Ветроэлектрическая установка

(51) 03 1/02 (2006.01) 03 7/02 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ ной оси в разные стороны за счет этих лопастных колес, одно из которых связано с ротором, а второе со статором. Лопасти обоих колес повернуты в противоположные стороны и сами колеса расположены по разные стороны от генератора. На роторе и статоре выполнены конические колеса с зубьями навстречу друг другу, а между ними расположена коническая шестерня с осью, выведенной за пределы установки и подключенной к регулятору скорости вращения. Корпусом установки является полый цилиндрический диффузор, внутри которого помещается генератор с двумя лопастными колесами. Техническим результатом полезной модели является повышение скорости вращения ротора относительно статора генератора при низких скоростях ветра и повышение э.д.с., создаваемой при этом генератором, а также возможность поддерживать постоянными скорости вращения лопастных колес(для поддержания постоянного значения э.д.с.) и изменять ориентацию всей установки в случае перемены его направления.(76) Петров Валерий АлександровичПетрова Евгения ВикторовнаКалиниченко Олег Геннадьевич(56) Инженерная наука и инновации- 2006. Каталог/Сост. Кульевская Ю.Г., Улезько Г.Г.,Жигайлова Т.В., Власова И.А. - Алматы НЦ НТИ РК, 2006, с. 184(57) Полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована для преобразования энергии ветра в электрическую энергию в районах с низкими значениями среднегодовой скорости ветра. Известная ветроэлектрическая установка, состоящая из модулей, содержащих по одному лопастному колесу,установленному на оси электрогенератора и размещенных на общей мачте, содержит один модуль с двумя лопастными колесами и одним электрогенератором, выполненным таким образом, что его ротор и статор могут вращаться относительно горизонталь 543 Полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую энергию в районах с низкими значениями среднегодовой скорости ветра. В последнее время все больше внимания уделяется использованию энергии ветра для получения электрической энергии. Разработано и выпускается разными производителями огромное количество ветроэлектрических установок лопастного типа,которые уже длительное время используются на практике. Основным недостатком всех этих установок является то, что они наиболее производительно начинают работать при сравнительно высоких скоростях ветра (больше 3-5 м/с). Это ограничивает их область использования, т.к. во многих районах отсутствуют постоянно действующие сильные ветровые потоки. Причина заключается в том, что используемые в ветроэлектрических установках генераторы в таких условиях не могут развить оптимальную скорость вращения ротора относительно статора и не выдают максимально возможную мощность. Применение повышающих редукторов между ветровым колесом и ротором электрогенератора не всегда оправдано и не нашло широкого распространения на практике. Известна ветроэлектрическая установка, используемая в комбинированной электростанции КЭС-1,5(Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки. - М. ГНУ ВИЭСХ, 2006, с.280) в которой работают два ветроагрегата, каждый из которых содержит лопастные колеса, установленные на осях генераторов. Недостатком установки является то,что она выходит на оптимальный по мощности режим только при наличии достаточно высокой скорости ветра. Использование сразу двух электрических генераторов усложняет конструкцию установки, что снижает ее надежность и увеличивает ее стоимость примерно в 2 раза. Наиболее близким к предлагаемой является установка ветроэлектрическая двух модульная ВЭ-5 Т 2 М (Инженерная наука и новации- 2006. Каталог / Сост. Кульевская Ю.Г., Улезько Г.Г., Жигайлова Т.В., Власова И.А. - Алматы НЦ НТИ РК,2006. - с.184), которая состоит из двух модулей, содержащих по одному лопастному колесу, установленному на оси электрогенератора и размещенных на одной мачте. Недостатком этой ветроэлектрической установки является то, что она работает с наивысшим к.п.д. только при сравнительно высоких скоростях ветра. Электрогенераторы не в состоянии развить максимальные обороты при низких скоростях ветра и выйти на оптимальные режимы работы. Наличие двух модулей в установке усложняет ее конструкцию и требует больших затрат на проведение операций по техническому обслуживанию. Это также приводит к высокой стоимости всей установки, что увеличивает сроки окупаемости затрат, понесенных на ее приобретение и установку. В установке не используется регулирование оборотов ветроколес для обеспечения постоянства э.д.с. электрогенераторов в случае изменения скорости ветра,действующего на ветровые колеса, а также не пре 2 дусмотрено автоматическое изменение ориентации ветровых колес в случае изменения направления ветра. Техническим результатом полезной модели является повышение скорости вращения ротора относительно статора генератора при низких скоростях ветра и повышение э.д.с., создаваемой при этом генератором, а также возможность поддерживать постоянными скорости вращения лопастных колес(для поддержания постоянного значения э.д.