ВЕТРОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР
WIND ELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к магнитоэлектрической генерации, использующей для вращения энергию воздушного потока, и может быть использовано в ветровых установках для выработки переменного тока.
Известен ветроэлектрогенератор, содержащий установленное на валу ветроколесо и магнитоэлектрический генератор, ротор которого выполнен в виде двух дисков с равномерно размещенными на них постоянными магнитами, неподвижный статор между дисками ротора с равномерно расположенными на нем катушками индуктивности (патент РФ №2518152, МПК F03D 9/00, опубликовано 10.06.2014). В этом ветроэлектрогенераторе при возникновении тока нагрузки происходит торможение вращения ротора генератора вследствие противодействия магнитного поля, вызывающего ЭДС индукции и магнитного поля тока, возникающего от ЭДС, при подключении нагрузки и образовании замкнутого контура в соответствии с законом Фарадея и правилом Ленца. Такое противодействие вращению ротора сказывается на КПД установки и при слабой ветряной нагрузке и большом потреблении тока приводит к останову ее лопастей. Поэтому существует проблема повышения КПД ветряных установок и снижения противодействия магнитных полей.
Известен также ветрогенератор (заявка РФ №2010149279, МПК F03D 1/06, опубликовано 27.07.2012), в котором проведена работа в направлении повышения КПД ветроустановок. Ветрогенератор содержит переднюю и заднюю лопасти (2) и (10), которые аксиально соединены с соответствующими передним и задним концами основного корпуса (1), установленного на стойке мачты (30) определенной высоты, таким образом, что они вращаются в противоположных направлениях относительно друг друга навстречу ветру, множество постоянных магнитов (7), вращающихся с использованием момента вращения, передаваемого от передней лопасти (2), и корпус катушки (22), вращающийся в направлении, противоположном постоянным магнитам (7), используя момент вращения, передаваемый от задней лопасти (10), при этом постоянные магниты и корпус катушки установлены в основном корпусе (1). Крестовина (6) установлена в средней части переднего вала (3), и постоянные магниты (7) установлены на наружном диаметре крестовины (6) на определенных интервалах, и при этом вращающийся корпус (20) соединен на его внутренней стороне (21) с передним валом (3) с помощью подшипника (27а) таким образом, что на нем расположены постоянные магниты (7). Корпус катушки (22) установлен на наружной стороне вращающегося корпуса (20) напротив постоянных магнитов (7). Однако такая установка все же имеет невысокий КПД, который мало отличается от КПД других аналогов и в котором велико значение наведенной противоЭДС, препятствующей вращению ротора. Описанный ветроэлектрогенератор выбран в качестве наиболее близкого аналога.
Задачей изобретения является повышение КПД ветроэлектрогенератора.
Техническим результатом является уменьшение величины силы противодействия магнитных полей.
Задача решается и технический результат реализуется в ветроэлектрогенераторе, содержащем по крайней мере один постоянный магнит, установленный на роторе с возможностью вращения от лопасти, и по крайней мере одну индукционную катушку, установленную на неподвижном статоре.
Отличием ветроэлектрогенератора от прототипа является следующее.
