Устройство генерации электрической энергии с использованием механических вибраций ротора ветроэнергетической установки

Настоящая полезная модель относится к ветроэнергетике, и может быть использоана в ветроэнергетической установке (ВЭУ) любого типа, мощности и размера для демпфирования вибрационных колебаний ротора (ветроколеса) с одновременной генерацией электроэнергии.
Ротор любой ВЭУ имеет дисбаланс. Несмотря на разнообразие методик балансировки компонентов рабочих органов ветроэнергетических установок, статический дисбаланс ротора ВЭУ устранить полностью невозможно. Соответственно, при вращении ротора ВЭУ возникает динамический дисбаланс, обусловленный массивом внутренних и внешних возмущений (пульсациями инерционных и аэродинамических сил и моментов). Проявлением динамического дисбаланса являются механические вибрации ротора, передающиеся на верхний сегмент мачты (башни) и имеющие ряд высокочастотных и низкочастотных гармоник, как правило, представляющих собой прецессии в горизонтальной плоскости. Данные колебания являются опасными для компонентов ВЭУ, и представляют собой объект исследований для снижения их амплитуды и регулирования частоты.
Таким образом, устройство преобразования механической энергии виброперемещений в электрическую энергию (режим генератора) является одновременно и пассивным демпфирующим элементом, поскольку снижает энергию колебаний. Кроме этого, при использовании такого преобразователя в управляемом режиме (режим двигателя) устройство может являться активным демпфером. А также возможен режим гибридного регулирования преобразователем, при наличии соответствующих датчиков вибраций и положений ротора являющимся чрезвычайно эффективным. Следовательно, данное устройство может рассматриваться и как способ генерации энергии с одновременным гашением виброколебаний.
Вибрационные колебания являются, по сути, результатом взаимодействия всех возмущающих воздействий, или резонансами собственных колебаний механических компонентов ВЭУ, пульсаций переменных аэродинамических и инерционных сил и моментов, а также пульсаций электрических моментов. Следовательно, вибрации проявляются при определенных частотах вращения ротора, предопределить которые для конкретного ротора практически невозможно из-за разницы в массах, дисбалансах, электрической нагрузке и т.д. Однако при наличии запоминающего устройства в системе демпфирования конкретной ВЭУ можно осуществлять как пассивный отбор энергии механических виброперемещений, так и вычислять, прогнозировать и активно гасить возникающие резонансы в любой конкретной конструкции компонентов ВЭУ.
Объем генерируемой за счет механических виброколебаний электроэнергии ничтожно мал по сравнению с основной генерацией ВЭУ. Однако, во-первых, такая система генерации может быть гальванически развязана с основной системой генерации и не подвержена ее влиянию, а во-вторых, она гальванически развязана и с мачтой, по которой в случае пробоя молнией пройдет ток разрушающей силы. Иначе говоря, выработанная за счет механических вибраций электроэнергия может быть использована для сохранения в отдельном накопителе (например, в электрохимической батарее) и далее использована основной или дополнительной системой управления для активного гашения вибраций или других целей (сигнальное освещение, диагностика, подогрев и т.д.).
Известны технические решения, целью которых является пассивное демпфирование вибраций ротора (RU 2446311 от 02.07.2010, RU 118694 от 08.02.2012, RU 2472987 от 14.07.2008), генерация электроэнергии за счет использования механической энергии вибраций (RU 2421629 от 13.08.2007), генерация электроэнергии за счет смещения генерирующего объекта в пространстве (RU 131094 от 28.01.2013).
Недостатками указанных технических решений является утилизация вибраций с одной степенью свободы (в одном направлении), отсутствие управления отбором механической энергии, отсутствие возможности работы преобразователя энергии в обратном режиме для активного гашения вибраций и т.д..
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для осуществления управления ветроэнергетической установкой (патент на изобретение RU 2421629 от 13.08.2007). Выбранный прототип «Демпфер машины (варианты) и система для использования энергии вибрации, содержащая такой демпфер» представляет собой электродвижущий модуль генерирования энергии, пьезоэлектрический модуль генерирования энергии и подключенное к ним аккумулирующее энергию устройство, а по другому варианту демпфер содержит устройство для генерирования электроэнергии на основе вибрации.
