ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ
WINDMILL GENERATOR

Изобретение относится к энергетике и использованию энергии ветра для выработки электроэнергии при энергообеспечении обособленных объектов и подаче электроэнергии в местные или централизованные энергосистемы.
Известно несколько типов ветроэнергетических агрегатов (ВЭА) с горизонтальными и вертикальными осями вращения роторов пропеллерного, барабанного и роторного типов (Robert Gasch (Hrsg). Windkraftanlagen - B.G.Teubner, Stuttgart, 1993). Однако практическое распространение получили лишь пропеллерные, как правило, трехлопастные агрегаты. Они имеют сложные по конструкции лопасти, дорогой редуктор с большим передаточным числом между ветроколесом и электрогенератором, генератор, компьютер для управления положением лопастей и ориентированием колеса на ветер. Из-за большой массы головки ветроэнергетического агрегата, самого ветроколеса и лопастей системы регулирования не могут обеспечить правильное ориентирование колеса на ветер, быстро меняющий свои скорость и направление. В результате постоянного несоответствия установки положения лопастей и колеса направлению и скорости ветра коэффициент использования установленной мощности ВЭА не превышает 10-23%. Для получения возможности использования ветра любого направления известны конструкции ВЭА с вертикальным расположением осей вращения и лопастей, типа Дарье (Robert Gasch (Hrsg). Windkraftanlagen - B.G.Teubner Stuttgart, 1993), ротор Савониуса (патент США №413407, нач. кл.415-И, 1979), но они ввиду сложности вывода на рабочий режим при эксплуатации распространения не получили.
Известна виндроторная электростанция (патент Республики Казахстан №3355, кл. F03D 3/4. Бюл. №2, 1996), агрегаты которой содержат модули, состоящие из цилиндрических роторов с объемными профильными лопатками и подвижных направляющих аппаратов, положение которых относительно направления ветра устанавливается флюгером. Для выработки энергии используются два или несколько генераторов, соединенных с валом ротора через разгонные муфты и механические передачи. Но при использовании этого устройства практически отсутствует возможность оперативного управления положением направляющего аппарата на многомодульных станциях ввиду его большой массы, что также исключает возможность достижения высокого коэффициента использования энергии ветра. Наличие разгонной муфты и механических передач снижает КПД, усложняет и удорожает конструкцию.
Известна виндроторная электростанция (патент Республики Казахстан №5595, кл. F03D 3/4. Бюл. №9, 1999), агрегаты которой состоят из виндроторных блоков или модулей, включающих цилиндрические направляющие аппараты и лопастные вертикальные виндроторы, сконструированные с использованием формулы Хелмана, соединенные с генераторной группой. Однако и это предложение имеет недостатки. Диаметры направляющих аппаратов и роторов модулей, а также количество лопаток в роторах модулей изменяются по высоте агрегата в соответствии с формулой Хелмана, которая не дает достоверных результатов в реальных условиях и не охватывает всего многообразия условий эксплуатации ветроэлектростанций в приземном слое воздушного потока.
ном
хх
хх
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются ветроэнергетический агрегат (ВЭА) и ветроэлектростанция (ВЭС) (Евразийский патент (11) №003784 (13) В1, опубликован 2003.08.28). Известные ветроэнергетические агрегаты (ВЭА) включают один или несколько цилиндрических блоков, установленных последовательно по вертикали, каждый из которых содержит статор с вогнуто-выпуклыми пластинами и ротор с выпукло-вогнутыми лопатками, соединенными с общим для всех блоков вертикальным валом, нижний конец которого соединен с ротором генератора. Во всех блоках роторы имеют постоянный наружный диаметр, число блоков в агрегате составляет 1-50 в зависимости от высоты одного блока и ветровых условий, а между блоками в ВЭА имеются зазоры, снабженные кольцевыми коническими козырьками. При этом роторы всех блоков содержат одинаковое число лопаток. На ВЭА установлен многополюсный вентильный генератор постоянного тока напряжением 12-1000 В с системой автоматического регулирования возбуждения для обеспечения постоянного напряжения при изменении энергии ветра и возможности использования энергии кратковременных порывов ветра, штормов и ураганов. Помимо этого, ВЭА имеет блок управления режимом работы генератора, включающий регулятор выходной мощности генератора для обеспечения номинальной частоты вращения ротора в диапазоне n=(3-0,7)n, где n - частота вращения ротора на холостом ходу при скорости ветра в реальных условиях. Использование вентильного многополюсного генератора постоянного тока с системой автоматического регулирования возбуждения позволяет обеспечить стабильность напряжения при резкой смене ветровой обстановки, а аппаратура управления режимом работы генератора обеспечивает оптимальный режим в зависимости от внешних факторов.
