ВЕТРОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области ветровой электрогенераторной техники и может быть использована в ветровых электрогенераторных установках с вращающимися рабочими органами (ветроколесами), ось вращения которых расположена горизонтально.
Известен ветроэлектрогенератор, содержащий тихоходное (нижнее) и быстроходное (верхнее) ветроколеса, установленные на мачте с флюгерным хвостом [1]. Обод каждого ветроколеса оборудован постоянным магнитом, выполняющим роль ротора электрогенератора. Между ветровыми колесами на мачте установлены неподвижные обмотки статора электрогенератора, в которых наводится ЭДС при вращении ветроколес.
Недостаток известного устройства состоит в том, что вращающиеся ветроколеса создают кинетический момент, вектор которого сохраняет неизменное положение в мировом пространстве. При суточном вращении Земли или при изменении направления ветра сформированный кинетический момент препятствует выполнению флюгерной функции ветросиловой энергетической установки, что снижает ее долговечность и коэффициент использования ветровой энергии.
Наиболее близким известным техническим решением к предлагаемому в качестве прототипа является система генерации электрической энергии типа ветряной мельницы, содержащая мачту, на которой установлена пара ветроколес с концентрически сопряженными осями и противоположным друг другу направлением вращения, связанных кинематическими передачами с ротором и статором электрогенератора [2]. Кроме вышеупомянутой пары ветроколес, в прототипе содержится другая аналогичная пара ветроколес с противоположным друг другу вращением. Диаметр каждого ветроколеса в порядке их следования по направлению ветра больше предыдущего. За счет взаимно противоположного вращения друг относительно друга статора и ротора увеличивается на порядок ЭДС, наводимая в электрогенераторе, по сравнению с неподвижным статором, так как изменение магнитной индукции происходит не пропорционально скорости, а пропорционально ускорению движения токопроводящих рамок в движущемся магнитном поле.
Недостаток прототипа заключается в том, что ветровой поток пронизывает одновременно все ветроколеса и сбалансировать их нежелательные кинетические моменты не представляется возможным, особенно при изменении скорости ветра. Несбалансированные кинетические моменты ветроколес разрушают их осевые крепления к мачте, что снижает долговечность ветроэнергетической установки. Сгенерированный электрический ток, протекая через электрическую нагрузку, возвращается по замкнутой цепи в обмотки якоря ротора, формирует свое собственное магнитное поле, которое искажает магнитное поле статора. Возникает известный крайне нежелательный эффект «реакции тока якоря» электрических генераторов как синхронных, так и генераторов постоянного тока, который снижает КПД ветроэлектрогенератора и его электроизоляционную прочность. При изменении скорости ветра обороты ветроколес автоматически не стабилизируются, что вызывает скачки и большие перепады генерируемой ЭДС.
Целью полезной модели является повышение КПД, стабильности ЭДС и долговечности ветроэлектрогенератора путем автоматической стабилизации скорости вращения ветроколес, замены функции щеточно-коллекторного узла электрогенератора вращающимися диодами и обеспечения условий взаимной компенсации кинетических моментов вращающихся ветроколес.
Сущность полезной модели состоит в том, что, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: мачты, на которой установлена пара ветроколес с противоположным друг другу вращением, концентрически сопряженные оси вращения которых связаны кинематическими передачами с ротором и статором электрогенератора, предлагаемый ветроэлектрогенератор содержит n пар согласно соединенных между собой диодов и два кольцевых вращающихся токосъемника, к которым подключены соответственно аноды и катоды всех диодов, общие точки соединения которых соединены с выводами секционных обмоток ротора, лопасти ветроколес выполнены с возможностью подпружиненного поворота на 90° под действием центробежной силы, диаметр лопастей первого по направлению ветра ветроколеса меньше диаметра лопастей второго ветроколеса и лопасти первого ветроколеса не закрывают лопасти второго ветроколеса, клеммы генератора подключены к неподвижным выводам кольцевых вращающихся токосъемников с возможностью их электрического соединения с вращающимися обмотками электромагнитных полюсов статора.
