивності, причому магніти ротора орієнтовані полюсами, які чергуються, до модулів статора. Статор генератора встановлений на тому ж валу, що і ротор, але з'єднаний нерухомо з опорою пристрою. Подвійна фіксація статора гарантує безпроблемний прийом енергії з боку магнітного поля. Оскільки статор має пропускати відпрацьований на вітроколесі потік повітря, він виконаний теж у вигляді кільцевої площадки, у проріз якої і проходить потік. Кільцева площадка сполучена з валом за допомогою зміцнених траверс, які не перешкоджають проходу повітря. На кільцевій площадці колеса статора закріплені модулі (котушки індуктивності з феромагнітними сердечниками), які при зближенні з рухомими магнітами ротора генерують ЕРС, що збуджує струм у контурі навантаження. Магніти встановлені з переміжною полярністю, що призводить до виникнення максимальних амплітуд імпульсів магнітного потоку із періодичною зміною знака. Таким чином енергія магнітного потоку утилізується з більшим ККД. 4. Ротор встановлений з зазором  відносно статора, розмір якого змінюється в різних режимах роботи і обмежується за допомогою пружинного амортизатора, що складається з циліндричного корпусу, закріпленого нерухомо на опорі коаксіально валу, і пружини, замкненої всередині корпусу поршнем, що спирається на втулку вітроколеса. 2 UA 98543 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Це найбільш важлива відмінна ознака. Коливання товщини зазору залежить від динамічного балансу двох сил: тиску швидкісного напору вітру на вітроприймальні площини гвинта і зустрічного тиску на втулку з боку пружини. При відсутності вітру пружина відводить ротор від статора на максимальне віддалення. При цьому магнітне зачеплення мінімально, і опір рушанню колеса малий. Сильна залежність рівня опору обертанню від товщини зазору між магнітами збудження ротора і модулями статора дає можливість керувати числом обертів вітроколеса шляхом зміни цього зазору. При збільшенні вітрового напору збільшується також швидкість обертів, але пружина стискається і зазор зменшується, що призводить до пропорційного збільшення моменту опору обертанню за рахунок збільшення потужності, що генерується. Два різноспрямованих силових тиски конкурують, що в результаті захищає вітроколесо від надмірної розкрутки. Таким чином, конструкція, що патентується, містить в невираженому вигляді гальмо, яке вбудовано в існуючу конструкцію за рахунок виконання деталями ротора декількох функцій одночасно, а не за рахунок введення спеціалізованого вузла гальмування. 5. Ланцюг навантаження генератора складається з мережевого і зарядного контурів, які розгалужуються в розподільному щиті, причому зарядний контур оснащений конденсаторною батареєю. Розгалуження струму дає можливість, не втрачаючи виробленої електроенергії на гасячому навантаженні, підтримувати постійний рівень мережевого енергопостачання, депонуючи надлишкову енергію в акумуляторних батареях. Аналіз співвідношення відмінних ознак показує, що поставлена задача вирішується в даному технічному рішенні. За наявними в авторів відомостями запропоновані суттєві ознаки, що характеризують суть винаходу, не відомі ні в даному, ні в суміжних розділах техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні і розробці ВЕУ, які встановлюються в регіонах з рвучкими вітрами. Опис вітросилової установки ілюструється рисунками, де на фіг. 1 наведений загальний вигляд установки в розрізі, на фіг. 2 представлена схема статора, а на фіг. 3 - схема ротора електрогенератора. Вітросилова установка (Фіг. 1) містить вітроколесо 1 і магнітоелектричний генератор, встановлені на спільному нерухомому валу 2, закритому з боку вітрового потоку порожнистим обтічником 3. Статор генератора (Фіг. 1 та Фіг. 2) виконаний у вигляді колеса, кільцева площадка 4 якого з'єднана з валом 2 зміцненими (профільованими) траверсами 5, і закріплений на валу нерухомо. На кільцевій площадці 4 встановлено ланцюжок модулів 6 - котушок індуктивності, оснащених феромагнітними сердечниками (не показані). Ротор генератора (Фіг. 1 та Фіг. 3) конструктивно поєднаний з вітроколесом 1. Вітроколесо містить 3-4-лопатевий гвинт 7, оправлений кільцем 8 аеродинамічного профілю і встановлений на валу 2 з можливістю обмеженого та контрольованого поздовжнього зміщення по ньому під тиском вітрового напору. Кільце 8, виготовлене з армованої пластмаси і жорстко посаджене на гвинт 7, перетворює вітроколесо в пов'язану конструкцію, що збільшує його механічну міцність і дозволяє встановити на ньому магнітну систему збудження генератора, виконану з постійних магнітів 9. Магніти встановлені (втоплені в тілі кільця) у вигляді періодичного ланцюжка по тильній стороні кільця 8 і звернені полюсами, що чергуються, до модулів статора. відносно статора вітроколесо 1 встановлено з зазором , товщина якого змінюється в різних режимах роботи, і обмежується за допомогою пружинного амортизатора, що складається з циліндричного корпусу 