Вітрогенератор

Реферат: Вітрогенератор належить до галузі відновлюваної енергетики. Більш детально заявлене технічне рішення стосується засобів перетворення кінетичної енергії вітру в енергію інших типів, зокрема для одержання механічної та електричної енергії, вітрогенератор з вертикальною віссю обертання містить ротор, вітроколесо, статор, опору, контролер, акумуляторну батарею, інвертор. За допомогою заявленого рішення здійснюється перетворення кінетичної енергії вітру в електричну енергію зі збільшенням робочого діапазону швидкості вітру, при якому забезпечується робота вітрогенератора на низьких швидкостях вітру та коригується швидкість обертання вітроколеса на високих швидкостях вітру, а також зменшення впливу ефекту обтискання. UA 113379 C2 (12) UA 113379 C2 UA 113379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вітрогенератор належить до галузі відновлюваної енергетики. Більш детально заявлене технічне рішення стосується засобів перетворення кінетичної енергії вітру в енергію інших типів, зокрема для одержання механічної та електричної енергії. Ще більш конкретніше вітрогенератор належить до енергогенераторів, зокрема до вітрових електричних установок з вертикальною віссю. Заявлене технічне рішення може бути використаним для забезпечення електричною енергією електромереж побутового та промислового призначення, що споживають електроенергію малої та середньої потужності. З рівня техніки відома турбіна Дар'є з вертикальною віссю обертання ротора (розкрита і описана в патенті США US1835018 від 08.12.1931), яка має ротор, що складається зі щонайменше двох аеродинамічних крил, які виконані у вигляді лез переважно напівкруглої форми. Кінці кожного леза нерухомо закріплені на роторі. Дане технічне рішення є хрестоматійним і в подальшому підлягало вдосконаленню. Недоліком даної турбіни є високі динамічні навантаження на вертикальну вісь та помітний шум. З рівня техніки відомий патент Канади СА2812401А1, в якому розкрита конструкція вітротурбіни з вертикальною віссю містить множину крил, ротор, модуль контролю та акумуляторну батарею та магнітну систему. Дане рішення є простим у виготовленні і дозволяє виконувати перетворення кінетичної енергії вітру при середніх значеннях його швидкості. Недоліками даного винаходу є утворений траверсами опір вітру, що потребує більш високу швидкість вітру для запуску вітротурбіни. Ще одним прикладом з рівня техніки є патент Грузії GEP20043207 В, в якому описана вітрова силова установка, яка включає електричний генератор, вітрове колесо з вертикальними крилами, які закріплено на рамі. Вітрове колесо виконано з можливістю обертання навколо своєї осі, що співпадає з вертикальною віссю основи. Установка містить генератор на постійних магнітах. Генератор поєднаний з двигуном. Недоліками даного рішення є вузький діапазон швидкості вітру, при якій виконується перетворення кінематичної енергії. При високих швидкостях вітру спостерігається надмірне навантаження на генератор, що впливає на зменшення циклів зарядка/розрядка акумулятора. З рівня техніки відома заявка США US20150322918 А1, в якій розкрита п'єзоелектрична вітрова турбіна, в якій крило має в поперечному перерізі симетричну форму відносно подовжньої осі, де один край поперечного перерізу крила має еліпсоподібну форму, яка рівномірно сходиться до точки на іншому краю поперечного перерізу. Сила вітру спричиняє крила повертатися навколо вертикальної осі. Недоліком даного рішення є висока стартова швидкість вітру, необхідна для запуску вітрової турбіни, яка викликана опором траверс, а також конструкцією вітроколеса. З рівня техніки відомий патент Кореї KR101293053 В1, в якому описана вітрова турбіна з вертикальною віссю, в якій застосовано генератор на постійних магнітах. Недоліком даного рішення є високий вплив ефекту обтискання, викликаний безпосереднім розташуванням постійних магнітів ротора та статора. Отже, існує потреба у створенні такого вітрогенератора, в якому реалізована можливість збільшення діапазону