АЭРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
AIR POWER PLANT

Изобретение относится к области электроэнергетики, а более конкретно к нетрадиционным источникам получения электрической энергии в малых количествах
Известно, что во всех гидроэлектростанциях электрогенераторы (электрические машины) в машинном зале устанавливают в горизонтальной плоскости, а оси вращения их роторов не совпадают, при этом приводы их осуществляет гидротурбина. См, например, описание изобретения к патенту РФ № 2303707 C1. Гидроэлектростанция, МПК F03B 13/00, бюл. № 21 от 27.07.2007 г., в которой электрогенераторы установлены в машинном зале в горизонтальной плоскости с вертикальной осью вращения ротора и приводом его от гидротурбины, а также описание изобретения к патенту РФ № 2232289 C1, Гидроэлектростанция, МПК 7 F03B 13/00, бюл. № 19 от 10.07.2004 г., в конструкции которой электрогенераторы в машинном зале установлены аналогично в горизонтальной плоскости с вертикальной осью вращения ротора и приводом его от гидротурбины.
Недостатками гидроэлектростанций являются: непосредственная связь с руслом реки, необходимость сооружения гидроузла, создание расходного водохранилища, высокая стоимость сооружения, длительный период строительства, влияние климатических условий на объем воды в водохранилище и длительность периода его сработки и ряд других, а главное прямая зависимость мощности гидроэлектростанции от кинетической энергии потока воды (расхода воды) в конкретном месте русла реки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному результату является Источник электродвижущей силы (ЭДС) Кочергина И.Н., см. описание к патенту РФ № 2245457 С2, МПК F03D 9/00, бюл № 3 от 27.01.2005 г, в котором открытый машинный зал не является составной частью гидроузла, а генераторы тока не приводятся в действие кинетической энергией запасенной воды.
Основными недостатками этого источника тока являются малая электрическая мощность и нерациональное использование участка земли, на котором он сооружен.
Увеличение генерируемой мощности достигается тем, что аэроэлектростанция (АэроЭС), содержащая открытый машинный зал, фундаментную плиту на поверхности земли, электрическую машину, скрепленную фиксирующими кронштейнами с фундаментной плитой и снабженную ротором, нижняя часть вала которого установлена в опорно-радиальном подшипниковом узле, а верхняя часть вала ротора электрической машины снабжена радиальным подшипниковым узлом и установлена в опорно-центровочной плите, аэропривод ротора, состоящий из капители, рычага с мотогондолой, снабженной тяговым двигателем, воздушным винтом, ось которого перпендикулярна рычагу и перпендикулярна оси ротора электрической машины, и колесным убирающимся шасси, беговую дорожку, пульт управления и внешний источник электрической энергии тяговых двигателей, отличается тем, что на фундаментной плите установлены вертикальные колонны по окружности с центром по оси электрической машины, которые через вертикальный промежуток скреплены между собой в горизонтальной плоскости фермами, образуя вертикальные открытые машинные залы полок, в каждом из которых в центре установлена электрическая машина, скрепленная с фермой, а опорно-центровочная плита ротора также жестко скреплена посредством упорных бимсов с фермой.
Вертикальные колонны установлены на фундаментной плите по окружности с центром по оси электрической машины с равным промежутком между ними.
Вертикальные колонны скреплены с упорными подкосами, установленными в радиальных плоскостях с вертикальными колоннами.
В горизонтальной плоскости полки выполнены в виде сферических ферм выпуклостью вверх, при этом геометрический фокус их совпадает с осью электрической машины.
Высота открытого машинного зала (высота между полками) определяется высотой, необходимой для монтажа (демонтажа) электрической машины внешним мобильным краном.
Электрическая машина нижнего машинного зала размещена в колодце фундаментной плиты, а беговой дорожкой является пол открытого машинного зала.
На смежных полках аэроприводы вращаются в противоположные стороны, т.е векторы тяги их противоположны.
Каждый рычаг оснащен гондолой с двумя движителями.
Вращение воздушных винтов мотогондолы выполнено в противоположные стороны, а векторы тяги их совпадают.
В качестве тяговых двигателей применены трехфазные двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором.
Электроснабжение мотогондол осуществлено посредством внутренней контактной сети, установленной под полкой каждого открытого машинного зала по окружности.
Электроснабжением обеспечена каждая мотогондола от контактной сети.
