Автоадаптивная система стабилизации вырабатываемого напряжения ветрогенератора

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована в автономных ветроэнергетических установках для повышения КПД и стабилизации выходного напряжения генератора в регулируемом диапазоне в условиях естественной нестабильности ветрового потока атмосферного приземного слоя.
Известен двухроторный ветрогенератор (RU №2366829 от 07.04.2008) содержащий два ветроколеса, вращающиеся в разные стороны, неподвижную статорную обмотку соленоидного типа, намотанную вокруг кольцевого сердечника из ферромагнитного материала и закрепленную наружной стороной в корпусе, а также два ротора из немагнитного материала, имеющих форму дисков и расположенных соосно. На каждом из роторов равномерно распределено одинаковое количество постоянных магнитов, имеющих Г-образную форму, причем полюса магнитов, расположенных на каждом из роторов, имеют одинаковую полярность, а полюса магнитов, расположенных на разных роторах, направлены разнополярно друг другу. Каждый из постоянных магнитов выполнен с возможностью вращения полюсов вокруг половины незакрепленной в корпусе обмотки. Каждый ротор соединен с ветроколесом при помощи своего вала, вращающегося в подшипниковых опорах, закрепленных в корпусе.
Недостатком приведенной выше конструкции является отсутствие системы стабилизации вырабатываемого ветрогенератором напряжения. Соосное расположение двух, вращающихся в разные стороны, ветроколес. При данном расположении неизбежно будет сказываться аэродинамическое влияние первого ветроколеса на второе ослаблением и повышенной степенью турбулизации возникающего за ним потока, что, помимо снижения частоты вращения второго ветроколеса, уменьшающей суммарный КПД ветрогенератора, также будет приводить, вследствие количественного и качественного разрастания зон повышенного и пониженного давления за первым ветроколесом, к его неравномерному вращению, неизбежно отражаясь и на общем качестве вырабатываемого ветрогенератором напряжения.
Известен стабилизированный вентильный аксиально-радиальный ветрогенератор постоянного тока (RU №2689211 от 22.03.2018), содержащий статор, основание которого выполнено в форме неподвижной платформы, жестко закрепленной на штанге-держателе, и ротор, внешняя боковая поверхность которого выполнена с лопатками изогнутой формы, а передняя часть ротора выполнена с обтекателем и входными вентиляционными отверстиями расположенными вокруг обтекателя по окружности с центром на оси симметрии ротора. Ротор закреплен на оси. На неподвижной платформе жестко закреплен выходной трехфазный двухполупериодный выпрямитель. Ось выполнена неподвижной, с буртиком в средней части, и запрессована в отверстие, выполненное в центре неподвижной платформы, где жестко закреплен аксиальный магнитопровод якоря основного генератора с трехфазной обмоткой и регулятор напряжения, вход которого подключен к выходу выходного трехфазного выпрямителя. На неподвижной оси жестко закреплен радиальный магнитопровод индуктора возбудителя, в пазы которого уложена однофазная обмотка возбуждения возбудителя, подключенная к выходу регулятора напряжения согласно с трехфазной обмоткой якоря основного генератора. В передней части внутренней полости ротора жестко закреплен радиальный магнитопровод якоря возбудителя, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря возбудителя, а в задней части внутренней полости ротора жестко закреплен аксиальный магнитопровод индуктора основного генератора, в пазы которого со стороны аксиального магнитопровода его якоря уложена однофазная обмотка возбуждения, подключенная к выходу выпрямителя. Ротор установлен на оси, выполненной неподвижной, посредством диска, закрепленного во внутренней полости аксиального магнитопровода индуктора, и выполненного с выходными вентиляционными отверстиями по окружности с центром на оси симметрии ротора в непосредственной близости с диодами многофазного двухполупериодного выпрямителя, и с расточкой в его центральной части, в которую уложено наружное кольцо заднего подшипника, внутреннее кольцо которого установлено с натягом в средней части неподвижной оси. Задний подшипник закреплен от перемещения в осевом направлении буртиком и втулкой, установленной на оси, выполненной неподвижной, между задним подшипником и радиальным магнитопроводом индуктора возбудителя. Задняя часть обтекателя выполнена с расточкой, в которую уложено наружное кольцо переднего подшипника, внутреннее кольцо которого закреплено с натягом в передней части оси, выполненной неподвижной.
Недостатком приведенной выше конструкции является ее технологическая сложность, требующая для стабилизации вырабатываемого напряжения дополнительных энергозатрат, при этом повышение КПД достигается только за счет вентиляционных отверстий.
Наиболее близким по технической сущности прототипом является двухроторный ветрогенератор (RU №2433301 от 03.11.2009), состоящий из статора и двух роторов. Внутри статора находятся основной ротор и дополнительно введенный регулирующий ротор, имеющие возможность поворачиваться относительно друг друга. Регулирующий и основной роторы через конические шестерни связаны с осями лопастей ветроколеса. Регулирование угла атаки лопасти происходит благодаря повороту регулирующего ротора относительно основного путем шунтирования обмотки регулирующего ротора. При этом регулирующий ротор поворачивается относительно основного ротора и поворачивает шестерню, связанную с лопастью ветроколеса, изменяя угол атаки лопасти.
