Ветроэнергоустановка
Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам защиты ветроэнергоустановок при значительном увеличении скорости воздушного потока. Ветроэнергоустановка содержит мачту с горизонтальной поворотной платформой, на которой установлены электрогенератор и ветротурбина с лопастями, и механическую передачу вращения от вала ветротурбины к валу электрогенератора. Установка снабжена электромагнитным устройством, электрохимической накопительной батареей и управляющей их работой электрической схемой, так, что электромагнитное устройство фиксирует ветротурбину и электрогенератор при увеличении скорости потока свыше допустимого значения. Ветроэнергоустановка содержит лопасти ветротурбины, установленные с возможностью изменения угла установки в потоке, каждая лопасть ветротурбины установлена своим основанием в ступицу с дополнительными степенями свободы перемещения. В качестве электромагнитного устройства применяются электродвигатели, создающие такие моменты упора, чтобы при допустимых скоростях ветра обеспечивать оптимальный угол установки лопастей в воздушном потоке и оптимальную частоту вращения электрогенератора, а в режиме защиты от чрезмерного увеличения скорости потока каждая лопасть вставала на упор и защелку в положение, когда она обеспечивает наименьшее сопротивление воздушному потоку. Использование изобретения позволит повысить коэффициент использования ветроустановки за счет использования энергии ветра в широком диапазоне. 1 з.п ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам защиты ветроэнергоустановок при значительном увеличении скорости воздушного потока.
Известна конструкция ветроэнергоустановки (БСЭ, 1964 г., т.4, стр.590, рис.7), содержащей мачту с горизонтальной поворотной платформой, на которой установлены электрогенератор с валом, ветротурбина с валом и лопастями, установленными с возможностью изменения угла установки в потоке, механическую передачу вращения от вала ветротурбины к валу электрогенератора с возможностью отключения передачи. Недостатком этого технического решения является наличие ненадежной механической передачи, осуществляющей защиту электрогенератора от сверхвысоких частот вращения.
Известен принятый за прототип Способ управления ветроэнергоустановкой и устройство для его осуществления (патент RU 2172864, МПК 7 F03D 7/04), содержащее мачту с горизонтальной поворотной платформой, на которой установлены электрогенератор с валом, ветротурбина с валом и лопастями, установленными с возможностью изменения угла установки в потоке, механическую передачу вращения от вала ротора к валу электрогенератора с возможностью отключения передачи, отличающееся тем, что ротор размещен по отношению к потоку за электрогенератором, осью вращения горизонтальной поворотной платформы и механической передачей, каждое крыло ротора установлено своим основанием в ступицу с двумя дополнительными степенями свободы перемещения, а ветроэнергоустановка снабжена аэродинамическим тормозом осевого плана, размещенным за ротором в направлении вектора скорости потока на валу ротора с возможностью поступательного перемещения вдоль него, подпружиненным к нему и соединенным механически с каждым из крыльев и узлами синхронизации отклонений крыльев в потоке по двум степеням свободы перемещений, а вал ротора установлен в опоре так, что оба его конца консольны. Основным недостатком прототипа является наличие большого числа пружин, при помощи которых осуществляется изменение угла установки лопастей в потоке и торможение ветротурбины. При ураганных ветрах жесткость пружин может оказаться недостаточной. Кроме того, наличие отключаемой механической передачи между ветротурбиной и электрогенератором делает эту конструкцию ненадежной.
Целью настоящего изобретения является создание надежной ветроустановки, неразрушаемой при ураганных ветрах, в конструкции которой отсутствуют отключаемые механические передачи. Кроме того, устройство предлагаемого технического решения предполагает защиту электрогенератора от сверхвысоких частот вращения и связанных с ними разрушений подшипников, а также от перегрева и пробоя изоляции обмотки электрогенератора вследствие перенапряжения.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение коэффициента использования ветроустановки за счет использования энергии ветров в широком диапазоне, в том числе близких к ураганным.
Принцип действия ветроэнергоустановки иллюстрирует фигура 1 и фигуры 2 и 3. На фиг.1 приведены следующие обозначения: УЭ - устройство электромагнитное, ЭГ - электрогенератор, MB - мост выпрямительный, НБ - электрохимическая накопительная батарея, KB - концевой выключатель, имеющий чувствительный элемент, реагирующий на превышение скорости воздушного потока свыше допустимой, VD1 - силовой диод, VD2 - стабилитрон, КК - нормально замкнутый электромагнитный контактор, Кр - катушка реле контактора. В качестве примера чувствительного элемента концевого выключателя можно назвать щиток необходимой площади, размещенный на обтекателе гондолы ветротурбины и воздействующий на концевой выключатель KB при скорости воздушного потока, превышающей критическую.
Ветроэнергоустановка состоит из магнитоэлектрического многофазного бесконтактного электрогенератора ЭГ 1, приводимого в действие ветротурбиной 2. Для защиты от урагана применяется электромагнитное устройство УЭ 3, которое работает следующим образом: пока по его обмотке протекает ток, оно не препятствует вращению ротора электрогенератора ЭГ, если ток не протекает, УЭ либо фиксирует ротор, как показано на фиг.2, либо поворачивает лопасти ветротурбины в положение, оказывающее наименьшее сопротивление воздушному потоку и, таким образом, прекращает вращение ветрогенератора, как показано на фиг.3. В качестве буферного элемента, к которому подключается нагрузка Uн, используется электрохимическая накопительная батарея НБ 4: аккумуляторная или конденсаторная. Концевой выключатель KB 5 установлен на чувствительном устройстве, которое размыкает концевой выключатель при скорости воздушного потока выше допустимого значения, при допустимой скорости воздушного потока KB 5 замкнут.