Новизна полезной модели заключается в том, что ветроэлектрогенератор дополнительно содержит n пар согласно соединенных между собой диодов и два кольцевых вращающихся токосъемника, к которым подключены соответственно аноды и катоды всех диодов, общие точки соединения которых соединены с выводами секционных обмоток ротора, лопасти ветроколес выполнены с возможностью подпружиненного поворота на 90° под действием центробежной силы, диаметр лопастей первого по направлению ветра ветроколеса меньше диаметра лопастей второго ветроколеса и лопасти первого ветроколеса не закрывают лопасти второго ветроколеса, клеммы генератора подключены к неподвижным выводам кольцевых вращающихся токосъемников с возможностью их электрического соединения с вращающимися обмотками электромагнитных полюсов статора, что обеспечивает повышение КПД, стабильности ЭДС и долговечности ветроэлектрогенератора.
Функциональная схема ветроэлектрогенератора при слабом ветре изображена на фиг.1; поперечное сечение лопасти ветроколеса при слабом ветре и при сильном ветре показано на фиг.2 и 3 соответственно; поперечное сечение шпоночной Т-образной червячной канавки с противодействующей пружиной приведено на фиг.4; электрическая схема электрогенератора в его поперечном сечении представлена на фиг.5.
На фиг.1…5 обозначено: 1 - лопасти ветроколеса с большим диаметром; 2 и 3 - направляющие лопастей для их поворота под действием центробежной силы; 4 - лопасти ветроколеса с малым диаметром; 5 - лопасть флюгера; 6 и 7 направления вращения ветроколес; 8 - мачта ветровой установки; 9 - Т-образные выступы лопастей; 10 и 11 - направление тихого и сильного ветра соответственно; 12 - противодействующая пружина в сжатом положении при сильном ветре; 13 - червячная Т-образная канавка; 14 - противодействующая пружина в исходном положении при слабом ветре; 15 - поперечное сечение червячной Т-образной канавки; 16…23 - поперечное сечение проводников ротора с протекающим током от наблюдателя (обозначено крестом), к наблюдателю (обозначено точкой) и без тока (нет обозначений); 24…31 - пары согласно соединенных между собой вращающихся диодов; 32 и 33 - кольцевые вращающиеся токосъемники; 34 и 35 - неподвижные выводы вращающихся кольцевых токосъемников (клеммы электрогенератора «-» и «+»); 36 и 37 - направления вращения ротора и статора генератора.
В исходном положении лопасти 1 ветрового колеса с большим диаметром установлены на цилиндрические направляющие 2 с возможностью поворачиваться под действием центробежной силы. На цилиндрические направляющие 3 ветрового колеса с малым диаметром установлены лопасти 4, которые тоже имеют возможность поворачиваться под действием центробежной силы изменяя свой угол атаки. Лопасть флюгера 5 совместно с вращающимися в противоположных направлениях 6 и 7 ветроколесами размещена на мачте 8. Т-образный выступ каждой лопасти 1 и 4 удерживает их на направляющих 2 и 3. При слабом ветре 10 лопасти 1 и 4 повернуты почти под 90° к ветру. При сильном ветре 11 эти лопасти 1 и 4 повернуты вдоль ветра и обеспечивают почти нулевой угол атаки в условиях сжатой противодействующей пружины 12 в конце червячной Т-образной канавки 13. При слабом ветре противодействующая пружина находится в положении 14 в червячной Т-образной канавке 15 направляющих 2 и 3. Проводники 16…23 ротора с диодами 24…31 вращаются в одном направлении. Аноды всех диодов подключены к вращающемуся кольцевому токосъемнику 32, а катоды этих диодов связаны с вращающимся кольцевым токосъемником 33. Неподвижные выводы 34 и 35 вращающихся кольцевых токосъемников 32 и 33 подключены к клеммам электрогенератора «-» и «+». Электрическая нагрузка генератора на фиг.5 не показана. Направления вращения ротора 36 и статора 37 противоположные.