- Ветроэлектрогенератор дополнен по крайней мере одним единичным сегментом генератора;
- Единичный сегмент может быть один или более в зависимости от требуемой мощности генератора;
- Единичный сегмент генератора установлен на неподвижной платформе, выполненной из диэлектрика;
- Каждый единичный сегмент генератора может располагаться как соосно магнитам ротора, так и вне их оси;
- Единичный сегмент генератора включает полый металлический цилиндр, внешняя поверхность которого выполнена с покрытием из неполярного диэлектрика;
- Внутренний объем цилиндра единичного сегмента разделен на две зоны: рабочую зону и зону накопления заряда изолирующим диэлектрическим диском, установленным внутри цилиндра своей плоскостью перпендикулярно его оси. Диэлектрический диск служит для изоляции зоны накопления заряда от воздействия электрического поля, возникающего в рабочей зоне;
- Внутри зоны накопления заряда установлено устройство подачи отрицательного заряда на поверхность металлического цилиндра единичного сегмента генератора от слаботочного источника высокого напряжения;
- Устройство подачи заряда может быть выполнено в виде генератора Ван де Граафа, описанного, например, в (https://ru.wikipedia.org/wiki) или другого функционально аналогичного устройства;
- Внутри, в центре рабочей зоны единичного сегмента генератора, соосно цилиндру единичного сегмента, расположен, торцом на изолирующем диске, аксиальный конденсатор, конструкции, например, описанный в (http://hightolow.ru/capacitor2.php) или подобной, с внешней и внутренней обкладками, при этом внешней считается обкладка, наиболее близко расположенная к внутренней поверхности цилиндра единичного сегмента;
- Ширина обкладок аксиального конденсатора не более высоты рабочей зоны цилиндра единичного сегмента;
- В рабочей зоне цилиндра единичного сегмента, между его внутренней поверхностью и аксиальным конденсатором, размещен и жестко закреплен на изолирующем диэлектрическом диске трансформатор;
- Первичная обмотка трансформатора одним концом соединена с внутренней поверхностью рабочей зоны цилиндра единичного сегмента, другим - с внешней обкладкой аксиального конденсатора;
- Индукционная катушка может быть выполнена с сердечником или без него; зазор между магнитом и катушкой минимален для наиболее полного использования магнитного поля магнита;
- Индукционная катушка расположена вне рабочей зоны единичного сегмента генератора;
- Число магнитов или индукционных катушек больше числа индукционных катушек или магнитов на единицу, если катушка не одна. Это позволяет нейтрализовать возрастающую, с числом катушек и магнитов, силу их взаимного притяжения при равенстве их количества.
- Если катушки без сердечника, и витки ее сделаны из немагнитного проводника (медь, алюминий), то количество магнитов равно количеству катушек. Использование катушки без сердечника возможно, но эффективность работы пары «магнит-катушка» на величину магнитной проницаемости сердечника «µ» будет меньше;
- Внутренняя обкладка аксиального конденсатора соединена с одним из концов обмотки индукционной катушки;
- Второй конец обмотки индукционной катушки свободен, ни с чем не связан и изолирован неполярным диэлектриком;
- Концы вторичной обмотки трансформатора выведены через изолирующий диэлектрический диск и зону накопления заряда за пределы цилиндра и подключены к клеммам нагрузки.
Таким образом, нагрузка ветроэлектрогенератора подключена не к индукционной катушке, как в известных технических решениях, а к вторичной обмотке трансформатора единичного сегмента. Ток, необходимый для питания нагрузки, возникает за счет конструкции единичного сегмента и предварительно внесенного в него отрицательного заряда. Возникающая в индукционной катушке ЭДС служит для управления отрицательным зарядом единичного сегмента. Управление осуществляется потенциалом, возникающим на концах обмотки индукционной катушки при нулевом токе в ней.
Неизвестна конструкция единичного сегмента и его использование для обеспечения незамкнутости контура индукционной катушки ветрогенератора. Неизвестен результат такого использования - уменьшение величины силы противодействия магнитных полей в ветрогенераторе.
Известно устройство подачи заряда на металлическую сферическую поверхность от слаботочного источника высокого напряжения - электростатический генератор Ван де Граафа в качестве генератора высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты и в качестве накопителя заряда которого служит сфера. Накопление заряда на сфере обусловлено действием скин-эффекта. Величина концентрируемого на нем заряда позволяет получить напряжение до 1 МВольт (см. https://ru.wikipedia.org/wiki, статья «Генератор Ван де Граафа»). Однако неизвестен результат использования генератора для уменьшения противодействия магнитных полей в электрогенераторах и повышения КПД ветроэлектроустановок.
На фиг. 1 изображен вариант ветроэлектрогенератора, ротор которого выполнен в виде двух дисков с установленными на них неподвижно закрепленными постоянным магнитами, между которыми на статоре расположены индукционные катушки. Статор закреплен на платформе с единичными сегментами генератора. На фиг. 2 изображен единичный сегмент с генератором Ван де Граафа в зоне накопления заряда.