робочих допустимих значень швидкості вітру. Як найближчого аналог вибрана конструкція вітрогенератора з патенту України на винахід UA86126 С2, в якому описано вітрогенератор, що містить ротор, встановлений на одному валу з вітроколесом, і статор, електромагнітна система якого складається з обмоток, установлених на кільцевому магнітопроводі. Протилежні магніти мають однакову полярність, на середній пластині між відповідними парами магнітів закріплені модулі, що складаються із шихтованих осердь з котушками індуктивності й утворюють круговий ланцюжок з полюсним діленням, співпадаючим з полюсним діленням системи магнітів. Магнітні потоки статора замикаються через систему магнітопроводів, які служать елементами опорної конструкції генератора. До недоліків цього рішення належать застосування вітрогенератора в обмеженому діапазоні значень швидкості вітру без адаптації до зміни цієї швидкості вітру. Дане рішення вибрано як найближчий аналог заявленого вітрогенератора. Спільними ознаками відомого рішення із заявленим є ротор, вітроколесо, статор, причому вісь обертання ротора і вітроколеса співпадає з вертикальною віссю обертання. Враховуючи вищенаведене, існує нагальна потреба у забезпеченні розширеного робочого діапазону швидкості вітру, при якому забезпечується робота вітрогенератора на низьких швидкостях вітру та коригується швидкість обертання вітроколеса на високих швидкостях вітру, а також зменшення впливу ефекту обтискання. Задачею, на вирішення якої спрямоване заявлене технічне рішення, полягає у створенні такої конструкції вітрогенератора, в якій здійснюється перетворення кінетичної енергії вітру в електричну енергію зі збільшенням робочого діапазону швидкості вітру, при якому 1 UA 113379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 забезпечується робота вітрогенератора на низьких швидкостях вітру та коригується швидкість обертання вітроколеса на високих швидкостях вітру, а також зменшення впливу ефекту обтискання. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що вітрогенератор з вертикальною віссю обертання включає ротор, вітроколесо, статор. При цьому вісь обертання ротора і вітроколеса співпадає з вертикальною віссю обертання. Згідно з технічним рішенням вітрогенератор містить опору, контролер, акумуляторну батарею, інвертор. При цьому ротор розміщено в центрі симетрії вітроколеса. Вітроколесо містить щонайменше три траверси, кожна з яких нерухомо прикріплена одним кінцем до ротора. Траверси мають однакову довжину та однаковий кут, через який траверси прикріплені до ротора. При цьому траверси розміщені в одній площині, яка співпадає або є паралельною з віссю обертання вітроколеса, а на кожному з других кінців траверси закріплено одне крило. При цьому крило має в поперечному перерізі симетричну форму відносно подовжньої осі, де один край поперечного перерізу крила має еліпсоподібну форму, яка рівномірно сходиться до точки на іншому краю поперечного перерізу, а крило виконано з алюмінію, скловолокна, склотекстоліту, текстоліту, склопластик, епоксидної смоли або комбінації щонайменше двох наведених матеріалів. При цьому на одному кінці опори розміщено ротор, який виконано з можливістю обертання на опорі та статор, який нерухомо закріплений на опорі. При цьому ротор містить щонайменше одну пару постійних магнітів, звернених один до одного сторонами з різною полярністю, де пара постійних магнітів виконана з можливістю обертання разом з ротором. При цьому статор виконаний у вигляді котушки індуктивності, яка має товщину в діапазоні від 2 до 4 мм. При цьому між котушкою індуктивності та магнітами ротора наявний зазор, величина якого забезпечує можливість замикання магнітного потоку. Крім того, контролер має корпус, який містить входи та виходи, у тому числі інформаційні входи та виходи, та процесор, на якому записаний програмний код, виконаний з можливістю обробки вхідних сигналів та надання вихідних команд. При цьому контролер виконаний з можливістю надавати команди для - визначення швидкості