Ветроэлектрогенератор работает следующим образом.
Ветроколесо с малым диаметром и с большим диаметром вращаются в противоположных направлениях 6 и 7 с разными скоростями. Так как площадь рабочей поверхности лопастей 1 ветрового колеса большого диаметра меньше площади рабочей поверхности лопастей 4 ветроколеса малого диаметра, то их кинетические моменты можно скомпенсировать друг с другом, что позволяет без технических трудностей выполнить лопастью 5 флюгерную функцию, максимально используя энергию изменяющего ветрового потока, пренебрегая суточным вращением Земли, и увеличить тем самым долговечность ветровой силовой установки.
Чувствительным и исполнительным элементами центробежного регулятора числа оборотов являются подпружиненные лопасти 1 и 4 ветроколес, что обеспечивает работу ветроколеса при слабом ветре. С увеличением силы ветра подпружиненные лопасти 1 и 4 автоматически поворачиваются в червячных Т-образных канавках 13 сопряженных с Т-образными выступами 9, уменьшая угол атаки, и уменьшают число оборотов ветроколес. Автоматическая регулировка числа оборотов позволяет повысить стабильность генерирования ЭДС электрогенератором.
За счет вращения токопроводящих рамок 16…23 ротора в магнитном поле статора N-S генерируется ЭДС, а при подключенной электрической нагрузке протекают токи в направлениях, обозначенных «крестами» и «точками», по правилу правой руги. Вращающиеся диоды 24…31 выполняют известную функцию щеточно-коллекторного узла генераторов постоянного тока без какого-либо искрения на щетках большой мощности. При одном магнитном полюсе статора требуется одна пара щеток, только через которые протекает весь сгенерированный ток. В предлагаемом генераторе с помощью диодов 24…31 и вращающихся токосъемных колец 32 и 33 сгенерированный ток снимается со всех вращающихся рамок сразу, не ожидая, когда рамка подойдет к щетке, что коренным образом повышает КПД генератора постоянного тока. За счет того, что ток с помощью диодов 24…31 в каждой рамке не зависит от тока в соседней рамке, физическая и геометрическая нейтральные линии генератора всегда совпадают и ток нагрузки в рамке 16-20 не протекает, его нежелательного магнитного поля не формируется и разрушающего электрическую прочность изоляции обмоток ротора и статора не происходит, что увеличивает долговечность электрического генератора.
На фиг.5 показан вращающийся статор в виде постоянных магнитов N-S, вместо которых можно установить вращающиеся магнитные полюса, сформированные с помощью электромагнитов, обмотки которых необходимо подключить к неподвижным выводам 34 и 35 вращающихся кольцевых токосъемников 32 и 33.
Для повышения генерируемой ЭДС и напряжения протекающего через нагрузку тока следует обмотки ротора выполнять секционными (многовитковыми) и подключать к вращающимся токосъемным кольцам 32 и 33 концы этих секций.
Промышленная осуществимость полезной модели обосновывается тем, что в ней используются известные в аналоге и прототипе элементы, узлы и механизмы по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе изготовлена модель ветроэлектрогенератора в 2011 году.
Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что повышается не менее чем на 20…30% КПД, стабильность генерируемой ЭДС и долговечность ветроэлектрогенератора путем автоматической стабилизации скорости вращения ветроколес, замены функции щеточно-коллекторного узла электрогенератора вращающимися диодами и обеспечения условий взаимной компенсации кинетических моментов вращающихся в противоположных направлениях ветроколес.
Источники информации:
1. Патент 2383774 RU, Ветроэлектрогенератор, МПК F03D 1/02, автор: Литвиненко A.M., патентообладатель: ГОУ ВПО «Воронежский ГТУ», опублик. 10.03.2010, (аналог).
2. Патент 2371603 RU, Система генерации электрической энергии типа ветряной мельницы, МПК F03D 1/02, автор и патентообладатель: Хонг Гу Дак (КR), опублик. 27.10.2009, (прототип).