Ветроэнергетическая установка

 

Использование: применение в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветроэнергетическая установка содержит поворотное устройство, установленный на нем электрогенератор с горизонтальным валом, турбоконфузор и движитель. Электрогенератор состоит из двух пакетов, имеющих по движительному механизму с меняющимся углом атаки, и помещен в турбоконфузор с входной частью, выполненной в виде конуса, сужающегося к цилиндру. Турбоконфузор снабжен на конце килями, а поворотное устройство размещено на четырех стойках, регулируемых по высоте и опирающихся на опорно-транспортную платформу. 4 ил.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в любых отраслях народного хозяйства, преимущественно в сельском хозяйстве.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая поворотное устройство, установленный на нем генератор с горизонтальным валом, турбоконфузор и движитель.

Недостатком этой установки является низкая эффективность ее работы, заключающаяся в меньшей мощности и количестве вырабатываемой энергии, которая напрямую зависит от параметров и характеристик используемого промежуточного оборудования, например теплового насоса и т.д. Использование мощного насоса в известной установке невозможно из-за прочностных характеристик и габаритных размеров корпуса установки, внутри которого он размещается. Известная установка имеет более сложную конструкцию за счет наличия дополнительных механизмов для отбора тепла от воздуха, обтекающего корпус снаружи и передачи этого тепла воздушному потоку, проходящему внутри корпуса. Это ведет к снижению надежности работы установки в целом.

Кроме того, использование движительного механизма в виде турбины со множеством лопастей способствует получению эффекта запирания в начальный момент времени, пока турбина не раскрутится, и усугубляет процесс самоторможения воздушного потока, способствуя затуханию кинетической энергии воздушного потока в рабочем пространстве корпуса установки при резких скачках-колебаниях воздушного потока, до критически-минимальных значений.

Цель изобретения создание высокоэффективной мобильной надежно работающей при любом ветре ветроэнергетической установки с габаритами в сложенном состоянии, позволяющими транспортировать ее на другое место размещения. Получаемый при использовании предлагаемой установки технический результат состоит в обеспечении высокоэффективной стабильной ее работы при минимальных (с 0,5 м/с) и максимальных (до 50 м/с) скоростях движения воздушной массы вне зависимости от погодных условий и силы ветра в данный конкретный момент времени. Кроме того, изобретение позволяет получить компактную установку в транспортном положении.

Указанный технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей поворотное устройство, установленный на нем электрогенератор с горизонтальным валом, турбоконфузор и движитель, электрогенератор состоит из двух пакетов, имеющих по движительному механизму с меняющимся углом атаки и помещен в турбоконфузор с входной частью, выполненной в виде конуса, сужающегося к цилиндру, при этом турбоконфузор снабжен на конце килями, а поворотное устройство размещено на четырех стойках, регулируемых по высоте и опирающихся на опорно-транспортную платформу.

На фиг. 1 представлена схема ветроэнергетической установки; на фиг.2 - поворотное устройство; на фиг.3 движительный механизм; на фиг.4 - электрическая схема ветроэнергетической установки.

Ветроэнергетическая установка содержит поворотное устройство 1, на котором установлены электрогенератор 2 с горизонтальным валом 3, турбоконфузор 4 и движитель 5. Поворотное устройство 1 размещено на четырех стойках 6, регулируемых по высоте и опирающихся на опорно-транспортную платформу 7, служащую для транспортировки установки с помощью тягача. В нишах платформы 7 размещена аккумуляторная батарея 8, служащая источником питания постоянным током обмоток возбуждения ВОЗБ (фиг.5) электрогенератора 2 и для запитывания согласующих и исполнительных механизмов. Поворотное устройство 1 (фиг.2) содержит верхнюю обойму 9, вращающуюся посредством подшипникового узла 10, например, с помощью радиально-опорного подшипника, вокруг неподвижного опорного узла 11. Для предотвращения бокового и вертикального смещения верхней обоймы 9 служат бортовые ролики 12.

Турбоконфузор 4 состоит из входной части 13, выполненной в виде конуса для концентрации попадающего в него воздушного потока, сужающегося к цилиндру 14. На конце цилиндра 14 турбоконфузор 4 снабжен килями 15, установленными с возможностью перемещения в направлении друг к другу для складывания по параллели (по принципу косого паруса). Длина входной части 13 турбоконфузора 4 больше длины цилиндра 14. Это необходимо для получения относительно небольшого угла бортовых траекторий турбоконфузора и увеличения входного диаметра.