обертання вітроколеса і ротора шляхом визначення значення генерованого струму, - визначення рівня заряду та рівня споживання електроенергії акумуляторної батареї шляхом визначення значення напруги на виході акумулятора, - порівняння значення рівня генерованого струму з попередньо заданими збереженими рівнями струму для зменшення або збільшення величини подаваного струму на акумуляторну батарею для її зарядження в залежності від швидкості вітру. Крім того, акумуляторна батарея сполучена з контролером та інвертором. При цьому акумуляторна батарея виконана з можливістю зарядження від генерованого обертанням вітроколеса та ротора струму. Вихід інвертора підключено до зовнішньої електромережі, яка містить пристрої споживання. Далі буде наведено причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак заявленого рішення конструкції вітрогенератора та технічним результатом. Враховуючи те, що заявлене технічне рішення може бути модифіковане та мати альтернативні варіанти виконання, наведений далі опис приведено як приклад для характеристики його суті та можливості здійснення. Має бути очевидним, що наданий детальний опис не призначений для обмеження заявленого рішення наведеними окремими варіантами втілення, а навпаки, включає всі модифікації, еквіваленти та альтернативи, які підпадають під суть та обсяг патентної охорони, визначеної формулою заявленого рішення конструкції вітрогенератора. Суть заявленого технічного рішення пояснюється схематичними кресленнями, які жодним чином не обмежують можливість реалізації заявленого рішення конструкції вітрогенератора та ймовірні інші варіанти його втілення в межах розкритого у формулі технічного рішення. Наведені креслення пояснюють суть реалізації рішення за допомогою умовного матеріального об'єкта, якому властиві включені до формули ознаки. На Фіг. 1 зображено схематичне виконання вітрогенератора. На Фіг. 2 зображено схематичне виконання частини вітрогенератора, яке включає ротор та статор. Під наведеними позиціями на кресленнях слід розуміти наступне 1 - крило, 2 - траверса, 3 ротор, 4 - статор, 5 - опора, 6 - контролер, 7 - акумуляторна батарея, 8 - інвертор, 9 - сполучний елемент, 10 - опора траверси, 11 - диск верхньої частини ротора, 12 - магніт, 13 - втулка, 14 диск нижньої частини ротора, 15 - кріплення, 16 - стрижень, 17 - маточина, 18 - кронштейн. 2 UA 113379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Під вертикальною віссю в подальшому слід розуміти таке розташування ротора, що вісь його обертання є перпендикулярною до потоку вітру. Вісь обертання може бути розміщеною як перпендикулярно до основи або поверхні землі, так і під іншим кутом. Наприклад, в турбіні Горлова вісь обертання ротора є паралельною земній поверхні. Заявлене технічне рішення може бути застосоване в установках електричних вітрових, визначених в, ДСТУ 4037-2001. Вітроенергетика. Установки електричні вітрові. Загальні технічні вимоги (ДСТУ 4037-2001. Вітроенергетика. Установки електричні вітрові. Загальні технічні вимоги), ДСТУ 4051-2001. Вітроенергетика. Станції електричної вітрові. Загальні технічні вимоги. Зі зміною № 1 (ДСТУ 4051-2001. Вітроенергетика. Станції електричні вітрові. Загальні технічні вимоги. Зі зміною № 1). Градація параметрів вітру для України може бути взятою з ДСТУ-Н Б В.1.1-27:2010 Будівельна кліматологія. Як показано на Фіг. 1, вітрогенератор з вертикальною віссю обертання містить ротор 3, вітроколесо, статор 3, опору 5, контролер 6, акумуляторну батарею 7, інвертор 8. При цьому ротор розміщено в центрі симетрії вітроколеса. Тобто вісь обертання ротора суміжна з віссю симетрії вітроколеса і, переважно, співпадає з вертикальною віссю основи. Розташування цих осей на паралельних лініях призведе до нерівномірного розподілу відцентрової сили, що призведе до додаткового навантаження на основу та подальшого її виходу з ладу. Вітроколесо містить щонайменше три траверси 2, кожна з яких нерухомо прикріплена одним кінцем до ротора 3. Більша кількість траверс