Основным недостатком прототипа является несовершенство конструкции на основе круглого магнита, пьезоэлектрического элемента, звуковой катушки и т.д., а также невозможность использования устройства в обратном активном управляемом режиме.
Техническая задача заявляемой полезной модели заключается в пассивном, активном и гибридном демпфировании и генерации электроэнергии за счет использования механических вибрационных колебаний ротора ветроэнергетической установки с помощью устройства преобразования механической энергии в электрическую.
Техническая задача достигается устройством генерации электрической энергии с использованием механических вибраций ротора ветроэнергетической установки, расположенного на верхнем сегменте ее неподвижной мачты, состоящее из трех линейных генераторов, каждый из которых содержит магнитопроницаемый корпус, крепящийся к верхнему сегменту мачты, а в корпусе установлены катушка возбуждения и магнит на линейном подшипнике, имеющий одну степень свободы.
Работа устройства основана на преобразовании вибрационных колебаний в горизонтальной плоскости в электродвижущую силу с помощью линейных генераторов и выполнения двух функций - генерации электроэнергии и пассивного демпфирования; на обратном преобразовании управляемых сигналов локальной или центральной (основной) системы управления в демпфирующие вибрационные колебания и выполнения функции активного демпфирования; гибридного управления с чередованием пассивного и активного демпфирования.
Ниже подробно описана и иллюстрируется конструкция заявляемого устройства на фиг. 1 (вид сверху на верхний сегмент мачты) и фиг. 2 (горизонтальный разрез устройства).
Устройство генерации электрической энергии с использованием механических вибраций ротора ветроэнергетической установки находится на верхнем сегменте неподвижной мачты (башни) 7 ВЭУ и состоит из минимум трех линейных генераторов, представляющих собой электрические машины, состоящих из магнитопроницаемого корпуса 1, крепящегося к верхнему сегменту мачты болтами 8, в котором находится минимум одна катушка возбуждения 2 и минимум один постоянный или электрический магнит 3 на линейном подшипнике 4, имеющий одну степень свободы, коммутирующих проводов 5, а также системы управления 6.
Устройство работает следующим образом:
При возникновении вибраций ротора и их передаче на верхний сегмент мачты 7 устройство воспринимает эти виброперемещения, при которых корпус 1 перемещается в пространстве с некоторой амплитудой линейной составляющей. При этом магнит 3, имеющий определенный момент инерции, линейно перемещается относительно катушки возбуждения 2. В катушке 2 при изменении магнитного поля магнита 3 по закону Фарадея индуцируется электродвижущая сила и в соответствии с правилом Ленца по коммутирующим проводам 5 течет ток при наличии замкнутого контура, одними из компонентов которого являются силовая часть системы управления 6 и нагрузка в виде аккумуляторной батареи или другого электрического объекта.
При этом возможно три режима регулирования демпфированием:
- Пассивное демпфирование. Регулирования нет, производится преобразование механических вибраций в электрическую энергию и ее отбор от катушки возбуждения на полезную нагрузку. Однако при этом происходит и соответствующее снижение возмущающих виброколебаний.
- Активное демпфирование. Генерация искусственных вибраций определенной частоты, амплитуды и фазы производится с преобразованием электрической энергии определенной формы и качества в вибрационные колебания. При этом происходит соответствующее снижение возмущающих виброколебаний за счет наличия генерируемых противодействующих колебаний.
- Комбинированное (гибридное или смешанное) демпфирование. Чередование пассивного и активного демпфирования в зависимости от характеристики вибраций.
В зависимости от режима работы ВЭУ, текущих метеорологических условий, материалов ротора и мачты, состояния растяжек и многомерного массива других факторов, подлежащих соответствующему учету, система управления по определенному алгоритму может рассчитывать режимы демпфирования. Система управления может быть выполнена на основе реверсивного преобразователя напряжения, обеспечивающего двунаправленный обмен энергией между электромеханическим преобразователем демпфирующего устройства и накопителем энергии. С помощью двунаправленного обмена энергией могут быть реализованы все указанные режимы работы (пассивный, активный и комбинированный). Управление преобразователем напряжения может быть реализовано с помощью микроконтроллера, который обеспечит реализацию необходимых алгоритмов управления, в том числе с поиском и запоминанием резонансных частот колебаний.