Недостатком приведенного выше аналога является его низкая энергоэффективность вследствие наличия систем контроля и регулирования шунтирования обмотки регулирующего ротора за счет относительного поворота которого и происходит регулирование частоты вращения вала ветрогенератора путем изменения угла атаки лопасти, что требует дополнительных энергозатрат.
Техническим результатом полезной модели является повышение КПД с созданием энергоэффективной автоадаптивной системы стабилизации выходного напряжения генератора автономной ветроэнергетической установки в условиях естественной нестабильности ветрового потока атмосферного приземного слоя.
Технический результат достигается тем, что автоадаптивная система стабилизации вырабатываемого напряжения ветрогенератора состоящая из вала с расположенными на нем роторами, статором и ветроколесом, согласно полезной модели, она выполнена на одном валу, с «ведущим» и «ведомым» роторами и с расположенным между ними статором, с системой возбуждения состоящей из постоянных магнитов, установленных в роторах и корпусе ветроколеса с чередованием полюсов, при этом постоянные магниты «ведомого» ротора и ветроколеса расположены одноименными полюсами друг напротив друга, причем «ведущий» ротор, вращающийся синхронно с ветроколесом, установлен жестко на валу, а «ведомый», с возможностью углового смещения в обоих направлениях, закреплен на валу на радиальном подшипнике, при этом ветроколесо имеет возможность смещаться вдоль оси вращения вала как в прямом, под действием ветровой нагрузки, так и в обратном, под действием реверсной пружины, направлениях.
Полезная модель поясняется чертежами.
На Фиг. 1 изображен общий вид ветрогенератора. На Фиг. 2 общий вид в разрезе. На Фиг. 3 общий вид расположения магнитной системы ветрогенератора: ветроколесо - «ведомый» - «ведущий» роторы. На Фиг. 4. показано относительное расположение магнитных систем двухроторного генератора. На фиг. 5 (а, 6, в, г) показаны фрагменты относительного положения магнитных систем роторов с переменным углом β° при проведении замеров. На Фиг. 6 представлен сводный экспериментальный график полученной зависимости изменения величины вырабатываемого напряжения двухроторным генератором для различных частот вращения в зависимости от величины угла (β°) смещения «ведомого» ротора относительно «ведущего». Для удобства и наглядности изображения буквенное обозначение северного и южного полюсов магнитов заменены на знаки «+» и « - ».
Автоадаптивная система стабилизации вырабатываемого напряжения ветрогенератора состоит из шлицевого вала 1 (Фиг. 2), на котором жестко крепится «ведущий» ротор 2. На валу 1, внутренним кольцом по прессовой посадке, устанавливается радиальный подшипник 3 на внешнее кольцо которого запрессовывается «ведомый» ротор 4. Между роторами 2 и 4 располагается статор 5 (катушки не отображены), закрепленный на трех неподвижных осях 6. На валу 1, по шлицевому соединению с возможностью осевого смещения в обоих направлениях, крепится ветроколесо, состоящее из корпуса 7 и лопастей 8. Усилие реверсной пружины 9 регулируется ее длиной, жесткостью и винтом 10. В роторах 2, 4 и в корпусе 7, по периметру, с чередованием полюсов, располагаются ряды постоянных магнитов 11, 12 и 13 соответственно, причем магнитные ряды 11 и 13 располагаются одноименными полюсами друг напротив друга.
Известно, что сила ветра является величиной непостоянной. Соответственно основной проблемой ветрогенераторов является неравномерность выдачи электроэнергии в сеть или непосредственно потребителю на различных временных интервалах в течение суток, месяца или года, что требует в свою очередь существенных затрат на установку дополнительного периферийного оборудования для контроля и стабилизации вырабатываемого напряжения. С учетом того, что существующая энергосистема сама имеет пики и провалы энергопотребления, то подключение значительной доли ветрогенерующих установок в сеть может вызвать дестабилизацию ее работы. Предлагаемая автоадаптивная система стабилизации вырабатываемого напряжения ветрогенератора позволяет с одной стороны повысить КПД ветрогенератора, за счет установки второго ротора, а с другой стороны стабилизировать в настраиваемом диапазоне неизбежные скачки и провалы вырабатываемого ветрогенератором напряжения вследствие естественной нестабильности набегающего атмосферного воздушного потока, повысив тем самым стабильность и степень прогнозируемости получаемых конечных выходных характеристик ветрогенератора по вырабатываемому напряжению.
Работа автоадаптивной системы стабилизации вырабатываемого напряжения ветрогенератора основана на эффекте изменения величины вырабатываемого напряжения двухроторного генератора в зависимости от относительного угла смещения одного из роторов.