збільшує опір вітру і уповільнює обертання вітроколеса, що в свою чергу зменшує значення генерованого струму. Траверси 2 мають однакову довжину та однаковий кут, через який траверси прикріплені до ротора 3. Це дозволяє рівномірно розподілити навантаження на ротор, утворене при обертанні вітроколеса, і спрямоване у напрямку, перпендикулярному до осі обертання ротора та вітроколеса. Вітроколесо переважно включає ротор, траверси та крила. При цьому траверси 2 розміщені в одній площині, яка співпадає або є паралельною з віссю обертання вітроколеса, а на кожному з других кінців траверси закріплено одне крило 1. Крило 1 закріплено нерухомо на траверсі 2 і за наявністю вітру повертається за напрямком, що співпадає з напрямком вітру. Тобто крило ініціює рух вітроколеса за наявністю необхідно площі крила, що взаємодіє з вітром, та сили вітру. Поки одне крило рухається за вітром (фронтальне крило), інші два рухаються проти або поперек вітру, доки їх обертальний рух не співпаде з напрямком руху вітру, але вони теж приймають участь в обертальному моменті за рахунок форми, більш того, вони допомагають фронтальному крилу. При цьому крило має в поперечному перерізі симетричну форму відносно подовжньої осі, де один край поперечного перерізу крила має еліпсоподібну форму, яка рівномірно сходиться до точки на іншому краю поперечного перерізу. Така аеродинаміка крила дозволяє рухатися проти напрямку вітру з меншим опором. Крило виконано з алюмінію, скловолокна, склотекстоліту, текстоліту, склопластику, епоксидної смоли або комбінації щонайменше двох наведених матеріалів. Кожен з цих матеріалів має меншу щільність, ніж зазвичай застосовані листи сплавів неалюмінієвих металів та листове залізо, в 2-3 рази. При цьому в заявлених матеріалах спостерігається більша міцність в 2-3 рази. Варто відмітити, що така конструкція крила дозволяє безшумне обертання вітроколеса, що попереджає акустичне забруднення території, на якій встановлено вітрогенератор, зокрема запобігає примусовому відлякуванню птахів. Обертання вітроколеса відбувається виключно за рахунок тиску на крило вітру. Це свідчить про екологічність вітрогенератора. На одному кінці опори розміщено ротор, який виконано з можливістю обертання на опорі та статор, який нерухомо закріплений на опорі. Інший кінець опори закріплено на несучій поверхні, яка може бути, в залежності від місця встановлення, дахом, землею, бетонним або іншим фундаментом чи постаментом та інші. Як видно на Фіг. 2, ротор містить щонайменше одну пару постійних магнітів, звернених один до одного сторонами з різною полярністю, яка виконана з можливістю обертання разом з ротором. Для цього ротор виконано таким, що має верхню частину, яка містить опору траверси 10, розміщену між сполучним елементом 9 та магнітним диском верхньої частини ротора 11. До іншої сторони магнітного диска верхньої частини ротора прикріплений щонайменше один постійний магніт 12. Нижня частина ротора містить магнітний диск нижньої частини ротора, на зверненій до верхньої частини ротора поверхні розміщено щонайменше один постійний магніт, полярність якого є протилежною до полярності магніту верхньої частини ротора. Кількість магнітів є пропорційно залежною від значення величини струму (а відповідно - потужності), який генерується. Це дозволяє адаптувати вітрогенератор відповідно до потреб користувача. Нижня та верхня частини ротора закріплені на маточині 17, який виконаний обертовим на основі 5. Між магнітами верхньої та нижньої частини наявний зазор. Верхня та нижня частини ротора 3 UA 113379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 скріплені між собою за допомогою стрижнів 16, зафіксованих кріпленнями, наприклад, гайками 15. Така фіксація дозволяє відрегулювати та підтримувати постійною величину зазору між верхньою та нижньою частиною ротора. Це запобігає стопорінню ротора під час його обертання. Разом конструкція ротора та вітроколеса дозволяє встановити мінімальну швидкість вітру для ініціації спрацьовування вітрогенератора