Однако известное решение также имеет недостатки. Ввиду того что скорость ветра на разной высоте от поверхности земли имеет разное значение, блоки ВЭА, установленные на разной высоте, развивают разную мощность. Блоки, расположенные в нижней части агрегата, могут развивать меньшую мощность, а при связи общим валом с верхними могут переходить в режим работы вентилятора, вращаемого верхними блоками, что снижает выдаваемую мощность ВЭА. Этот недостаток невозможно преодолеть изменением только конструкции блоков. При необходимости увеличения мощности ВЭА увеличивается диаметр статора и ротора, что приводит при одинаковой скорости ветра к снижению частоты вращения ротора и применяемые в таких условиях тихоходные электрогенераторы должны иметь большие габариты и вес.
Задачей изобретения является создание ветроэнергетических агрегатов блочного типа с вертикальной осью вращения, обеспечивающих увеличение коэффициента использования энергии ветра, удельной выработки электроэнергии на 1 кВт установленной мощности электрогенератора, упрощения сборки блоков в колонну при сооружении многоблочных ВЭА, а также уменьшения веса и размеров электрогенераторов с одновременным повышением их удельной мощности кВт/кГ генераторов при прямом ~ без редуктора соединении вала генератора с валом блоков.
Техническим результатом от использования изобретения является повышение коэффициента использования энергии ветра за счет того, что обеспечивается независимое вращение роторов блоков, находящихся на разной высоте над поверхностью земли, когда они могут вращаться с разной скоростью, развивать соответствующую местной скорости ветра мощность и независимо с разной скоростью вращать статор и ротор генератора в противоположных направлениях, что ведет, по крайней мере, к удвоению развиваемой генератором мощности. Это же открывает возможность создания генераторов с меньшими габаритами и весом при одинаковой мощности с генераторами обычного типа, где вращается только ротор, а статор неподвижен, что является следствием увеличения результирующей скорости движения магнитной системы генератора относительно его обмотки, ведущим к увеличению удельной мощности генераторов кВт/кГ или, что одно и то же, снижению материалоемкости 1 кВт мощности генератора.
ном
хх
хх
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что ветроэнергетический агрегат, включающий несколько цилиндрических блоков ветровой турбины, расположенных на вертикальной оси вращения, каждый из которых включает статор с вогнуто-выпуклыми пластинами и ротор с выпукло-вогнутыми лопатками и электрический многополюсный вентильный генератор постоянного тока с системой автоматического управления схемами включения обмоток статора и регулирования возбуждения или с постоянными магнитами, регулятором выходной мощности для обеспечения номинальной частоты вращения роторов блоков в диапазоне n=(0,5-0,6)n, где n - частота вращения роторов блоков на холостом ходу при скорости ветра в реальных условиях, имеющий реле для включения возбуждения генератора при наличии ветра и отключения в период затиший, содержит как минимум два блока, электрический генератор установлен между двумя блоками ветровой турбины и дополнительно снабжен валом на статоре, при этом ротор и статор генератора механически соединены с роторами блоков, причем пластины статора и лопатки ротора верхнего блока установлены в направлении вращения ротора турбины и соединенного с ним ротора генератора по часовой стрелке, а пластины статора и лопатки ротора нижнего блока установлены в положении вращения ротора турбины и соединенного с ним статора генератора против часовой стрелки, при этом агрегат снабжен дополнительными, размещенными по его высоте электрическими генераторами, которые включаются параллельно на общую нагрузку или питают каждый обособленную нагрузку.
Для увеличения КПД при использовании ветра по высоте конструкции ВЭА содержит один и более электрогенераторов, включаемых параллельно на общую нагрузку или питающих каждый обособленную нагрузку, а с каждой стороны электрогенератора установлены блоки ветровой турбины в количестве больше одного, причем мощности блоков, вращающих статор и ротор генератора, равны или мощность блоков, вращающих статор Nst, отличается от мощности блоков, вращающих ротор Nrt в соответствии с соотношением
2
2
2
2
Nst=kNrt, где k=GDst/GD rt, a GDst и GD rt - соответственно моменты инерции статора и ротора, a G и D - их вес и наружные диаметры.