Ветроэлектрогенератор содержит два диска 1 ротора, установленных на оси 2, связанной с лопастью ветроустановки (лопасть не показана). На дисках 1 ротора смонтированы постоянные магниты 3 (неодимовые N52) от одного до нескольких в зависимости от требуемой мощности генератора. Ориентация полюсов магнитов любая, но однотипная, однонаправленная. Роторный диск может быть один, или два, как на фиг. 1, или более. Между магнитами 3 на статоре 4 неподвижно установлены индукционные катушки 5 в зоне действия магнитов. Зазор между сердечником катушки 5 и магнитом 3 минимален для уменьшения потерь влияния магнитного поля на катушку. Количество магнитов 2 равно количеству индукционных катушек 5, и установлены они соосно, если катушки выполнены без сердечника, и витки их сделаны из немагнитного проводника (медь, алюминий). Если в катушках есть сердечник, то количество магнитов и катушек отлично на единицу, при этом возникнет несоосность в расположении катушек и магнитов относительно друг друга, что приводит к компенсации взаимного притяжения магнитов и сердечников катушек.
Единичный сегмент 6 генератора в цилиндрическом корпусе установлен соосно или несоосно с постоянным магнитом 3, как на фиг. 1, на неподвижной платформе 7 из диэлектрика. Изолирующий диэлектрический диск 8 (фиг. 2) разделяет цилиндр единичного сегмента 6 генератора на две зоны: зону 9 накопления заряда и рабочую зону 10, не нарушая целостности цилиндра. Единичных сегментов 6 может быть один или более в зависимости от требуемой мощности генератора. Внешняя поверхность цилиндра единичного сегмента 6 покрыта неполярным диэлектриком. Толщина диэлектрического покрытия цилиндра зависит от проектной величины накапливаемого заряда/ мощности единичного сегмента генератора и может составлять 2,5-4 см.
Внутренняя 11 цилиндрическая поверхность единичного сегмента генератора снабжена токосъемником 12 в зоне 9 накопления заряда. Токосъемник 12 выполнен в виде щетки для съема заряда с диэлектрической ленты 13. Лента 13 выполнена с прерывистым металлическим покрытием ее поверхности с внешней стороны для удержания зарядов на нем. Диэлектрическая лента 13 установлена на роликах 14, как показано на фиг. 2, с возможностью перемещения, для чего предусмотрен микроэлектродвигатель, вал которого через диэлектрическую муфту (не показано) соединен с нижним роликом. Верхний ролик 14 выполнен из диэлектрического материала, нижний - из токопроводящего материала и также снабжен токосъемником для подачи отрицательных зарядов от слаботочного источника высокого напряжения. Место подключения такого источника на фиг. 2 указано знаками «+» и «-». Как показано на фиг. 2, направление движения ленты обозначено против часовой стрелки. Токосъемник 12 жестко соединен с внутренней поверхностью цилиндра 11 с электрическим контактом с ней и гибко с лентой с возможностью снятия заряда с поверхности прерывистого металлического покрытия ленты 13. Зона 9 накопления заряда - это генератор Ван де Граафа, как показано на фиг. 2, и его задача состоит в переносе на поверхность цилиндра отрицательного заряда от слаботочного источника высокого напряжения. Генератор Ван де Граафа концентрирует отрицательный заряд, полученный от слаботочного источника высокого напряжения, на поверхности цилиндра 6.
В рабочей зоне 10 соосно цилиндру 6 на диэлектрическом диске 8 расположен торцом и жестко закреплен аксиальный конденсатор 15 с двумя обкладками 16 и 17. Обкладки 16 и 17 конденсатора 15 каждая выполнены из металлической тонкой и широкой ленты, например, из алюминиевой фольги, шириной не более высоты рабочей зоны 10. Обкладки 16 и 17 конденсатора 15 аксиально скручены, причем одна из обкладок, например 16, является внешней, а вторая 17, внутренней. В рабочей зоне 10 между внутренней поверхностью цилиндра 11 и аксиальным конденсатором 15 размещен и жестко закреплен на диэлектрическом диске 8 трансформатор 18. Первичная обмотка трансформатора 18 соединяет цилиндрическую поверхность 6 с внешней обкладкой 16 конденсатора 15. Внутренняя обкладка 17 конденсатора 15 соединяется с одним концом обмотки индукционной катушки 5 с сердечником. Катушка 5 расположена вне рабочей зоны 10 единичного сегмента, над ней, между постоянными магнитами 3. Концы вторичной обмотки трансформатора 18 выведены через диск 8 и зону 9 накопления заряда и подключены к клеммам 19 нагрузки. Статор 4 жестко соединен с платформой 7 с помощью стоек 20.
