ВЕТРОЭНЕРГОБЛОК СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ
STABILISING WIND POWER UNIT

Использование: для преобразования кинетической энергии атмосферных потоков в электрическую энергию стабилизированного качества, прежде всего в условиях преобладания переменчивых по силе ветров.
Сущность технического решения состоит в том, что ротор ветрогенератора имеет возможность при усилении ветра выдвигаться в подветренную сторону за пределы статорной обмотки и вновь возвращаться на прежние позиции при ослаблении ветра, что обеспечивается установкой горизонтального турбинно-роторного вала в подшипниках скольжения, его взаимодействием с указанной стороны с пружиной сжатия, а надежность механизма достигается наличием дополнительных узлов, сопряженных с ротором, в виде свободно вращающегося на валу дискового опорного элемента с подветренного торца ротора и предохраняющего амортизатора - с его наветренного торца.
Устройство относится к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) с осью вращения ротора, совпадающего с направлением ветра.
Одной из первоочередных проблем ветроэнергетики является низкое качество вырабатываемой электроэнергии, обусловленное переменчивостью скорости перемещения в атмосфере воздушных масс. Данным обстоятельством объясняется неравномерная дислокация объектов мировой ветроэнергетики, 89% мощностей которой сосредоточено на прибрежных территориях и даже шельфах приморских стран западной Европы, северной и центральной Америки, где преобладают устойчивые ветра с оптимальной для ВЭУ скоростью, переменчивость которой однако и здесь является существенной и колеблется в основном в пределах от 6 до 12 м/с. Неприемлемые для потребителей колебания параметров получаемой электроэнергии повсеместно гасятся с применением дополнительного оборудования: блоков первичной обработки - фильтров, преобразователей (инверторов), аккумуляторных батарей. Их значительная стоимость и невысокий ресурс в условиях экстремальных режимов эксплуатации удорожают стоимость ветроэнергетических сооружений и их конечной продукции на 40-45%.
Из развития техники известно, что уже на начальном этапе становления ветроэнергетики предпринимались попытки улучшить качество получаемой электроэнергии из возобновляемого атмосферного источника механическим средствами. Так, в ветряном двигателе (патент SU №15117) данная задача решается путем сохранения скорости вращения генераторного ротора неизменной, достигаемой наклоном плоскости вращения турбины по отношению к направлению усиливающегося ветра, вплоть до наветренного горизонтального положения. Та же задача в ветряке (патент SU №15474) решается применением поворотных лопастей. Данные технические решения не нашли практического применения прежде всего в силу ненадежности конструкций, представляющих из себя сложные системы рычагов, штанг и шарниров, пружинных тяг. Кроме того, даже на оптимальных скоростях ветра указанные устройства не лишены пороков, свойственных всем ВЭУ с горизонтальным положением роторного вала и пропеллерной турбиной, и, прежде всего, высокого лобового сопротивления. Однако этот недостаток при совокупности определенных технических решений может быть использован в деле улучшения качества электроэнергии, получаемой от нестабильной кинетической энергетики переменчивых по скорости ветров с использованием фундаментальных свойств электромагнитной индукции.
Целью изобретения является стабилизация параметров электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергоблоком в реальных атмосферных условиях, когда воздушные потоки обладают неустойчивыми скоростными характеристиками.
Данная цель достигается использованием основной закономерности, свойственной электромагнитной индукции, а именно, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом контуре, находящемся в изменяемом магнитном потоке, пропорциональна скорости изменения магнитного потока и числу витков катушки. Из чего следует, применительно к ветрогенератору, что необходимым условием стабилизации параметров получаемой электроэнергии является в случае усиления ветра и соответствующего повышения скорости вращения ротора - уменьшение числа витков статорной обмотки, взаимодействующих с магнитным полем; в случае ослабления ветра и падения скорости вращения ротора - увеличение числа витков статорной обмотки, взаимодействующих с тем же по интенсивности магнитным полем.