Как показала практика, установка второго ротора, вращающегося в одну сторону синхронно с первым, при соблюдении условия В=Г и относительного расположения магнитных систем согласно Фиг. 4. (разноименными полюсами друг напротив друга), увеличивает вырабатываемое генератором напряжение в два раза по сравнению с однороторной системой.
Если во время работы генератора один из роторов, при вращении обоих роторов в одном направлении с одинаковой частотой, начинать постепенно смещать по/против направлению/направления вращения относительно другого на определенный угол β°, то вырабатываемое напряжение начинает падать, достигая минимального значения, когда магниты в роторах будут находиться одноименными полюсами друг напротив друга. Для установления зависимости изменения вырабатываемого напряжения от угла смещения одного из роторов был проведен эксперимент. Суть его заключалась в снятии вырабатываемого генератором напряжения в зависимости от изменения угла β° (на Фиг. 4 β=0°) с приращением Δ=2,5° поворота «ведомого» 4 ротора относительно «ведущего» 2. Δ=2,5° рассчитывалось исходя из соотношения 360°/n, где n - общее количества магнитных пар в обоих роторах. В нашем случае n=36. Соответственно полученное значение в 10° в дальнейшем разбивалось на равнозначные отрезки в 2,5° с целью удобства построения экспериментальной зависимости. На Фиг. 5 (а, 6, в, г) показаны фрагменты относительного положения магнитных систем роторов с переменным углом β° при проведении замеров.
На Фиг. 6 представлен сводный экспериментальный график полученной зависимости изменения величины вырабатываемого напряжения двухроторным генератором для различных частот вращения в зависимости от величины угла (β°) смещения «ведомого» ротора относительно «ведущего». Согласно полученным графикам, имеющим вид нормального распределения,
четко видно, что максимальное (при β=0°) и минимальное (при β=10°) вырабатываемое напряжение соответствует положению магнитной системы, когда магниты, установленные в роторах, находятся разноименными (Фиг. 4) и соответственно одноименными (Фиг. 5, г) полюсами друг напротив друга.
Автоадаптивная система стабилизации вырабатываемого напряжения ветрогенератора работает следующим образом. Набегающий воздушный поток, воздействуя на лопасти 8, закрепленные в корпусе 7 ветроколеса приводит во вращение вал 1 с расположенным на нем «ведущим» ротором 2 жестко связанного с валом 1, вращающегося синхронно с ветроколесом и который за счет сил притяжения возникающих при взаимодействии разноименных полюсов постоянных магнитов в рядах 11 и 12 (при А>Б, Фиг. 3) обеспечивает сцепление и вращение «ведомого» ротора 4. При увеличении скорости (давления) набегающего воздушного потока, ветроколесо, вращающееся синхронно с «ведущим» ротором, по шлицевому, или иному соединению обеспечивающему ему возможность смещения вдоль оси вращения в обоих направлениях, начинает смещаться в сторону «ведомого» ротора. С учетом того, что магнитные ряды 12 и 13 расположены друг к другу одноименными полюсами и при выполнении условия А<Б (Фиг. 3) и с дальнейшим уменьшением расстояния А вызванного всевозрастающим давлением ветрового потока, «ведомый» ротор, под воздействием первичной тангенциальной составляющей сил отталкивания между одноименными полюсами и в дальнейшем под воздействием вторичной, постепенно возрастающей составляющей силы притяжения между разноименными полюсами магнитов в рядах 12 и 13, начинает постепенно поворачиваться по/против направлению/направления вращения, тем самым постепенно изменяя угол положения «ведомого» ротора относительно «ведущего» одновременно компенсируя уменьшаемое вырабатываемое ветрогенератором напряжение возрастающей частотой вращения ветроколеса. Соответственно при снижении ветровой нагрузки, ветроколесо, за счет работы реверсной пружины 9, начинает смещаться в обратную сторону от «ведомого» ротора, постепенно уменьшая угол его смещения относительно «ведущего», тем самым компенсируя уменьшением частотой вращения ветроколеса увеличиваемое вырабатываемое напряжение ветрогенератора. Т.о. предлагаемая автоадаптивная система стабилизации вырабатываемого напряжения ветрогенератора стабилизирует вырабатываемое ветрогенератором напряжение за счет накладываемых в процессе работы друг на друга самокомпенсирующих циклов.
Технический результат достигается за счет того, что все элементы ветрогенератора выполнены на одном валу. При этом ветроколесо устанавливается на валу с возможностью смещения вдоль оси вращения в обоих направлениях, в одном направлении под воздействием ветровой нагрузки и в противоположном под воздействием реверсивной пружины. Система генератора, состоящая из неподвижного статора с катушками, «ведущего», вращающегося синхронно с ветроколесом и устанавливаемого жестко на валу, а также «ведомого», устанавливаемого на валу на радиальном подшипнике, роторов обеспечивает одновременно как повышение КПД, так и регулировку вырабатываемого напряжения методом углового смещения «ведомого» ротора относительно «ведущего» в зависимости от расстояния между магнитными системами «ведомого» ротора и ветроколеса.