на рівні не більше ніж 2 м/с. Цей показник вказує на широку географію застосування даного технічного рішення. Статор 4 виконаний у вигляді котушки індуктивності, яка має товщину в діапазоні від 2 до 4 мм. Статор встановлюється в зазор між верхньою та нижньою частинами ротора, точніше в зазор між магнітами верхньої та нижньої частинами ротора. На основі закріплено кронштейн 18, який за допомогою стрижнів та наявних на ньому кріпленнях дозволяє встановити статор нерухомо із збереженням необхідних зазорів між магнітами ротора. Кріплення дозволяють регулювати цей зазор та фіксують статор в певному положенні. При застосуванні магнітної системи в роторі, має місце ефект обтискання, спричинений силами магнітного поля, який притягує один до одного магніти різної полярності. Цей ефект не може бути повністю усунений, оскільки його відсутність вказує на те, що обмотка статора не збуджується магнітним полем, і, відповідно, генерація струму не відбувається. Тому між котушкою індуктивності та магнітами ротора наявний зазор, величина якого забезпечує можливість замикання магнітного потоку. Переважно такий зазор становить приблизно 0,3 мм. Контролер 6 має корпус, який містить входи та виходи, у тому числі інформаційні входи та виходи, та процесор, на якому записаний програмний код, виконаний з можливістю обробки вхідних сигналів та надання вихідних команд. По суті контролер є блоком керування вітрогенератором, який виконаний з можливістю надавати команди для, зокрема, визначення швидкості обертання вітроколеса і ротора шляхом визначення значення генерованого струму. До контролера вносять дані, які відповідають попередньо визначеним значенням величини генерованого струму в залежності від швидкості вітру. При досягненні генерованого струму певного значення, контролер виконує автоматичне коригування, про яке буде наведено нижче. Контролер виконаний з можливістю визначення рівня заряду та рівня споживання електроенергії акумуляторної батареї шляхом визначення значення напруги на виході акумулятора. Чим більша швидкість розрядження акумулятора, тим більша потреба в електроенергії у мережі. В залежності від залишку заряду акумулятора, контролер ініціює програмним шляхом процес зарядки акумулятора 7. Це дозволяє забезпечити автономність роботи вітрогенератора. Контролер також виконаний з можливістю порівняння значення рівня генерованого струму (генерованої напруги) з попередньо заданими збереженими рівнями струму для зменшення або збільшення величини подаваного струму на акумуляторну батарею для її зарядження в залежності від швидкості вітру. Під даною можливістю розуміється захист вітрогенератора від ураганного вітру. При досягненні високої швидкості вітру, наприклад більше 24-26 м/с, контролер програмним переводить роботу вітрогенератора в режим максимального завантаження, тобто вітроколесо буде обертатися дуже повільно. Таким чином, хоч контролер буде знімати мінімальне значення напруги, але при цьому струм буде зніматися та подаватися на акумулятор. Це запобігає аварійному стану для вітрогенератора, зокрема запобігає надмірному навантаженню на акумулятор, що значно продовжує строк його роботи. Акумуляторна батарея 7 сполучена з контролером та інвертором 8. При цьому акумуляторна батарея виконана з можливістю зарядження від генерованого обертанням вітроколеса та ротора струму. Крім того, акумуляторна батарея запобігає потраплянню в електромережу імпульсів струму, викликаних через нерівномірність швидкості вітру. Крім того, вирівнюються значення подаваної з акумулятора до електромережі (через інвертор) миттєвих значень струму. Утворений струм потрапляє до контролера, де перетворюється зі змінного струму в постійний струм. Ступінь та умови заряджання керуються контролером програмним шляхом. Інвертор слугує для перетворення постійного струму в змінний. Вихід інвертора підключено до зовнішньої електромережі, яка містить пристрої споживання. Принцип роботи електрогенератора пояснюється наступним прикладом. Даний приклад