10, закріпленого нерухомо на опорі 11 коаксіально валу 2, і пружини 12, замкненої всередині корпусу поршнем 13, що спирається на втулку 14 вітроколеса 1. Втулка 14, яка може бути оснащена тефлоновою вставкою (не показана), фрикційно зсовується по валу 2 під дією двох конкуруючих сил: тиску вітрового напору на вітроколесо і опору пружного стиснення пружини 12. Баланс цих сил у кожній фазі режиму визначає місцеположення вітроколеса, від якого залежить товщина зазору  між робочими полюсними гранями магнітів 9 і робочою площиною ланцюжка модулів 6 статора. У пристрої застосовується флюгерний спосіб орієнтації на вітер, що реалізується за допомогою кіля 15. Ланцюг навантаження генератора складається з зарядного 16 і мережевого 17 контурів, які розгалужуються в розподільному щиті 18. Зарядний контур оснащений конденсаторною батареєю 19. Описана установка працює наступним чином. При виставленні ВЕУ на вітер потік, що набігає, зустрічає вітроколесо 1, що знаходиться в холостому режимі, оскільки без робочого навантаження пружина 12 розпрямляється і розсовує ротор і статор на максимальну відстань mах, при якому магнітне зчеплення їх незначне. Оскільки в цьому положенні вони фактично не взаємодіють, то опір зрушенню невеликий і 3 UA 98543 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 визначається тільки інерційністю вітроколеса. Дія вітру на колесо стискає пружину 12, причому стиск пропорційний силі вітру, і магнітна взаємодія ротора і статора зростає пропорційно зменшенню зазору . Таким чином, запустившись при малому навантаженні, вітроколесо 1 набирає обертів при постійно зростаючому опорі обертанню, обумовленому підвищенням робочого навантаження генератора (енерговідбором). Таке плавне входження в режим не лише сприяє легкому самозапуску, але і вирівнює навантаження на генератор. Якщо швидкість вітру стає надмірно великою, то виробництво енергії форсується, оскільки зазор  стає мінімальним. На такі випадки магістраль споживання розгалужена на два контури: мережний 17 і зарядний 16. В залежності від інтенсивності енерговироблення вмикається або мережевий, або зарядний, оснащений акумуляторною батареєю, контур, або ж обидва разом. Зайва енергія передається на зберігання в батареї 19. Наявність у складі вітроколеса кільця 8 з двома скатами формує потік так, що на гвинт 7 надходить прискорений потік, стиснутий внутрішнім скатом кільця. Зовнішній скат відбиває потік за площину, яка омітається вітроколесом, в обхід кільцевої площадки статора 4, що полегшує як обтікання, так і видалення відпрацьованого повітря з тильної зони установки. А також зменшує загальну парусність установки. Установка, що патентується, являє собою ВЕУ із змінним зазором між ротором і статором електрогенератора, що дає можливість автоматично синхронізувати рівні приходу і витрат енергії. На відміну від вітродвигуна - найбільш близького аналога, в якому регулювання числа обертів проводиться шляхом оперативної зміни коефіцієнта використання енергії вітру С р (за рахунок управління кутом нахилу лопатей до потоку), в установці, що патентується, швидкість обертів регулюються за допомогою зміни роторно-статорного повітряного зазору. Таке рішення проблеми має ту перевагу, що міцність і монолітність вітроколеса не послаблюються, а, навпаки, збільшуються. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Вітросилова установка, що містить вітроколесо і магнітоелектричний генератор, які встановлені на спільному нерухомому валу, та регулятор потужності, обмежуючий швидкість обертів, яка відрізняється тим, що вітроколесо виконано у вигляді три-чотирилопатевого гвинта, оправленого кільцем аеродинамічного профілю і встановленого на валу з можливістю поздовжнього зміщення по ньому під тиском вітрового напору і пружини, ротор генератора, який виконує функцію стабілізатора обертів, конструктивно суміщений з вітроколесом, для чого по тильній потовщеній стороні кільця вітроколеса закріплені бруски постійних магнітів збудження у вигляді кругового ланцюжка, статор виконаний у формі нерухомого колеса, кільцева площадка якого поєднана з валом за допомогою траверс, на площадці розміщений ланцюжок котушок індуктивності, оснащених феромагнітними сердечниками, причому магніти ротора орієнтовані полюсами, що чергуються, до модулів статора, ротор відносно статора встановлений з зазором , розмір якого змінюється в різних режимах роботи і обмежується за допомогою пружинного амортизатора, що складається з циліндричного корпусу, закріпленого нерухомо на опорі коаксіально валу, і пружини, замкненої всередині корпусу поршнем, що спирається на втулку вітроколеса, орієнтація вітроколеса на вітер здійснюється за допомогою кіля, мережа навантаження генератора складається з сітьового і зарядного контурів, які розгалужуються в розподільному щиті, причому зарядний контур оснащений конденсаторною батареєю. 4 UA 98543 C2 5 UA 98543 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 6