Для синхронизации режима работы с нижними блоками верхние блоки установленных вертикально многоблочных ВЭА имеют меньшее на 20-50% количество лопаток по сравнению с блоками, установленными в нижней части ВЭА, а пластины статора размещаются равномерно по периметру его окружности с расстоянием между пластинами в пределах 0,6-60° в зависимости от его диаметра.
Технический результат достигается так же тем, что с каждой стороны блоков установлены крышки, удерживающие пластины статора и подшипники, фиксирующие валы роторов в центре статоров, обеспечивающие свободное вращение ротора и конструктивное единство блоков.
Для универсальности конструкции оконечности валов статора и ротора генератора, а также валов роторов блоков выполнены овальной, многогранной или круглой формы с профильными зубьями, или шлицами, или шпоночными канавками.
Для универсальной сборки конструкции и исключения резких воздействий ветра на элементы конструкции ВЭА снабжен упругими муфтами для соединения валов роторов блоков между собой и с валами ротора и статора генераторов, а с каждой стороны муфт установлены втулки, внутренняя полость которых имеет согласованную с валами овальную, многогранную или круглую форму с профильными зубьями, или шлицами, или шпоночными канавками.
Для вывода электрических кабелей валы генераторов и блоков, соединенные с соответствующими валами генератора, имеют каналы для прокладки проводов от выводов обмоток статора и ротора и снабжены щеточными узлами с контактными кольцами для подключения выводов обмоток генераторов, установленными на валах генераторов или на противоположных от генератора концах валов блоков.
Для унификации конструкции ВЭС на поверхности статора генератора установлены выпукло-вогнутые лопатки, создающие при обдуве ветром дополнительный вращающий момент в ту же сторону, что и ротор присоединенного к нему блока, и обеспечивающие улучшение охлаждения генератора.
ВЭА установлен горизонтально поперек склонов гор, поперек проходов и ущелий, или на плавучей платформе, снабженной флюгерными рулями для удержания ВЭА перпендикулярно направлению ветра.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 показан общий вид агрегата при наличии с каждой стороны генератора по одному блоку.
На фиг.2 показан агрегат с двумя блоками с каждой стороны генератора.
На фиг.3 показан агрегат с несколькими генераторами и несколькими блоками с каждой стороны генератора.
На фиг.4 показаны общий вид блока и варианты установки пластин и лопаток в поперечных сечениях блоков.
На фиг.5 показан генератор с упругой муфтой и лопатками на статоре.
Ветроэнергетический агрегат состоит из блоков 1, содержащих статор 2 с вогнуто-выпуклыми пластинами 3 и ротор 4, содержащий выпукло-вогнутые лопатки 5, расположенные по окружности и направленные по варианту а) для вращения ротора по часовой стрелке и по варианту б) для вращения против часовой стрелки. Блоки устанавливаются с разных сторон электрического генератора 6 и соединяются валами с валом ротора и с валом статора посредством упругих муфт 7. Концы валов статора 8 и ротора генератора 9, а также валы блоков роторов имеют овальную, многогранную или круглую форму с профильными зубьями, или шлицами, или шпоночными канавками, а муфты, в свою очередь, с каждой стороны снабжены втулками 10, внутренняя полость которых имеет овальную, многогранную или круглую форму с профильными зубьями, или шлицы, или шпоночные канавки. Вал 8 статора генератора 6 устанавливается на его корпусе, как показано на фиг.5, с помощью фланца 11. В корпусе имеется отверстие (не показано), через которое выводятся провода от обмотки статора, соединяемые через отверстие в валу (не показано) со щеточным узлами 12, которые удерживаются от вращения распорками 13, прикрепленными к стойкам 14 статора блока. Аналогично выводятся провода от обмотки ротора, при ее наличии. Если для возбуждения генератора используются постоянные магниты, то щеточные узлы устанавливаются только на одном из валов. Каждый блок имеет подшипники 16, установленные в нижней и верхней крышке 17, обеспечивающие вращение ротора и формирующие блок как самостоятельный узел. Благодаря унификации узлов обеспечивается простота изготовления и сборки ветроэнергетических агрегатов.