не є таким, що обмежує суть технічного рішення і слугує для розуміння фахівцем суті заявленого вітрогенератора. За наявності вітру, швидкість якого перевищує 2 м/с, починає обертатися вітрове колесо. Разом з вітроколесом обертається і ротор, при цьому магніти збуджують в котушці індуктивності магнітне поле, а на виході котушки з'являється напруга, а струм подається до контролера. Контролер визначає значення вхідного струму з котушки індуктивності, та визначає ступінь 4 UA 113379 C2 5 заряду акумуляторної батареї. Якщо споживання електроенергії є низьким, акумуляторна батарея розряджена, а швидкість вітру є сильною, то контролер програмно встановлює режим зарядки акумуляторної батареї. Якщо вітер є дуже сильним, акумуляторна батарея зарядженою, а споживання відсутнє, контролер програмно переводить роботу вітрогенератора в баластний режим, коли вітроколесо буде обертатися дуже повільно, буде мінімальне значення напруги але струм буде зніматися. Як баласт може бути резистор, акумуляторна батарея тощо. Для фахівців в даній галузі техніки очевидні можливі подальші модифікації заявленого об'єкта, що охоплюється суттю та межами заявленого об'єкта, як це розкрито у формулі. 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 45 Вітрогенератор з вертикальною віссю обертання, який включає ротор, вітроколесо, статор, причому вісь обертання ротора і вітроколеса співпадає з вертикальною віссю обертання, який відрізняється тим, що вітрогенератор містить опору, контролер, акумуляторну батарею, інвертор, причому ротор розміщено в центрі симетрії вітроколеса, причому вітроколесо містить щонайменше три траверси, кожна з яких нерухомо прикріплена одним кінцем до ротора, причому траверси мають однакову довжину та однаковий кут, через який траверси прикріплені до ротора, причому траверси розміщені в одній площині, яка співпадає або є паралельною з віссю обертання вітроколеса, а на кожному з других кінців траверси закріплено одне крило, причому крило має в поперечному перерізі симетричну форму відносно подовжньої осі, де один край поперечного перерізу крила має еліпсоподібну форму, яка рівномірно сходиться до точки на іншому краю поперечного перерізу, а крило виконано з алюмінію, скловолокна, склотекстоліту, текстоліту, склопластику, епоксидної смоли або комбінації щонайменше двох наведених матеріалів, причому на одному кінці опори розміщено ротор, який виконано з можливістю обертання на опорі, статор, який нерухомо закріплений на опорі, причому ротор містить щонайменше одну пару постійних магнітів, звернених один до одного сторонами з різною полярністю, яка виконана з можливістю обертання разом з ротором, статор виконаний у вигляді котушки індуктивності, яка має товщину в діапазоні від 2 до 4 мм, причому між котушкою індуктивності та магнітами ротора наявний зазор, величина якого забезпечує замикання магнітного потоку, крім того, контролер має корпус, який містить входи та виходи, у тому числі інформаційні входи та виходи, та процесор, на якому записаний програмний код, виконаний з можливістю обробки вхідних сигналів та надання вихідних команд, причому контролер виконаний з можливістю надавати команди для визначення швидкості обертання вітроколеса і ротора шляхом визначення значення генерованого струму, визначення рівня заряду та рівня споживання електроенергії акумуляторної батареї шляхом визначення значення напруги на виході акумулятора, порівняння значення рівня генерованого струму з попередньо заданими збереженими рівнями струму для зменшення або збільшення величини подаваного струму на акумуляторну батарею для її зарядження в залежності від швидкості вітру, крім того, акумуляторна батарея сполучена з контролером та інвертором, причому акумуляторна батарея виконана з можливістю зарядження від генерованого обертанням вітроколеса та ротора струму, вихід інвертора підключено до зовнішньої електромережі, яка містить пристрої споживання. 5 UA 113379 C2 6 UA 113379 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7