Технически указанные требования решены таким образом, что горизонтальный вал ветроэнергоблока с насаженными на него пропеллерной турбиной и магнитным ротором установлен в подшипниках скольжения и имеет, таким образом, возможность возвратно-поступательных перемещений, взаимодействуя при этом с соосной пружиной сжатия, расположенной в подветренном положении относительно ротора. Это взаимодействие осуществляется через дисковый опорный элемент, свободно вращающийся на упомянутом валу с использованием подшипника качения. Для безударного возврата вала совместно с турбиной и ротором в исходную позицию под действием распрямляющейся пружины, что имеет место при падении скорости ветра до минимального рабочего значения, использован амортизатор, помещенный на валу с наветренной стороны относительно ротора.
Таким образом, ветроэнергоблок стабилизирующий, состоящий из несущей мачты с поворотным узлом и гондолой на вершине, через которую пропущен вращающийся горизонтальный вал с турбиной на выступающем конце, а внутри расположен генератор в составе ротора, надетого на вал, и обхватывающей его статорной обмотки, отличается тем, что ротор имеет возможность принудительно выдвигаться за пределы статорной обмотки, перемещаясь в подветренном направлении, и возвращаться в исходное положение, для чего упомянутый вал установлен в подшипниках скольжения, а на участке между ротором и задней стенкой гондолы оснащен спирально-конической пружиной сжатия, которая взаимодействует с ротором через свободно вращающийся на том же валу дисковый опорный элемент.
На участке горизонтального вала между ротором и передней стенкой гондолы предусмотрен противоударный амортизатор.
На фиг.1 показан ветроэнергоблок стабилизирующий (ВЭБ-С) при нижнем рабочем значении скорости ветра (6 м/с); на фиг.2 - то же устройство при верхнем рабочем значении скорости ветра (12 м/с); на фиг.3 - тот же ВЭБ-С при превышении скоростью ветра верхнего рабочего значения вплоть до штормовых показателей (24 м/с).
ВЭБ-С включает в себя несущую мачту 1 с поворотным узлом 2 и гондолой 3, оснащенной статорной обмоткой 4 и включающей в себя горизонтальный вал 5, установленный в подшипниковых опорах скольжения 6 и имеющий пропеллерную турбину 7, а также магнитный ротор 8, взаимодействующий с наветренного торца с амортизатором 9, с подветренного торца - с пружиной сжатия 10. В последнем случае взаимодействие осуществляется через дисковый опорный элемент 11, надетый на вал посредством подшипника качения 12.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Изначально (фиг.1) при нижнем рабочем значении скорости ветра 6 м/с ротор 8 полностью размещается в пределах статорной обмотки 4, все витки которой находятся под действием вращающегося магнитного поля. По мере усиления ветра в сторону верхнего рабочего значения 12 м/с, под воздействием возросшей результирующей силы лобового сопротивления вращающийся с большим числом оборотов турбины 7, пружина 10 сжимается, и ротор 8 частично выдвигается за пределы статорной обмотки 4 (фиг.2), число ее витков, взаимодействующих с магнитным полем ротора 8, уменьшается, что в конечном итоге обеспечивает неизменность параметров и более приемлемое на практике качество вырабатываемой ветрогенератором электроэнергии, а также смягчает условия функционирования дополнительного оборудования ВЭУ.
В целях безопасной эксплуатации генератора ВЭБ-С и электрооборудования потребителей начиная с штормовых скоростей ветра 24 м/с ротор 8 полностью выдвигается за пределы статорной обмотки 4 (фиг.3). Потребители питаются от аккумуляторных батарей или иных источников до нормализации аэродинамической ситуации в атмосфере, которая в отличие от периодов безветрия в случаях штормов, ураганов и смерчей не бывает продолжительной по времени.
По мере того как скорость ветра возвращается к нормативному уровню, ротор 8 под действием пружины 10 возвращается в пределы статорной обмотки 4 и при нижнем рабочем значении в 6 м/с занимает изначальное положение, как показано на фиг.1. При этом во избежание удара ротора 8 о корпус гондолы 3 используется амортизатор 9 любой известной конструкции, например в виде резинового кольца либо тарельчатого типа.
В качестве элемента 10 в ВЭБ-С применена спирально-коническая пружина из холоднокатанных стальных лент марки 70С2ХА, поскольку данный тип пружины имеет максимально возможный ход, как разницу длин в расправленном и предельно сжатом состояниях. Чтобы не происходило скручивания пружины 10, которое может привести к ее разрушению, предусмотрен узел в составе дисковой опоры 11, свободно вращающейся на валу 5 за счет наличия подшипника качения 12.