2
При необходимости увеличения мощности ВЭА устанавливается несколько генераторов, как показано на фиг.3, а с каждой стороны генератора устанавливается по нескольку блоков, причем количество и мощность блоков, вращающих статор генератора, больше количества и мощности блоков, вращающих ротор генератора. Это следует из того, что статор по сравнению с ротором имеет больший вес и диаметр, создающие больший чем у ротора момент инерции вращающейся системы GD, для преодоления которого при развороте агрегата требуется большее усилие. Прочность конструкции обеспечивается стойками статоров блоков 14, а устойчивость конструкций с небольшим диаметром статора обеспечивается растяжками (не показаны).
На статоре генератора установлены выпукло-вогнутые лопатки 15 для улучшения охлаждения генератора и вращения его ветром в ту же сторону, куда вращает его ротор соединенного с ним блока.
ВЭА устанавливаются вертикально на трубчатых стойках (фиг.1), опорах линий электропередач, мачтах ретрансляторов, на конусных (фиг.2), цилиндрических, на трех- и четырехопорных (фиг.3) основаниях 18, располагаемых на грунте или на фундаментах 19. При необходимости выработки электроэнергии в больших объемах ветроэнергетические агрегаты объединяются в многоагрегатные ветроэлектростанции (ВЭС) и устанавливаются по определенному взаимному расположению в зависимости от местной розы ветров и при компактном размещении связываются между собой перемычками.
В природе имеется много мест с постоянными ветрами большой силы и большим значением скорости непосредственно над подстилающей поверхностью. Это ветры горных перевалов, узких ущелий. Среди них знаменитая «Крымская бора» - поднимающийся по склону на плоскогорье и стекающий с него по склону в долину ветер со скоростью до 40-60 м/с, катобический ветер Гренландии, ветры Адриатического побережья Югославии, Джунгарские ворота в Казахстане. В таких условиях эффективна установка ВЭА в горизонтальном положении поперек склонов гор и наклонных поверхностей, в узких коридорах и проходах, а также на растяжках поперек ущелья или на плавающей платформе при удержании агрегата перпендикулярно направлению ветра посредством ветровых рулей - флюгеров.
Работа ВЭА осуществляется следующим образом.
В каждом блоке 1 ВЭА (фиг.4) статор забирает воздушный поток пластинами 3, обеспечивает его сжатие и ускорение и направляет на лопатки ротора 5. Действуя на лопатки 5, соединенные с валом ротора, воздушный поток вызывает его вращение и связанного с ним ротора генератора 6 в варианте «а» по часовой стрелке. По варианту «б» статор также забирает воздушный поток пластинами и обеспечивает его сжатие и ускорение и направляет на лопатки ротора. Действуя на лопатки 5, соединенные с валом, воздушный поток вызывает вращение его и соединенного с ним статора генератора против часовой стрелки. Вращение ротора и статора генератора в противоположных направлениях с номинальной частотой вращения роторов блоков увеличивает выдаваемую генератором мощность по сравнению с генераторами, где с частотой вращения ротора блока вращается только ротор, а статор неподвижен. Вращение ротора и статора генератора в противоположных направлениях приводит к увеличению, по крайней мере, в два раза скорости движения его магнитной системы относительной обмотки, что в соответствии с законом магнитной индукции увеличивает на такую же величину электродвижущую силу и мощность генератора, как это следует из формулы е=lvB, где е - мгновенное значение э.д.с. в проводнике, l - длина активной части проводника, v - скорость относительного перемещения проводника и магнитного поля, В - магнитная индукция [Пиотровский Л.М. Электрические машины, Госэнергоиздат, М.-Л. 1956]. В этих условиях будет соответственно увеличена развиваемая мощность, что соответствует энергетическим характеристикам ветроэнергетического агрегата данного типа. Вывод энергии генератора осуществляется на постоянном токе при напряжении, в зависимости от его мощности через щеточные узлы 12 с контактными кольцами, установленными на свободных концах валов генераторов или блоков. Для прокладки проводов от генераторов к щеточным узлам в валах ротора и статора, а также в валах блоков имеются каналы. При изменении скорости ветра автоматически производится переключение ветвей обмоток генераторов, так чтобы постоянно поддерживать оптимальную частоту вращения роторов блоков под нагрузкой на уровне 0,5-0,6 от частоты вращения на холостом ходу без нагрузки при конкретной скорости ветра.