Внутри турбоконфузора 4 размещен электрогенератор 2, состоящий из двух пакетов 16 и 17, имеющих по движительному механизму 5 с меняющимся углом атаки. Каждый из пакетов 16 и 17 включает в себя по пять автономных одинаковых по габаритам секций 18 генераторов небольшой мощности, размещенных на общем валу 3. Электрическая цепь этих секций 18 генераторов собрана в параллельную схему. Секции 18 генераторов снабжены трехфазной обмоткой, в которой наводится трехфазная ЭДС, и работают в качестве источника электрической энергии трехфазного тока с частотой 50 Гц.

Съем и передача электроэнергии осуществляется посредством токосъемных устройств 19, например, пантографного типа, размещенных внутри поворотного устройства 1.

Движитель 5, установленный в конце пакета 16 электрогенератора 2, расположен в начале цилиндра 14, а движитель 5, расположенный в конце цилиндра 14, делит пакет 17 электрогенератора 2 на две части.

Каждый из движителей 5 (фиг.3) состоит из ступицы 20, установленной на валу 3 электрогенератора 2, на которой посредством кронштейнов 21 размещен опорный барабан 22 с двумя лопастями 23 движителя 5. Механизм, меняющий угол атаки лопастей 23 движителя 5, содержит червячный редукторный механизм 24, сопряженный с микродвигателем 25 и установленный жестко на оси лопасти 23 движителя 5. Микродвигатель 25 жестко крепится к кронштейну 21, который соединен со ступицей 20, жестко связанной с горизонтальным валом 3 электрогенератора 2, и крепится к опорному барабану 22 движителя 5. Внутри каждого движителя 5 размещен опорный диск 26, который жестко соединен с корпусом фюзеляжем электрогенератора 2. На диске 26 закреплены два токосъемных устройства 27 и 28 постоянного тока, которые призваны передавать электросигнал к обмоткам возбуждения ВОЗБ (фиг.5) первого 16 и второго 17 пакетов электрогенератора 2 и редукторному механизму 24 изменения угла атаки лопастей 23. Внутри каждой лопасти 23 размещен гидропневматический центробежный механизм (не показан).

В транспортном положении ветроэнергетическая установка, размещенная на опорно-транспортной платформе 7, с помощью регулируемых по высоте стоек 6 занимает крайнее нижнее положение. Верхняя обойма 9 поворотного устройства 1 крепится талрепами к платформе 7 для исключения самопроизвольного поворота энергоблока при транспортировке.

Электрическая схема (фиг.4) включает в себя обмотки возбуждения ВОЗБ первого 16 и второго 17 пакетов электрогенератора 2, связанные с пультом управления, с которым также связан приемник воздушного давления ПВД, служащий для изменения угла атаки лопасти 23 в зависимости от скорости движения воздушной массы. Приемник воздушного давления ПВД связан с блоком реле времени, настроенным на время, связанное с несколькими диапазонами скоростей движения воздушной массы для определенного угла атаки лопасти 23. Для непосредственного изменения угла атаки каждой лопасти 23 применены редукторные микродвигатели МД, каждый из которых задействован на одну лопасть 23 одного и другого движителей 5.

Так как движение воздушной массы по скорости неоднородно и, соответственно, обороты генератора 10 варьируются от 50 до 750 оборотов в минуту, электроэнергия, вырабатываемая электрогенератором 2, также будет неоднородна за счет того, что частота вырабатываемой энергии напрямую связана с частотой оборотов синхронного электрогенератора 2. Для компенсирования неизбежных скачков в электросхеме установки предусмотрено согласующее устройство СУ.

Так как электрогенератор 2 построен по пакетной схеме из параллельно соединенных автономных секций 18 генераторов небольшой мощности, то для получения стабильной электроэнергии при подобной конструкции электрогенератора 2 предусмотрен блок контакторов по числу, равному количеству секций 18 генераторов, собранных в пакеты 16 и 17. Блок контактов является связующим звеном между генераторными секциями 18 и блоком увеличения частоты (блок УЧ) электроэнергии как по току, так и по напряжению, и работает по принципу поочередного отключения.

С блоком увеличения частоты (блок УЧ) напряжения связана система фильтрации, служащая для вычленения оптимальной формы синусоиды (гармоники) в приемнике энергии. Как и во всех известных электрических схемах электровырабатывающих машин, так и в предлагаемой ветроэнергетической установке, в электрической схеме предусмотрено стабилизирующее устройство.

Заключает электрическую цепь распределительное устройство Ру КСО, на которое поступает выработанное установкой переменное напряжение. Одним из необходимых элементов распределительного устройства Ру КСО является пульт управления.

