комплекс ветроэнергетический

Формула изобретения

1. Комплекс ветроэнергетический, содержащий контрроторные вертикально-осевые ветродвигатели на основе НМ-роторов Дарье с траверсами и крыльями аэродинамического профиля, многополюсный электрогенератор, отличающийся тем, что он снабжен дополнительно планетарной суммирующей передачей, механизмом автоматического сцепления, электромеханическим тормозом, при этом крылья выполнены двояковыпуклыми с установленными сверху и снизу двояковыпуклыми аэродинамическими шайбами, края которых выступают над краями крыла, а траверсы в сечении имеют двояковыпуклую форму с хордой, расположенной под углом атаки, имеющим значение от 0 до 20° к горизонтальной плоскости, причем вал первого ветродвигателя соединен с водилом сателлитов планетарной суммирующей передачи, наружное обегающее колесо сателлитов которой соединено с валом второго ветродвигателя, а вал центрального солнечного колеса соединен с ротором многополюсного электрогенератора через механизм автоматического сцепления, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, другой выход которого соединен с входом электромеханического тормоза, взаимодействующего с валом центрального солнечного колеса, а входы блока управления подключены соответственно к выходам датчика тока и напряжения нагрузки и датчика частоты вращения электрогенератора, выход которого соединен с нагрузкой через последовательно соединенные выпрямитель, конвертор и инвертор.

2. Комплекс ветроэнергетический по п.1, отличающийся тем, что к валу верхнего ветродвигателя присоединена через дополнительный подшипниковый узел неподвижная крыша, основание которой выполнено в виде радиально расходящихся штанг, закрепленных одними концами к неподвижной изолированной части дополнительного подшипникового узла, на котором установлен высоковольтный изолятор с молниеприемником, соединенным через металлические стропы оттяжки и шарниры, установленные на других концах штанг, с анкерными узлами, некоторые из которых заземлены, причем на тканепленочном покрытии верхней части крыши, края которой выполнены в виде конфузора, укреплены фотоэлектрические батареи, выходы которых через кабель хотя бы одной стропы-кабеля соединены с приемником энергии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области устройств, предназначенных для получения электрической энергии путем использования возобновляемых источников энергии, в частности энергии ветрового потока, и может быть использовано для автономного энергоснабжения отдаленных, труднодоступных объектов, а также для целей отдельных энергопотребителей.

Известно устройство по патенту России №2000469, F03/D 3/06 от 06.05.1992 г., содержащее ветроколесо с вертикальной осью вращения, ротор Савониуса и жестко связанные с ним лопасти Н-ротора Дарье, соотношения диаметров которых согласованы по быстроходности с учетом также числа лопастей. Лопасти содержат на концах аэродинамические шайбы. Общий вал роторов ветроколес соединен через мультипликатор с электрогенераторами.

Это устройство недостаточно эффективно, т.к. имеющийся в его составе мультипликатор увеличивает момент трогания и инерционность составного ротора ветроколеса.

Известна по патенту России 2132483 F03D 7/06 от 04.07.1996 г. автоматическая вертикально осевая ветроэлектроустановка, позволяющая использовать энергию ветра в широком диапазоне, содержащая на общем роторе ветродвигатель и систему возбуждения электрической машины с n-фазной обмоткой на статоре, соединенную через выпрямитель и ключ с инвертором и накопителем энергии, содержащую также контроллер, датчик скорости ветра.

Это устройство также недостаточно эффективно, т.к. при малых скоростях ветродвигателя необходимо увеличивать число полюсов электрогенератора, что приводит к увеличению его размеров и повышению использования активных материалов меди и магнитов, что соответственно повышает стоимость и массу изделия.

Известно устройство по патенту Российской Федерации 2136960, 6F03D 7/06 от 08.01.1998 г., содержащее вертикально осевой ветродвигатель, имеющий высокий КПД использования энергии потока среды за счет высоких аэродинамических характеристик, получаемых путем выполнения траверс аэродинамической формы, на которых закреплены лопасти крыльев двояковыпуклого профиля, а каждая траверса снабжена полукрылом аэродинамического профиля, корневая часть которого связана с лопастью, и дополнительной лопастью крыльевого профиля, жестко закрепленной на концевой части полукрыла. Кронштейны выполнены в виде крыльевого двояковыпуклого профиля.