с.) и изменять ориентацию всей установки в случае перемены его направления. Технический результат полезной модели достигается тем, что ветроэлектрическая установка, состоящая из модулей, содержащих по одному лопастному колесу, установленному на оси электрогенератора, и размещенных на одной мачте, содержит один модуль с одним электрогенератором и двумя лопастными колесами, одно из которых связано с ротором, а второе - со статором и они имеют противоположно наклоненные лопасти и расположены по обе стороны от генератора, выполненного таким образом, что его ротор и статор могут вращаться в разные стороны относительно горизонтальной оси на роторе и статоре имеются конические колеса с зубьями навстречу друг другу и между ними расположена коническая шестерня, ось которой выведена за пределы установки и подключена к регулятору скорости вращения, причем корпусом установки является цилиндрический диффузор, закрепленный подвижно относительно мачты, а внутри него располагается генератор с двумя лопастными колесами. В результате предлагаемого технического решения удается достичь высокой относительной скорости ротора по отношению к статору, что приводит к высоким значениям э.д.с. электрогенератора даже при малых скоростях ветра. Это обеспечивается за счет вращения в разные стороны лопастных колес на роторе и статоре. Воздушный поток после воздействия на первое лопастное колесо проходит дальше внутри цилиндрического диффузора и заставляет вращаться в другую сторону второе колесо. Для сохранения энергии воздушного потока служит диффузор, внутри которого располагаются оба ветровых колеса и сам генератор. Этот диффузор работает также в качестве устройства, позволяющего изменять ориентацию установки по ветру в случае изменения направления ветра. Кинематическая связь между ротором и статором обеспечивает постоянство соотношения скорости ротора к скорости статора в случае изменения скорости ветра. Кроме того, в момент начала вращения лопастные колеса помогают друг другу вращаться. Это особенно важно в случае разницы в массах и моментах инерции ротора и статора. Коническая шестерня служит для подключения устройства регулятора скорости через ее ось. В моменты сильных скоростей ветра это устройство может обеспечить постоянство скорости вращения лопастных колес, а значит и э.д.с., вырабатываемой электрогенератором. Таким устройством может быть центробежный регулятор, широко используемый в других образцах ветроэлектриче 543 ских установок, или нагрузочный электрический генератор, который будет работать на систему аккумулирования энергии. Устройство ветроэлектрической установки приведено на фиг. Она состоит из диффузора 29, являющегося корпусом установки, который крепится к мачте 31 посредством подшипника вращения 32 и может вращаться относительно мачты (показано стрелкой). Диффузор 29 имеет цилиндрическую форму с расширяющейся частью на выходе воздушного потока. Плита основания 13 крепится к диффузору 29 с помощью кронштейнов 30. На плите 13 закреплены корпуса подшипников левого 1 и правого 12. В осях подшипников 24 и 26 закреплены ротор 22 и статор 23, которые могут вращаться относительно друг друга и относительно плиты 13. Для их вращения в разные стороны в левой части генератора на оси ротора 22 закреплено лопастное колесо 20, а с правой стороны - лопастное колесо 21. Лопасти этих колес наклонены таким образом,что при обдувании их потоком ветра они вращаются в разные стороны (показано стрелками). На валу ротора 18 закреплено коническое колесо 2 с помощью шпонки 25. Подшипники 19, в которых установлен вал ротора 18, закрываются крышкой 28. Аналогичное коническое колесо 3 имеется у статора 23. Подшипник 26 правого корпуса 12 также закрываются крышкой 11. Между коническими колесами 2 и 3 установлена распорная втулка 17. На конических колесах 2 и 3 выполнены зубья для согласования относительной скорости их движения. Это обеспечивается за счет наличия конической шестерни 14, которая вращается в подшипниках 24, установленных в корпусе шестерни 16. Ось конической шестерни 14 закреплена в подшипниках 24 с крышкой 15, выведена за пределы нижней плиты основания 13 и имеет на конце место для подсоединения устройства регулирования числа оборотов генератора (на фиг. не показано). На статоре имеется корпускрышка 4 и диск-изолятор 5, на котором установлены токосъемные кольца 6. К этим кольцам присоединены обмотки катушек статора 27. Съем напряжения, вырабатываемого генератором при работе,осуществляется посредством скользящих контактов 10, установленных в изоляторах 7, которые прижимаются к токосъемным кольцам посредством пружин 8. Система контактов токосъема закрывается крышкой 9. Представленная ветроэлектрическая установка работает следующим образом. Благодаря цилиндрическому диффузору 29 вся установка (модуль) устанавливается вдоль направления ветра так, что узкая сторона диффузора становится навстречу воздушному потоку. Благодаря подшипнику 32 диффузор может вращаться относительно мачты 32 вслед за изменяющимся по направлению потоком ветра. Под воздействием воздушного потока лопастное колесо 20 на входе диффузора 29 начинает вращаться в одном направлении. Оно передает вращение ротору 22, который располагается внутри статора 23 и закреплен в подшипниках 28 на стойке 1. Вместе с ротором 22 вращается коническое колесо 2. Это колесо передает вращение посредством конической зубчатой шестерни 14 коническому колесу 3, связанному со статором 23. Ветровой поток внутри диффузора 29 обдувает корпус генератора и попадает на лопастное колесо 21, которое находится на оси статора 23. Ось статора с правой стороны закреплена в подшипниках 26, установленных в стойке 12. При вращении статора 23 вместе с ним вращается коническое колесо 3, которое посредством конической шестерни 14 передает вращение ротору 22 через коническое колесо 2. Таким образом, и ротор 22 и статор 23 вращаются синхронно в разные стороны, а отношение их скоростей определяется соотнощением количества зубьев кинематической передачи, выполненной между ними. При вращении ротора и статора в разные стороны в цепи катушки статора 27 возникает э.