Гибридный ветро-солнечный генератор
HYBRID WIND-SOLAR GENERATOR

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в качестве электромеханического преобразователя механической энергии, подаваемой на один (механический) вход машины, и электрической энергии постоянного тока, подаваемой на другой ее вход (электрический), в суммарную электрическую энергию переменного тока с возможностью работы как отдельно от каждого источника, так и совместно.
Известна конструкция двухвходовой электрической машины (патент РФ №2091967, 1997 г.), которая содержит шихтованный якорь с обмоткой и щеточно-коллекторным аппаратом машины постоянного тока, помещенный концентрически в кольцевой шихтованный магнитопровод ротора с обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных машин (например, с короткозамкнутым или фазным ротором) и впрессованный в корпус, имеющий возможность вращения вокруг шихтованного якоря.
Положительными качествами этой электрической машины является то, что она позволяет одновременно использовать механическую (усиливаемую) энергию, например, ветротурбины, и электрическую (усиливающую) - от фотоэлектрических преобразователей в системе комплексного использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, а также то, что в основном состоит из серийно изготавливаемых деталей и узлов (якорь с обмоткой, щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод ротора, который изготавливается аналогично магнитопроводу статора асинхронных или синхронных электрических машин), что позволяет минимизировать затраты на ее изготовление и ремонт.
Однако такая машина функционирует либо в двигательном режиме работы, являясь усилителем механической мощности, либо как генератор постоянного тока, что резко ограничивает область применения данной машины.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым авторами за прототип является двухмерная электрическая машина-генератор (патент РФ №2332775, 2008 г.). Двухмерная электрическая машина-генератор содержит якорь с обмоткой и щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока и ротор с короткозамкнутой обмоткой по типу роторных обмоток асинхронных двигателей, имеющие возможность свободно вращаться относительно друг друга, при этом в пазах якоря дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью потребителей переменного тока.
Принцип работы основан на суммировании и преобразовании механической энергии (например, энергии ветра) и электрической энергии постоянного тока (например, энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей) в электрическую энергию трехфазного (или более) переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе, чем в случае применения традиционных электромеханических преобразователей энергии.
Дополнительным положительным качеством данной конструкции является то, что она в основном состоит из серийно изготавливаемых деталей и узлов (якорь с обмоткой, щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, магнитопровод ротора, который изготавливается аналогично магнитопроводу статора асинхронных или синхронных электрических машин), что позволяет минимизировать затраты на ее изготовление и ремонт.
Однако данная конструкция электромеханического преобразователя энергии может работать только тогда, когда имеется сразу два возобновляемых источника энергии (ВИЗ) (например, Солнца и ветра с присущими им особенностями - неравномерным, стохастическим и в основе своей несовпадающим характером поступления энергии), что уменьшает эффективность использования ВИЗ, резко ограничивает область применения данной машины и тем самым увеличивает неравномерность поступления энергии и понижает надежность и стабильность работы энергосистемы.
Заявляемое изобретение решает задачу расширения области применения, получения энергии как отдельно от каждого возобновляемого источника, так и совместно с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию m-фазного переменного тока с более стабильными параметрами электрической энергии на выходе при использовании в устройстве серийно изготавливаемых деталей и узлов.
Технический результат заключается в увеличении количества, равномерности поступления электрической энергии m-фазного переменного тока, повышении надежности и стабильности работы энергосистемы.
Технический результат достигается тем, что в гибридном ветро-солнечном генераторе, содержащем вал, щеточно-коллекторный аппарат машины постоянного тока, якорь с обмоткой, в пазах которого дополнительно уложена генераторная обмотка переменного тока, выход которой с помощью контактных колец и щеток соединен с сетью потребителей переменного тока, подшипниковые щиты с подшипниками, при этом генераторная обмотка переменного тока выполнена m-фазной, якорь позиционируется на подшипниках, встроенных в подшипниковые щиты из материала с высоким магнитным сопротивлением, которые неподвижно закреплены с торцов станины статора, и имеет возможность вращения внутри главных полюсов из постоянных магнитов, неподвижно закрепленных на цилиндрической поверхности внутренней расточки станины, при этом щетки щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковом щите с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов и сдвинута на величину угла физической нейтрали против направления вращения якоря, в то время как якорная обмотка соединена с источником постоянного тока через щеточно-коллекторный аппарат, и устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, одновременно с этим на валу закреплена обгонная муфта, передающая вращающий момент от ветротурбины, причем полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и обмоткой якоря от главных полюсов, совпадали по направлению.
В качестве устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, используется диод, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока.
Возможность использования одного возобновляемого источника энергии, например, только энергии Солнца, поступающей от фотоэлектрических преобразователей или предварительно заряженной при их помощи аккумуляторной батареи, или только энергии ветра, отдельно и совместно с последующим суммированием и преобразованием в электрическую энергию m-фазного переменного тока ведет к расширению области применения электромеханического преобразователя, увеличению количества и равномерности поступления энергии m-фазного переменного тока, повышению надежности и стабильности работы энергосистемы. Это осуществляется за счет конструктивных особенностей гибридного ветро-солнечного генератора, работа которого согласуется с работой ветротурбины и обгонной муфты.