Принцип действия фиг.1 состоит в следующем. В исходном состоянии контакты концевого выключателя KB 5 замкнуты, контакты КК 6 также замкнуты. При вращении на зажимах генератора вырабатывается переменное напряжение, которое после выпрямления заряжает электрохимическую накопительную батарею 4, одновременно ток через контакты КК 6 поступает на катушку УЭ 3, система расторможена. В том случае, если скорость вращения лопастей находится в допустимых пределах, напряжение через диод VD1 7 поступает на НБ 4 и на нагрузку.
При увеличении скорости воздушного потока до критического значения концевой выключатель KB 4 под воздействием чувствительного элемента размыкается. Напряжение на выходе выпрямительного моста MB 8 превышает опорное напряжение стабилитрона VD2 9, которое «пробивается», и ток поступает в обмотку катушки реле Кр 10, вследствие этого контакт контактора КК 6 размыкается и обесточивает управляющую обмотку УЭ 3. Ветротурбина тормозится и перестает вращаться. Контактор КК 6 замыкается, концевой выключатель KB 5 разомкнут и напряжение НБ 4 не поступает через диод VD1 7 на обмотку УЭ 3.
При уменьшении скорости воздушного потока ниже критического значения KB 5 замыкает цепь и напряжение с НБ 4 поступает на катушку устройства УЭ 3 и ветротурбина начинает вращение, или в отсутствие ветра переходит в режим «ожидания».
Устройство ветроустановки, приведенное на фиг.2, наиболее пригодно для защиты ветроустановок малой мощности, а фиг.3 - средней и большой мощности. Ветротурбина 2 приводит во вращение электрогенератор 1. В качестве электрогенератора на фиг.2 и 3 изображен магнитоэлектрический генератор, имеющий высокие энергетические показатели при минимальной массе. ЭУ 3 представляет собой электромагнитный тормоз для ветроустановок малой мощности (фиг.2), либо установленный на хвостовике каждой лопасти ветротурбины электродвигатель - для ветроустановок большой мощности (фиг.3). Ориентирование ветротурбины по направлению скорости воздушного потока (V∞) происходит при помощи хвоста 11 поворотом вокруг вертикальной оси поворотной платформы 12, установленной на мачте 13.
При достижении критической скорости воздушного потока, фиксируемой чувствительным элементом, воздействующим на концевой выключатель KB 5, по обмотке ЭУ 3 ветроустановки малой мощности - тормоза (фиг.2) - перестает протекать ток, пружины высвобождают «пальцы» тормоза и фиксируют лопасти ветротурбины. При уменьшении скорости воздушного потока до допустимого значения, согласно принципу работы схемы фиг.1, ток снова начинает протекать по обмотке электромагнитного тормоза, «пальцы» тормоза притягиваются, преодолевая жесткость пружин, и освобождают ветротурбину.
Принцип работы электромагнитного устройства ветроустановки большой мощности отличается от вышеописанного. Электродвигатели УЭ (фиг.3) работают в режиме противовключения и препятствуют закрепленным в подшипниках лопастям ветротурбины 2 повернуться так, чтобы не оказывать сопротивления воздушному потоку. Они играют роль «электрических пружин». Их питание происходит от накопительной батареи НБ 4 (фиг.1), при этом потребляемая ими электрическая мощность минимальна. Такого результата можно добиться, используя, например, магнитоэлектрические двигатели.
При малой скорости воздушного потока лопасти занимают близкое к перпендикулярному положение относительно воздушного потока, вращая электрогенератор. При увеличении скорости воздушного потока лопасти начинают все более отклоняться от перпендикулярного положения, оказывая меньшее сопротивление воздушному потоку: создаваемый электродвигателями УЭ 3 момент упора позволяют это сделать. Частота вращения ЭГ 1 стабилизируется, либо слабо возрастает. Таким образом, генератор используется в широком диапазоне скоростей ветра. При скорости воздушного потока, превышающей критическое значение, чувствительный элемент воздействует на концевой выключатель KB 5 и по обмотке двигателей УЭ 3 перестает протекать ток, лопасти встают на механические упоры и защелки в положение, когда они оказывают наименьшее сопротивление воздушному потоку. Электрогенератор останавливается. При снижении скорости ветра до величины меньше допустимого значения по обмотке двигателей УЭ 3 снова начинает протекать ток (см. принцип действия схемы фиг.1) и лопасти, поворачиваясь под действием моментов электродвигателей УЭ 3, уходят из механических защелок. В результате этого ветротурбина 2 начинает вращаться с допустимой частотой вращения.
1. Ветроэнергоустановка, содержащая мачту с горизонтальной поворотной платформой, на которой установлены электрогенератор и ветротурбина с лопастями, механическую передачу вращения от вала ветротурбины к валу электрогенератора, отличающаяся тем, что ветроэнергоустановка снабжена электромагнитным устройством, электрохимической накопительной батареей и электрической схемой, управляющей их работой при помощи чувствительного к скорости воздушного потока элемента так, что электромагнитное устройство фиксирует ветротурбину и электрогенератор при увеличении скорости воздушного потока свыше допустимого значения.
2. Ветроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти ветротурбины установлены с возможностью изменения угла установки в воздушном потоке, каждая лопасть ветротурбины установлена своим основанием в ступицу с дополнительными степенями свободы перемещения и в качестве электромагнитного устройства применяются электродвигатели, создающие такие моменты упора, чтобы при допустимых скоростях ветра обеспечивать оптимальный угол установки лопастей в воздушном потоке и оптимальную частоту вращения электрогенератора, а в режиме защиты от чрезмерного увеличения скорости воздушного потока каждая лопасть вставала на упор и защелку в положение, когда она обеспечивает наименьшее сопротивление воздушному потоку.