Устройство подачи заряда может быть выполнено в другом варианте, не в виде генератора Ван де Граафа, см., например, https://www.youtube.com/watch?v=Tui2pUDg7ao, устройство электризации. Этот вариант возможен, но конструкция будет более сложной.
Ветроэлектрогенератор работает следующим образом.
От высоковольтного источника напряжения с помощью генератора Ван де Граафа происходит типовое накопление отрицательного электрического заряда на внешней цилиндрической поверхности 11 единичного сегмента 6 генератора. Т.к. с внешней стороны цилиндр 11 покрыт слоем неполярного диэлектрика, «стекания» заряда практически нет. Заряд накапливается и распределяется по всей поверхности цилиндра 11 единичного сегмента. При достижении определенной величины заряда, который может быть вычислен по показаниям прибора СТ-01, и вращении ротора 1 ветроэлектрогенератора с установленным на нем постоянным магнитом 3 происходит следующее. Пролетая над катушкой 5, постоянный магнит 3 наводит в ней ЭДС индукции, в результате чего на концах обмотки катушки 5 наводится разность потенциалов, обусловленная наличием плюсовых и минусовых зарядов. Наведенный плюсовой заряд подается на электрически связанную с обмоткой катушки внутреннюю 17 обкладку конденсатора 15. В результате электризации влиянием на обкладке 16 индуцируется сила, что приводит к перетеканию заведенного ранее на цилиндр 11 отрицательного заряда на внешнюю обкладку 16 конденсатора 15, т.е. к возникновению тока с цилиндрической поверхности 11 на внешнюю обкладку 16 конденсатора 15. Т.к. действие ЭДС имеет импульсный характер за счет движения постоянного магнита 3 и временного влияния его поля на индукционную катушку 5, то после прекращения ее действия разность потенциалов на концах ее обмотки пропадает. В результате пропадает и наведенный на обкладку 17 конденсатора 15 плюсовой заряд, что приводит к перетеканию отрицательного заряда с внешней обкладки 16 конденсатора 15 на поверхность цилиндра 11 единичного сегмента 6 генератора. Возникает обратный ток с 16 на 11. Переменное движение минусового заряда по первичной обмотке трансформатора 18 позволяет снимать в нагрузку переменное напряжение и ток в клеммах 19. При этом вследствие отсутствия индукционного тока в катушке 5 противодействующего магнитного поля, которое бы тормозило вращение ротора ветроэлектрогенератора, не возникает, за счет чего резко возрастает его КПД.
При равенстве магнитов и индукционных катушек с сердечником происходит притяжение их друг к другу, и нужен достаточно сильный крутящий момент, чтобы при вращении сдвинуть ротор относительно статора. Если количество магнитов больше или меньше, чем катушек на один, то при возникающей несоосности расположения магнитов и катушек относительно друг друга по дуге окружности происходит смещение в расположении сердечников и магнитов. Таким образом, при минимальном расстоянии между катушкой и магнитом происходит притягивание условно первой пары (магнит + сердечник); при этом другие пары, стремясь также притянуться, будут препятствовать притяжению первой пары. Оставшийся без пары магнит тоже будет стремиться притянуться к ближайшему сердечнику и за счет этого происходит компенсация. Сила притяжения не концентрируется в местах нахождения пар, а распределяется по всей окружности.
Известно, что, согласно закону Фарадея, ЭДС индукции, возникающая в проводящем контуре, зависит от скоротечности изменения магнитного потока сквозь площадь, ограниченную этим контуром, и записывается в виде формулы
Так же известно правило Ленца, которое гласит, что «Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток».