Недостатком этого ротора является то, что его нельзя выполнить с целью увеличения мощности двухъярусным с однонаправленным и контрроторным вращением, так как на концах крыльев будет срыв потока, что будет вносить возмущение в другой ярус и снижать КПД использования энергии ветрового напора.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ветроэлектрическая установка по авторскому свидетельству СССР №1281737, F03D 3/00 от 28.03.1985 г., содержащая контрроторный ветродвигатель с НМ-роторами Дарье, в котором вал одного яруса соединен с ротором генератора, а вал другого яруса соединен с якорем генератора.

Это устройство-прототип является двухъярусным с контрроторным вертикально-осевым ветродвигателем.

Недостатком указанного устройства является недостаточно высокая эксплуатационная надежность из-за необходимости применения вращающегося токосъемника на большие токи, соединенного с обмотками, расположенными на вращающемся якоре генератора, для отвода электроэнергии, а применение бесконтактного съема электроэнергии удорожит изделие и внесет дополнительные потери мощности и снизит эффективность устройства, а также недостаточно высокое количество вырабатываемой электроэнергии из-за большого расхода энергии ветра на преодоление трения в подшипниках ветродвигателей и электрогенератора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности устройства и увеличение количества вырабатываемой электроэнергии.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство, содержащее контрроторные вертикально-осевые ветродвигатели на основе НМ-роторов Дарье с траверсами и лопастями аэродинамического профиля, многополюсный электрогенератор, снабжено дополнительно планетарной суммирующей передачей, механизмом автоматического сцепления, электромеханическим тормозом, при этом крылья выполнены двояковыпуклыми с установленными сверху и снизу двояковыпуклыми аэродинамическими шайбами, края которых выступают над краями крыла, а траверсы в сечении имеют аэродинамическую двояковыпуклую форму с хордой, расположенной под углом атаки , имеющим значение от 0 до 20 градусов, к горизонтальной плоскости, соединенные с указанными выше элементами таким образом, что при контрроторном вращении двух ярусов ветродвигателя якорь генератора остается неподвижным, поэтому отвод больших токов осуществлен без применения токосъемника. Ротор генератора висит, поэтому уменьшилась сила, действующая на опорные подшипники электрогенератора. За счет выполнения крыльев с шайбами и траверс аэродинамического двояковыпуклого профиля увеличилась сила тяги, направленная вертикально вверх, уменьшилась сила трения в подшипниках ветродвигателя. Скорость вращения ротора электрогенератора увеличилась, т.к. уменьшилась энергия ветра, расходуемая на преодоление сил трения в подшипниках ветродвигателей и электрогенератора, количество вырабатываемой электроэнергии увеличилось. Устройство также снабжено дополнительно неподвижной крышей, с краями в виде конфузора, верхняя часть которой покрыта тканепленочным материалом с фотоэлектрическими батареями, а также стропами оттяжки, стропой-кабелем, дополнительным подшипниковым узлом, высоковольтным изолятором, молниеприемником, соединенными между собой и с элементами, указанными выше, таким образом, что в приемнике энергии накапливается дополнительная электроэнергия, края крыши в виде конфузора увеличивают напор ветра на крылья ветродвигателей, что увеличивает скорость вращения ротора электрогенератора, а молниеприемник предохраняет комплекс от разрушения при ударе молнии, что повышает эксплуатационную надежность.

При всех известных достоинствах вертикально-осевой конструкции ветродвигателя, таких, как наименьшее шумовое воздействие (не превышает 40 дБ) на окружающую среду, не зависимость работы от направления ветрового потока, неограниченная скорость вращения ротора, позволяющая работать со всеми встречающимися скоростями ветра, включая штормовые, возможность применения модульной конструкции для достижения необходимой потребителю мощности, возможность расположения электрогенератора, блока управления и аккумуляторов на уровне земли для доступности обслуживания, дополнительными техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении данного изобретения, являются:

- повышение надежности комплекса за счет:

a) наиболее надежного и материально более дешевого отвода высоких токов от генератора, осуществленного без применения токосъемника;

b) уменьшение силы трения в подшипниках ветродвигателей и электрогенератора;

c) уменьшение воздействия тепла, выделяющегося в обмотках электрогенератора, на постоянные магниты системы возбуждения;

d) введения средств молниезащиты, исключающих прохождение тока молнии через подшипниковые узлы и аппаратуру;

- увеличение количества вырабатываемой электроэнергии за счет уменьшения расхода энергии ветра на преодоление сил трения в подшипниках и увеличения скорости вращения ротора электрогенератора;

- повышение эффективности работы комплекса за счет дополнительного использования солнечной энергии, в частности, для собственных нужд.