В первоначальный момент времени источником питания постоянным током обмоток возбуждения ВОЗБ первого 16 и второго 17 пакетов электрогенератора 2, а также согласующего устройства СУ, приемника воздушного давления ПВД и исполнительных механизмов изменения угла атаки лопасти 23 служит аккумуляторная батарея 8, необходимая также и для приведения в действие приводных электродвигателей гидросистем и вспомогательных устройств. Для самовозбуждения пакетов 16 и 17 электрогенератора 2 при уже работающей установке в электросхеме предусмотрены блок-выпрямитель и реле-регулятор Р-Р, преобразующие переменный ток в постоянный. Для подзарядки аккумуляторной батареи 8 во время работы установки, а также для питания постоянным током потребителей вспомогательных устройств служит выпрямитель, преобразующий вырабатываемый переменный ток в постоянный.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Предварительно подготавливают ветроэнергетическую установку к работе. Для этого транспортируют опорно-транспортную платформу 7 с размещенной на ней установкой с помощью тягача к месту эксплуатации и фиксируют ее к грунту. Осуществляют открепление талрепов от верхней обоймы 9 поворотного устройства 1, освобождая ее для свободного поворота турбоконфузора 4 в зависимости от направления воздушного потока. Осуществляют подъем турбоконфузора 4 с помощью регулируемых по высоте стоек 6 на максимально предусмотренную высоту. В зависимости от направления ветра посредством килей 15 верхняя обойма 9 поворотного устройства 1 с размещенным на ней турбоконфузором 4 поворачивается и устанавливается на рабочий режим в зависимости от направления ветра, устанавливаясь входной частью 13 турбоконфузора 4 против ветра.

Воздушный поток, получив максимальное ускорение, приводит в работу движители 5. Как только начинают работать движители 5, вместе с ними вращается горизонтальный вал 3 первого 16 и второго 17 пакетов электрогенератора 2. После прохождения турбоконфузора 4 воздушный поток, отдав свою энергию движителям 5 за счет определенных углов килей 15, беспрепятственно выходит из рабочего пространства турбоконфузора 4.

Работа электрической части ветроэнергетической установки осуществляется следующим образом.

С пульта управления осуществляют включение аккумуляторной батареи 8, которая посылает электросигнал для запуска электроприводов исполнительных вспомогательных устройств, осуществляющих приведение ветроэнергетической установки в рабочее положение и служит первоначальным источником питания обмоток возбуждения ВОЗБ пакетов 16 и 17 электрогенератора 2. По мере возрастания оборотов электрогенератора 2 происходит поочередное отключение трансформаторов блока увеличения частоты (блок УЧ). Переменное напряжение с каждой секции 18 электрогенератора 2 поступает через токосъемные устройства 19, размещенные внутри поворотного устройства 1, в систему фильтрации для избирательности формы кривой тока и напряжения, направляемых в распределительное устройство Ру КСО через стабилизатор. Полученную от стабилизатора электрическую энергию распределительное устройство Ру КСО отслеживает своими системами безопасности, концентрируя ее на распределительной панели для безопасности обслуживания потребителей.

Одновременно с направлением сигнала на запитывание обмоток возбуждения ВОЗБ секций 18 электрогенератора 2 с пульта управления посылают сигнал на приемник воздушного давления ПВД и согласующее устройство СУ. Приемник воздушного давления в зависимости от скорости заборной воздушной массы посредством своей рабочей программы через блок реле времени посылает сигналы на исполнительные механизмы изменения угла атаки лопастей 23, которые занимают определенное положение, оптимизируя при этом эффективность работы движителей 5.

Посредством работы согласующего устройства СУ по мере возрастания скорости движения воздушного потока или, наоборот, ее уменьшения производится поочередное отключение или включение тех или иных контакторов и, как производное работы контакторов, включение или отключение устройств увеличения частоты напряжения, выдаваемого электрогенератором 2 в зависимости от скорости его вращения.

Работа всех вспомогательных механизмов направлена на отслеживание и корректировку параметров электрического тока, поступающего на распределительное устройство Ру КСО, независимо от скорости воздушной массы.

При налаженной работе ветроэнергетической установки часть полученной электрической энергии используют для подзарядки аккумуляторной батареи 8 и питания вспомогательных механизмов постоянного тока. Для этого с помощью выпрямителя, включенного от распределительного устройства Ру КСО, производят преобразование переменного напряжения в постоянное, которое направляют через реле-регулятор Р-Р, включенный между выпрямителем и пультом управления в общую схему.

Формула изобретения

Ветроэнергетическая установка, содержащая поворотное устройство, установленный на нем электрогенератор с горизонтальным валом, турбоконфузор и движитель, отличающаяся тем, что электрогенератор состоит из двух пакетов, имеющих по движительному механизму с меняющимся углом атаки, и помещен в турбоконфузор с входной частью, выполненной в виде конуса, сужающегося к цилиндру, при этом турбоконфузор снабжен на конце килями, а поворотное устройство размещено на четырех стойках, регулируемых по высоте и опирающихся на опорно-транспортную платформу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4