Особенность конструкции гибридного ветро-солнечного генератора позволяет энергии поступать как совместно, так и раздельно с двух сторон: со стороны ветротурбины и/или со стороны источника постоянного тока в виде вращающего момента на якорь машины. Этот момент приводит в движение якорь, в пазах которого дополнительно уложена m-фазная генераторная обмотка переменного тока.
При этом главные полюса изготовлены из постоянных магнитов и создают основной магнитный поток, который замыкается только радиально через воздушные зазоры, якорь и станину (в аксиальном направлении распространение основного магнитного потока не происходит за счет того, что подшипниковые щиты изготовлены из материала с большим магнитным сопротивлением). Магнитный поток, создаваемый главными полюсами, пересекает якорь, в пазах которого дополнительно уложена m-фазная генераторная обмотка, наводя в ней ЭДС. При подключении нагрузки к m-фазной генераторной обмотке электрическая цепь будет замкнута, и по ней будет протекать электрический ток, т.е. будет происходить преобразование энергии от нетрадиционных источников в электрическую энергию m-фазного переменного тока.
Согласование работы гибридного ветро-солнечного генератора с работой ветротурбины происходит за счет работы обгонной муфты, передающей вращающий момент от ветротурбины к якорю, при этом полярность подключения источника постоянного тока такова, что вращающие моменты, создаваемые ветротурбиной и обмоткой якоря от главных полюсов, совпадают по направлению. Обгонная муфта служит для передачи вращающего момента только в одном направлении и позволяет ведомому звену вращаться (например, по инерции) при остановленном ведущем звене (Иосилевич Г.Б. Детали машин: Учебник для студентов машиностроит. спец. вузов. - М.: Машиностроение, 1988. - 368 с., с. 281). В данной конструкции ведущим звеном является ветротурбина, а ведомым звеном - подвижная часть, а именно вал с якорем, вращающиеся на подшипниках.
При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта соединяет ветротурбину с подвижной частью машины и передает ей энергию в виде вращающего момента для преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока. В этом случае дополнительное согласование работы гибридной электрической машины-генератора с работой ветротурбины происходит за счет подключенного устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока. В качестве устройства в данном случае используется диод, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока. В этом случае при вращении якоря от вращающего момента, создаваемого ветротурбиной в обмотке якоря, индуктируется ЭДС и при замкнутой цепи через источник электрической энергии постоянного тока появится ток, совпадающий по направлению с направлением ЭДС, противоположный при этом к источнику постоянного тока. Диод ограничит ток, противоположный по направлению к току источника постоянного тока, и соответственно уменьшит тормозной момент, действующий на главные полюса в этом режиме работы (что дает дополнительную возможность подключения нагрузки в цепь m-фазного переменного тока).
При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта отсоединяет гибридную электрическую машину-генератор от ветротурбины для того, чтобы не затрачивать дополнительную энергию на раскручивание лопастей ветротурбины в обратном направлении, а протекающий ток по обмотке якоря создает вращающий момент, действующий на него для дальнейшего преобразования энергии постоянного тока в электрическую энергию m-фазного переменного тока.
Более того, наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока ВИЗ в гибридном ветро-солнечном генераторе в этом режиме работы происходит за счет того, что щетки щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в подшипниковом щите таким образом, чтобы их ось была сдвинута относительно геометрической нейтрали на угол физической нейтрали против направления вращения якоря, что позволит компенсировать поперечную реакцию якоря и, тем самым, улучшить коммутацию щеточно-коллекторного аппарата, характеристики машины с возможностью получения максимального крутящего момента для приведения в движение якоря и соответственно получения максимального количества энергии m-фазного переменного тока для дальнейшего ее использования.
При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока обгонная муфта соединяет ветротурбину с подвижной частью машины и передает вращающий момент на якорь и протекающий ток по обмотке якоря создает вращающий момент, который дополнительно докручивает его, суммируя энергию ВИЗ для дальнейшего преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока.
Параллельное освоение энергии Солнца и ветра как отдельно, так и совместно в рамках электромеханического преобразователя энергии, позволяет получить большее количество электрической энергии m-фазного переменного тока и выровнять ее естественные колебания и тем самым повысить надежность и стабильность работы энергосистемы.
Важно отметить, что все основные детали и узлы предлагаемой машины серийно изготавливаются. Вал якоря с обмоткой, щеточно-коллекторный узел, основные полюса, подшипниковые крышки с подшипниками применяются в машинах постоянного тока. Все это позволяет использовать основные детали стандартного исполнения и минимизировать затраты на изготовление и ремонт устройства, а также повышает перспективность применения генераторов подобного типа в нетрадиционной энергетике.
Сущность устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен главный вид в разрезе гибридного ветро-солнечного генератора (ГВ-СГ).