Механический контакт токосъема мотогондол с внутренней контактной сетью сохраняется как при движении мотогондолы, так и в стояночном положении посредством натяга штанг.
В качестве электропривода мотогондол применены двигатели постоянного тока.
В качестве внешнего источника электрической энергии тяговых двигателей применена централизованная автономная электрическая сеть электроснабжения тяговых двигателей.
Выпуск и уборка колесного шасси мотогондол выполняется автоматически от чувствительного элемента, реагирующего на величину центробежной силы.
Управление электрической машиной осуществляется дистанционной системой телеметрического управления.
Управление каждой электрической машиной выполнено автономно посредством независимого канала связи.
Функционирование аэроэлектростанции: запуск, холостой ход, рабочий режим, работа с изменяющейся внешней нагрузкой, остановка, аварийный режим каждой электрической машины и всей аэроэлектростанции в целом осуществляет компьютер.
Рычаги аэропривода скреплены между собой натяжными связями.
Аэроэлектростанция может быть сооружена непосредственно в месте потребления электрической энергии.
На представленных чертежах изображено: на фиг.1 показан общий вид аэроэлектростанции (разрез по вертикальной плоскости), на фиг 2 показан машинный зал одной из полок аэроэлектростанции (разрез по горизонтальной плоскости), на фиг.3 показана функциональная схема управления и генерации электрической машины одной из полок аэроэлектростанции.
Перечень позиций на чертежах и их наименование:
1 - фундаментная плита,
2 - вертикальные колонны,
3 - подкос,
4 - ферма,
5 - открытый машинный зал первой полки,
6 - открытый машинный зал второй полки,
7 - открытый машинный зал третьей полки,
8 - открытый машинный зал z полки,
9 - электрическая машина первой полки,
10 - электрическая машина второй полки,
11 - электрическая машина третьей полки,
12 - электрическая машина z полки,
13 - фиксирующий кронштейн,
14 - опорно-центровочная плита,
15 - упорные бимсы,
16 - капитель,
17 - рычаг,
18 - мотогондола,
19 - тяговый двигатель,
20 - воздушный винт,
21 - скользящий токосъем,
22 - пружинные штанги,
23 - контактная сеть,
24 - колесное шасси,
25 - мачта,
26 - беговая дорожка,
27 - опора беговой дорожки,
28 - передающая антенна,
29 - приемная антенна,
30 - винтовая лестница,
31 - откидная площадка,
32 - пульт управления,
33 - нагрузка,
34 - пульт управления (блок дистанционного телеуправления),
35 - вспомогательный источник энергии,
36 - блок шифратора и передатчика,
37 - блок приемника и дешифратора,
38 - усилитель и исполнительный блок,
39 - внешний источник электроэнергии тяговых двигателей,
40 - контактор,
41 - блок контроля выходных параметров,
42 - агрегаты генерируемого напряжения.
Условные обозначения:
L - длина рычага (м),
F - сила тяги одной мотогондолы (Н, кН),
ω - частота вращения воздушного винта (об/мин),
n - частота вращения рычага (капители 16, ротора электрической машины) (об/мин),
α - угол установки лопастей воздушного винта (угол атаки) (град),
вр
М - момент вращения одного рычага (Н·м, кН·м),
k - количество рычагов (безразмерная величина),
q - количество полок (электрических машин) (безразмерная величина),
Σ - математический символ «суммы».
На армированной фундаментной плите 1 по окружности установлены вертикальные колонны 2, которые скреплены с подкосами 3, установленными в радиальных плоскостях с вертикальными колоннами 2 на той же фундаментной плите 1. Вертикальные колонны 2 по вертикали через некоторый промежуток скреплены между собой в виде полок в горизонтальной плоскости сферическими фермами 4 выпуклостью вверх (фокальная ось сферы совпадает с центром окружности), образуя вертикальные открытые машинные залы 5, 6, 7, 8, в которых сферические фермы 4 являются фундаментом для электрических машин 10, 11, 12, оси вращения роторов которых совпадают с центром окружности. В качестве электрических машин применены синхронные многополюсные генераторы с неподвижным статором, скрепленные фиксирующими кронштейнами 13 с выпуклыми фермами 4. Нижняя часть вала ротора установлена в опорно-радиальном подшипниковом узле (не показан), скрепленном со сферическими фермами 4. Верхняя часть вала ротора электрических машин 9, 10, 11, 12 снабжена радиальным подшипниковым узлом, установлена и закреплена в опорно-центровочной плите 14, которая является частью разборного жесткого каркаса, состоящего из упорных бимсов 15, размещенных по окружности за статором электрических машин и скрепленных со сферическими фермами 4. При монтаже (или демонтаже) электрических машин 9, 10, 11, 12 жесткий каркас разбирают, затем после установки ротора собирают, тщательно центрируют опорно-центровочную плиту 14, проверяют ход ротора и после этого выполняют окончательное крепление (затяжку болтов) всего каркаса.