Отметим словосочетание «ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре» и «противодействует».
Величина противодействующего магнитного потока зависит от величины тока, возникающего в проводящем контуре, и записывается формулой.
Ф=LI,
где L - индуктивность контура. Так как индукционный ток, созданный за счет ЭДС индукции в контуре, является током, вызывающим противодействующий магнитный поток в том же контуре, а индуктивность контура в обоих случаях одинакова, то при качественном анализе величины противодействия ею можно пренебречь. Таким образом, величина противодействующего магнитного потока зависит от величины тока, протекающего в контуре. Это подтверждается опытом с прибором Ленца (http://www.youtube.com/watch?v=KVN1m-dPMPw), где в случае цельного кольца ток в контуре максимален (противодействие максимально), а в случае разорванного равен нулю (противодействия нет). На практике это приводит к противодействию вращения ротора генератора при наличии тока нагрузки. При наличии у генератора нагрузки необходимо прикладывать внешнее усилие для сохранения тока. Чем меньше ток нагрузки, тем меньше прикладываемое усилие и наоборот.
1
2
Так как постоянный магнит можно представить, как замкнутый контур с током I, а ток нагрузки, протекающий в контуре индукционной катушки, как I, то сила их взаимодействия определяется формулой
1
2
F=k 2II/b,
где k - коэффициент пропорциональности;
b - расстояние между контурами.
(см. https://ru.wikipedia.org/wiki/ статья «Закон Ампера»)
Сила «F» и есть сила противодействия, которая мешает сближению контуров при их сближении, и удалению при удалении.
В традиционных ветрогенераторах ток нагрузки лимитирован минимальной кинетической энергией ветра, при которой возможно преодоление противодействующего магнитного поля. Так как кинетическая энергия в большей степени зависит от скорости, то следует, что чем выше скорость ветра, тем больший ток нагрузки мы можем получить. В итоге получаем соответствующую мощность.
Классическая формула теоретически возможной мощности ветрогенераторной установки выглядит так:
3
Р=pSv/2,
где р - плотность воздуха;
S - ометаемая площадь лопастей;
v - скорость ветра.
На практике реально получаемая мощность не превышает 30-45% от теоретической. Столь низкий КПД зависит от конструкции ветряка, но в большей степени от наличия противодействия в самом ветрогенераторе при подключении к нему нагрузки (http://rotozeev.net/page/kpd-vetrogeneratora).
В нашем случае присутствует только ЭДС индукции, противодействующего индукционного тока не возникает ввиду незамкнутого контура индукционной катушки 5, как в случае с разорванным кольцом. Ток нагрузки формируется за счет конструкции единичного сегмента и внесенного на его цилиндрическую металлическую поверхность предварительного заряда необходимой величины. Эта величина расчетная и рассчитывается из показания прибора СТ-01 или аналогичного измерителя напряженности электрического поля и требования необходимой мощности.
Так как мощность есть энергия, потраченная в единицу времени, то оперируем величиной энергии электрического поля, определяемой формулой
W=Qφ/2
где Q - величина заряда на цилиндре,
φ - потенциал на цилиндре.
Величина напряженности зависит от величины электрического заряда. Формула
0
E=Q/2πεRl
является классической для определения напряженности на поверхности цилиндра. Формула
0
φ=Qln(1/R)/2πεl
тоже классическая и определяет потенциал на поверхности цилиндра. Величина φ дает возможность рассчитать толщину диэлектрика на внешней стороне цилиндра через его электрическую прочность. Расчетное значение предварительного заряда обеспечивается конструкцией единичного сегмента, а включение его в цепь проводящего контура, в котором возникает ЭДС индукции, позволяет получить аналогичный традиционному включению ток нагрузки, но без противодействующего магнитного потока.
2
1
2
Ток I в предложенной конструкции равен нулю, так как из двух выводов катушки задействован только один, контур цепи катушки 5 не замкнут, следовательно, сила взаимодействия (F=k 2II/b) нулевая. Этот факт, как показывают эксперименты автора, приводит к увеличению КПД ветроэлектрогенераторной установки до 70-90%.