д.с. под воздействием вращения группы магнитов, закрепленных на роторе 22. Обмотка катушек статора подключена к токосъемным кольцам 6 и 10, выполненных на дискеизоляторе 5. Посредством скользящих контактов 10,установленных в изоляторах 7 и прижимаемых к токосъемным кольцам 6 посредством пружин 8,осуществляется съем электрического тока с генератора. В дальнейшем электрический ток по проводам поступает к потребителю (на фиг. не показаны). При неизменной скорости потока воздуха в цепи поддерживается примерно одинаковое значение э.д.с. В случае усиления скорости ветра осуществляется регулирование скорости вращения лопастных колес 20 и 21 за счет конической шестерни 14, к которой может быть подключен центробежный регулятор скорости (на фиг. не показан) или нагрузочный генератор с электронной системой измерения скорости. За счет этого обеспечивается постоянство скоростей ветровых колес 21 и 20 на одном уровне,а это соответствует одному и тому же значению э.д.с. генератора. В случае отсутствия необходимости коническая шестерня 14 может крутиться вхолостую. При этом ветроэлектрическая установка может работать на накопление электрической энергии посредством аккумулятора (на фиг. не показан). Благодаря предлагаемому техническому решению ветроэлектрическая установка может работать при низких скоростях ветра, обеспечивая достаточную скорость ротора относительно статора для достижения максимальной мощности и э.д.с. Ориентация на изменение направления ветра осуществляется посредством диффузора. Наличие кинематической связи между ротором и статором служит для наиболее быстрого разгона лопастных колес ротора и статора и для регулирования их скорости вращения в случае порывов ветра и значительного увеличения его скорости, а это также обеспечивает постоянство выдаваемой генератором э.д.с. Предлагаемая ветроэлектрическая установка была реализована на модели, в которой использовался двигатель постоянного тока (вместо генератора) на напряжение питания 9 В и мощностью 5 Вт. Ветроколеса состояли из трех лопастей и их размах был в диаметре 1 метр. На входе воздушного потока диф 3 543 фузор имел диаметр 1,2 м, а на выходе 1,5 м. Испытания проводили при скорости набегающего потока воздуха от 1 м/с и до 10 м/с. Для этой цели использовали мощный вентилятор с возможностью регулирования скорости воздушного потока, которую измеряли с помощью анемометра. Сравнивали работу генератора в двух режимах с закрепленным статором (и без ветрового колеса), когда э.д.с. в цепи обеспечивалась вращением только ротора (прототип), и работу генератора при наличии двух лопастных колес (на роторе и статоре) при их вращении в противоположные стороны (предлагаемое техническое решение). Для поддержания постоянства скоростей вращения лопастных колес между вращающимися в противоположные стороны коническими колесами вводили коническое колесо, на ось которого устанавливали центробежный регулятор с тремя плоскими пружинами, закрепленными подвижно по краям к оси, и с закрепленными неподвижно к ним грузиками посредине. При возрастании скорости вращения пружины с грузиками под действием центробежной силы изменяли форму и обеспечивали постоянство скоростей вращения ротора и статора. Э.д.с. в цепи генератора измеряли с помощью обычного вольтметра. Сравнительные испытания показали, что предлагаемое техническое решение обеспечивает достаточные режимы генерации электрического тока по сравнению с известным решением (прототипом) даже при малых скоростях ветра. Одно лопастное колесо при этом давало э.д.с. примерно в два раза меньше, чем в предлагаемом нами техническом решении. При изменении направления ветра (переносили нагнетающий вентилятор относительно установки) диффузор поворачивался по направлению ветра, обеспечивая ориентацию всей ветроэлектрической установки. Наличие кинематической связи между ротором и статором обеспечивало постоянство э.д.с. в цепи генератора. Таким образом, предлагаемое техническое решение может обеспечить нормальную работу ветрогенераторных установок даже в регионах с низкими скоростями ветра. На основе этого решения могут быть созданы принципиально новые типы генераторов, в которых ротор и статор могут вращаться в разные стороны. ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ Ветроэлектрическая установка, состоящая из модулей, содержащих по одному лопастному колесу, установленному на оси электрогенератора и размещенных на общей мачте, отличающаяся тем, что она содержит один модуль с одним электрогенератором и двумя лопастными колесами, одно из которых связано с ротором, а второе - со статором и они имеют противоположно наклоненные лопасти и расположены по обе стороны от генератора, выполненного таким образом, что его ротор и статор могут вращаться в разные стороны относительно горизонтальной оси на роторе и статоре имеются конические колеса с зубьями навстречу друг другу и между ними расположена коническая шестерня, ось которой выведена за пределы установки и подключена к регулятору скорости вращения, причем корпусом установки является цилиндрический диффузор, закрепленный подвижно относительно мачты, и внутри него располагается генератор с двумя лопастными колесами.