вр
Завершающая часть вала ротора каждой электрической машины соединена с капителью 16, посредством которой валу ротора передается суммарный вращающий момент ΣМ=k·F·L от аэропривода, состоящего из k рычагов 17 длиной L, скрепленных с мотогондолами.
Аэропривод - источник механической энергии вращения, создающий кинетический момент вращения. Аэропривод содержит физические рычаги, скрепленные одним концом в центре вращения с валом потребителя кинетической энергии перпендикулярно оси вращения ротора электрической машины, а другой конец снабжен воздушным движителем, вектор тяги которого перпендикулярен рычагу и перпендикулярен оси ротора, действует в горизонтальной плоскости.
Мотогондола 18 состоит из корпуса, тягового двигателя, узла токосъема, колесного шасси и блоков системы телемеханики и автоматики. Мотогондола 18 выполнена обтекаемой формы и закрыта капотом.
Корпус мотогондолы 18 предназначен для соединения ее с рычагом 17 и установки всех перечисленных узлов. Тяговым двигателем 19 является последовательная сборка трехфазного двигателя переменного тока, соединенного с планетарным редуктором и движителем - воздушным винтом 20 изменяемого шага, узел электрического контакта состоит из укрепленных на корпусе трех изолированных пружинных штанг 22, снабженных на конце скользящими токосъемами 21, постоянно находящимися в натяжном соприкосновении со стационарной контактной сетью 23. Убирающееся колесное шасси 24 предназначено для разгрузки капители 16 от изгибающих моментов рычагов 17 с мотогондолой 18. Блоки системы телемеханики и автоматики, установленные в мотогондоле 18, выполняют команды управления.
Электроснабжение тяговых двигателей 19 мотогондол 18 осуществляется посредством внешнего источника 39 электрической энергии тяговых двигателей (этим источником может быть также внешняя централизованная электрическая сеть) через стационарную контактную электрическую сеть, укрепленную на изолированных элементах к своду ферм 4 по окружности. Токопроводящие шины контактной сети 23 отделены одна от другой диэлектрическими кольцевыми поясами для предотвращения образования электрической дуги между ними. Контактная сеть верхнего машинного зала 12 выполнена на мачтах 25, установленных по окружности на фермах 4. В каждом открытом машинном зале 5, 6, 7, 8 установлены защищенные от внешней среды коммутационные шкафы. Электрокоммукации от них проходят по вертикальным колоннам 2, далее по туннелю в фундаментной плите 1 к пульту управления 32 и другому оборудованию.
В стояночном положении пневматическое колесное шасси 24 с амортизационной стойкой мотогондол 18 опирается на кольцевую беговую дорожку 26, установленную на опорах 27 беговой дорожки 26, укрепленных на полу открытых машинных залов ферм 4.
Вспомогательный маломощный источник электрической энергии 35 предназначен только для электроснабжения блоков системы телеуправления. Для работы системы телемеханики и автоматики каждый машинный зал снабжен передающей антенной 28, выполненной в виде провода, натянутого по окружности на изоляторах, а каждая мотогондола снабжена приемной антенной 29, близкое расположение передающей и приемной антенн по окружности вращения рычагов обеспечивает надежность канала связи телеуправления.
Для управления аωэроэлектростанцией (АэроЭС) применена многоканальная система телеавтоматики. Для автономного управления каждой электрической машиной предназначен свой канал, который состоит из стационарного оборудования и оборудования, установленного в подвижной мотогондоле 18. Система дистанционного телеметрического управления необходима для контроля и управления углом установки лопастей воздушного винта (угол атаки α) и приводом уборки (выпуска) колесного шасси. Все команды управления выполняются синхронно всеми агрегатами всех мотогондол.
Все оборудование мотогондол, в том числе блоки системы телеавтоматики, выполнены и установлены в мотогондолах с учетом направления и величины действия центробежной силы.