На фиг.1 приведен общий вид комплекса ветроэнергетического по п.1 формулы, на фиг.2 приведен общий вид комплекса ветроэнергетического по п.2 формулы, на фиг.3 изображен фрагмент траверсы 3, на фиг.4 изображен фрагмент крыла 4 с аэродинамической шайбой 9 и сечение аэродинамической шайбы 9 по стрелкам Б-Б, на фиг.5 изображен вид сверху сечения по стрелкам А-А (фиг.1) ротора 25 Савониуса, на фиг.6 - вид сверху на ветродвигатели 1, 2, на фиг.7 изображено устройство планетарной суммирующей передачи 5, на фиг.8 поясняется выбор величины угла атаки.

Ветроэнергетический комплекс (фиг.1) содержит контрроторные вертикально-осевые ветродвигатели 1, 2 на основе НМ-роторов Дарье с траверсами 3 и крыльями 4 аэродинамического профиля, многополюсный электрогенератор 5, планетарную суммирующую передачу 6, механизм 7 автоматического сцепления, электромеханический тормоз 8, при этом крылья 4 выполнены двояковыпуклыми с установленными сверху и снизу двояковыпуклыми аэродинамическими шайбами 9, края которых выступают над краями крыла 4, траверсы 3 в сечении имеют двояковыпуклую форму с хордой, расположенной под углом атаки, имеющим значение от 0 до 20 градусов, к горизонтальной плоскости, а также вал 10 первого ветродвигателя 1 соединен с водилом 14 сателлитов 12 планетарной суммирующей передачи 6, наружное (обегающее) колесо 13 сателлитов 12 которой соединено с валом 11 второго ветродвигателя 2, а вал 15 центрального (солнечного) колеса 16 соединен с ротором 17 многополюсного электрогенератора 5 через механизм 7 автоматического сцепления, управляющий вход которого соединен с выходом блока 18 управления, другой выход которого соединен с входом электромеханического тормоза 8, взаимодействующего с валом 15 центрального (солнечного) колеса 16, а входы блока 18 управления подключены соответственно к выходам датчиков 19, 20 тока и напряжения нагрузки и датчика 21 частоты вращения электрогенератора 5, выход которого соединен с нагрузкой 22 через последовательно соединенные выпрямитель 23, конвертор 24 и инвертор 25. Статор (якорь) 26 многополюсного электрогенератора 5 закреплен неподвижно к основанию комплекса. На валу 11 второго ветродвигателя 2 установлен ротор Савониуса 27.

К валу 10 верхнего ветродвигателя присоединена через дополнительный подшипниковый узел 28 неподвижная крыша 29, основание которой выполнено в виде радиально расходящихся штанг 30, закрепленных одними концами к неподвижной изолированной части дополнительного подшипникового узла 28, на котором установлен высоковольтный изолятор 31 с молниеприемником 32, соединенным через металлические стропы 33 оттяжки и шарниры 34, установленные на других концах штанг 30, с анкерными узлами 35, некоторые из которых заземлены, причем на ткане-пленочном покрытии 36 верхней части крыши 29, края 37 которой выполнены в виде конфузора, укреплены фотоэлектрические батареи 38, выходы которых через кабель 39 хотя бы одной стропы-кабеля 40 соединены с приемником 41 энергии.

Комплекс ветроэнергетический работает следующим образом.

Верхний ветродвигатель 1, приведенный во вращение ветровым потоком, приводит во вращение водило 14 сателлитов 12 планетарной суммирующей передачи 6. Траверсы 3, имеющие аэродинамический двояковыпуклый профиль и установленные под углом атаки (фиг.3), создают подъемную силу, которая не должна превышать вес одного яруса ветродвигателя, тем самым увеличивают скорость вращения и разгружают опорные подшипники ветродвигателей, а двояковыпуклые аэродинамические шайбы 9, выступающие за края крыла 4 (фиг.4), препятствуют срыву ветрового потока и уменьшают воздушные возмущения, вносимые при вращении ярусов, это приводит к дополнительному увеличению скорости вращения ветродвигателей.

Для пояснения выбора угла атаки траверс крыльевого профиля на фиг.8 показаны силы, действующие на крыло, где

R - полная аэродинамическая сила,

Y - подъемная сила,

Q - сила лобового сопротивления,

G - вес ветродвигателя,

- угол атаки.