Высота вертикальных машинных залов определяется высотой электрической машины от основания до капители включительно и технологической высотой, необходимой для монтажа (демонтажа) электрической машины внешним подъемным краном, например автокраном.
Около одной из вертикальных колонн 2 сооружен вертикальный защищенный вход - винтовая лестница 30 для персонала с выходом в каждый машинный зал при выполнении смотровых, регламентных и ремонтных работ. Все машинные залы по окружности снабжены метровым прутковым надежным ограждением, которое не мешает движению воздушных масс работающих движителей аэропривода.
Аэроэлектростанция конструктивно включает в себя несколько электрических машин, каждая из которых функционирует автономно. Управление электрическими машинами и контроль всех режимов каждой из них осуществляют с единого пульта управления 32 (см. фиг.3).
Допустим требуется поставить под нагрузку электрическую машину 9, для этого на центральном посту на пульте управления 32 электрической машины 9 первой полки одновременно включают: блок дистанционного телеуправления 34 и контактор 40, при этом маломощный вспомогательный источник электроэнергии 35 подключается к блоку шифратора и передатчика 36, который через антенну 28 передает управляющие команды, а контактор 40 подключает внешний источник 39 электроэнергии тяговых двигателей, на контактную сеть 23 с которой посредством скользящих токосъемов 21 и пружинных штанг 22 мотогондолы 18 электрический ток поступает на тяговый двигатель 19, который практически сразу выходит на номинальные обороты и соответственно выходит на номинальные обороты ω движитель - воздушный винт 20. Параллельно с тяговым двигателем 19 электроэнергия поступает на блоки автоматики и механизм электропривода колесного шасси 24. Управляющие команды принимает приемная антенна 29, преобразовывает их блок приемника и дешифратора 37, через усилитель и исполнительный блок 38 они поступают на механизм установки α (угла атаки) лопастей воздушного винта 20.
вр
вр
Воздушный винт 20 вращается с постоянной частотой ω, создает мотогондоле 18 силу тяги F, которая обеспечивает постоянное равномерное вращательное движение рычага 17 длины L с частотой вращения n. Сила тяги F действует на плече длиной L одного рычага 17, создает кинетический момент вращения М=F·L, вращающие моменты k рычагов суммируются на капители 16, т.е. на валу ротора электрической машины, возникает ΣМ=k·F·L генерация электрического напряжения - режим холостого хода. За выходными параметрами электрической машины 9 первой полки следит блок контроля выходных параметров 41. Включают электрическую машину 9 первой полки на нагрузку 33, например внешнюю электрическую сеть, включаются агрегаты 42 генерируемого тока (силовые выключатели, защита, трансформаторы, выпрямители, автоматика и т.д.). Изменение величины нагрузки компенсируют изменением угла установки α лопастей воздушного винта 20.
Аналогично включают электрические машины 11 третьей полки и 12 z полки. Электрическая машина 10 второй полки в настоящее время не работает - ведутся регламентные работы, мотогондолы 18 опираются на колесное шасси 24.
Электрическая мощность аэроэлектростанции равна сумме электрических мощностей электрических машин q полок.
Все режимы работы каждой электрической машины и всей аэроэлектростанции: пуск, трогание с места, холостой ход, рабочий режим, аварийный режим, отключение нагрузки, остановка могут быть выполнены как вручную с визуальным контролем по приборам, так и автоматически программным блоком и специализированным компьютером по выработке оптимальной команды величинам ω, F, n при изменении внешних параметров.
При длительной стоянке электрической машины мотогондолы закрепляют в неподвижном состоянии якорными связями с полом машинного зала. Электрическую машину, капитель, мотогондолы тщательно зачехляют.
Электрические машины, все металлические узлы, якорные тросы, отдельно стоящие металлические строительные конструкции, мачты 25 и молниеотводы охвачены шиной заземления.
Аэроэлектростанция с вертикальным размещением электрических машин (электрогенераторов) на одном основании позволяет увеличить суммарную мощность электростанции и количество вырабатываемой электрической энергии, при этом значительно уменьшить площадь потребного землеотвода. Аэроэлектростанция может быть сооружена непосредственно в месте потребления электрической энергии, что позволяет снизить затраты на ее подачу издалека, т.е. исключить сооружение высоковольтных линий электропередач.
Настоящее изобретение является пионерским. Впервые разработано техническое решение сооружения вертикальных электростанций, которое имеет ряд существенных преимуществ перед электростанциями различных типов, электрические машины в которых размещены в горизонтальной плоскости.