Из аэродинамики известно, что подъемная сила Y траверсы крыльевого профиля (крыло-траверса) определяется по формуле:

где С_Y - коэффициент подъемной силы,

S - площадь крыла-траверсы,

- плотность воздушной среды,

V - скорость набегания ветрового потока.

Подъемная сила должна быть не больше веса G ветродвигателя во всем диапазоне рабочих скоростей воздушного потока.

Сила лобового сопротивления определяется по формуле:

где С_X - коэффициент лобового сопротивления.

C_X=C _X0+C_Xi,

где С _X0 - коэффициент сопротивления при подъемной силе, равной нулю,

С_xi - коэффициент индуктивного сопротивления, обусловленный наличием подъемной силы.

_эф - эффективное удлинение крыла.

Аэродинамическое качество крыла

Практически угол атаки должен быть не более 20°. Эффективное значение угла атаки определяется расчетно-экспериментальным методом.

Нижний ярус комплекса ветроэнергетического, запущенный либо ротором 27 Савониуса (фиг.5), либо принудительно, установленный с условием вращения в сторону, противоположную верхнему ярусу (фиг.6), приводит во вращение опорное (обегающее колесо) 13 планетарной суммирующей передачи 6 (фиг.7). Солнечное (центральное) колесо 16 передачи 6 получает момент вращения, равный суммарному от вращения водила 14 и наружного колеса 13, а с учетом мультипликации скорость вращения ротора многополюсного электрогенератора 5 увеличивается в 2К раз (где К - коэффициент мультипликации), вырабатываемая энергия также увеличивается. Планетарную суммирующую передачу 6 целесообразно выполнить однорядной с коэффициентом мультипликации 4-6 и числом сателлитов 3.

Вращение от вала 15 центрального (солнечного) колеса 16 передается к ротору 17 многополюсного электрогенератора 5 при условии приведения блоком 18 управления автоматического сцепления 7 в рабочее состояние и отключенном тормозе 8. Сила собственного веса ротора 17 электрогенератора 5 действует противоположно силе притяжения постоянных магнитов системы возбуждения, в результате разгружается подшипник электрогенератора 5, уменьшаются его потери на трение, эффективность работы устройства увеличивается. Якорь 26 многополюсного электрогенератора 5 с находящимися на нем обмотками установлен на неподвижной части подшипникового узла электрогенератора 5 и пристыкован стационарно к раме бокса, в котором он установлен. Тепло, выделяющееся в обмотках якоря 26 при работе электрогенератора 5, меньше воздействует на постоянные магниты, находящиеся ниже обмоток, электрические свойства и надежность устройства увеличивается. Для отвода больших токов от электрогенератора 5 не требуется устанавливать дорогостоящий и требующий постоянного обслуживания токосъемник, т.е. все электрические соединения могут быть выполнены наиболее просто и надежно.

Тормоз 8 выполняется с возможностью электрического и ручного включения с взаимной блокировкой и соединяется с более быстрым валом 15 центрального (солнечного) колеса 16, поэтому для торможения требуется меньшее усилие, при этом оно за счет планетарной передачи 6 воздействует одновременно на оба ветродвигателя 1, 2.

Датчик 21 частоты вращения ротора электрогенератора 5 может быть выполнен на любых физических принципах, например, на основе датчиков Холла.

Автоматическое сцепление 7 позволяет автономно запускать ветродвигатели 1, 2 без нагрузки на электрогенератор 5 и наоборот, переводя электрогенератор 5 в режим двигателя, после набора им скорости подключать его к ветродвигателям 1, 2.

Крыша 29, установленная на изолированной неподвижной части дополнительного подшипникового узла 28, является многофункциональной: служит основанием для солнечных батарей 38, питающих, в частном случае, блок 18 управления и датчики 19, 20, 21, а также образует совместно с загнутыми краями 37 конфузор, увеличивающий тягу ветра и скорость вращения ветродвигателей 1, 2, а также содержит молниеприемник 32 на высоковольтном изолирующем основании 31. В случае попадания молнии ток, вызванный ею, уходит через металлические стропы 33 оттяжек и заземленные анкерные узлы и не повреждает наиболее дорогостоящие компоненты комплекса: подшипники, суммирующую передачу 6 и многополюсный электрогенератор 5.