На фиг. 2 изображен вид сверху в разрезе ГВ-СГ.
На фиг. 3 показан вид ГВ-СГ для пояснения принципа работы.
ГВ-СГ содержит якорь 1 машины постоянного тока с обмоткой 2, уложенной в пазах 3, коллектор 4, щетки 5 (фиг. 1). Коллектор 4 совместно с щетками 5 образуют щеточно-коллекторный аппарат машины. К щеткам 5 подключены провода 6, которые через последовательно подключенный под прямое напряжение диод (т.е. анод имеет положительный потенциал относительно катода), соединены с источником постоянного тока (диод на фиг. 1, 3 не указан). В данном случае диод выполняет функцию устройства, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока.
Вал 7 якоря 1 позиционируется в подшипниковых щитах 8 из материала с большим магнитным при помощи подшипников 9 (фиг. 2). Подшипниковые щиты 8 соединены неподвижно со станиной 10, выполненной в форме полого цилиндра.
В пазах 3 якоря 1 дополнительно уложена m-фазная генераторная обмотка переменного тока 11, соединенная посредством проводов 12 с контактными кольцами 13, щетками 14 и через провода 15 с сетью потребителей переменного тока с целью передачи выработанной электроэнергии потребителям (фиг. 1).
Главные полюса 16, 17 из постоянных магнитов неподвижно закреплены на цилиндрической поверхности внутренней расточки станины 10 симметрично друг относительно друга (фиг. 2, фиг. 3).
Между якорем 1 и главными полюсами 16, 17 имеются рабочий воздушный зазор 18. Наличие рабочего воздушного зазора 18 позволяет свободно вращаться якорю 1 совместно с обмоткой 2 и m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 11, уложенных в пазах 3 на подшипниках 9 относительно главных полюсов 16, 17 (фиг. 1-фиг. 3).
Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 16, 17, проходит от главного полюса 16 через рабочий воздушный зазор 18, якорь 1, рабочий воздушный зазор 18 к главному полюсу 17 и от него через станину 10 замыкается на главном полюсе 16 (фиг. 3).
При этом щетки 5 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены в одном из подшипниковых щитов 8 с учетом того, что их ось расположена перпендикулярно относительно оси главных полюсов 16, 17 (ось геометрической нейтрали) и сдвинута относительно нее на величину угла физической нейтрали против направления вращения якоря 1 (фиг. 3).
На валу 7 закреплена обгонная муфта 19 (фиг. 2). Вращающий момент от ветротурбины передается через обгонную муфту 19 и вал 7 к якорю 1.
Необходимо отметить, что в данном случае приведен простейший случай машины с одной парой главных полюсов 16, 17 и щеток 5. Конструкция гибридного ветро-солнечного генератора позволяет кратно увеличить количество главных полюсов 16, 17 (при чередующейся полярности полюсов) с щетками 5. Это дает дополнительные возможности по уменьшению массы (веса) машины и длины коллектора, повышению надежности работы щеточного узла (Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности. Изд. 2-е - Л., «Энергия», 1973 - 70 с. 14).
Ветро-солнечный генератор является гибридным и сочетание элементов в данной конструкции позволяет использовать принцип многофункциональной работы узлов. С одной стороны якорь 1 с обмоткой 2, щеточно-коллекторный аппарат (коллектор 4, щетки 5), главные полюса 16, 17 и станина 10 в совокупности являются машиной постоянного тока. При этом станина 10 проводит основной магнитный поток Ф, создаваемый главными полюсами 16, 17. С другой стороны якорь 1 и станина 10 являются проводником основного магнитного потока Ф, создаваемого главными полюсами 16, 17, и дополнительно служат для выработки энергии в m-фазной генераторной обмотке переменного тока 11.
Гибридный ветро-солнечный генератор работает следующим образом.
При отсутствии энергии ветра, но наличии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 19 отсоединяет подвижную часть машины (вал 7 с якорем 1) от ветротурбины и тем самым позволяет свободно вращаться якорю 1 на подшипниках 9, которые позиционируются в подшипниковых щитах 8, соединенных неподвижно со станиной 10.
Постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или предварительно заряженной при их помощи аккумуляторной батареи через провода 6, устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока (в данном случае используется диод, подключенный под прямое напряжение к источнику постоянного тока), щетки 5, коллектор 4 подается на обмотку 2 якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута и диод открыт, по ней потечет постоянный ток.
Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 16, 17, проходит от главного полюса 16 через рабочий воздушный зазор 18, якорь 1, рабочий воздушный зазор 18 к главному полюсу 17 и от него через станину 10 замыкается на главном полюсе 16 (фиг. 3).
пр
При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 якоря 1, будут действовать электромагнитные силы F, величина которых находится из соотношения (Вольдек А.И. Электрические машины. - Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп.: «Энергия», 1974. - 840 с, стр. 30):
где В - величина магнитной индукции;
a
I - ток, протекающий по проводнику обмотки якоря;
l - активная длина магнитопровода якоря.
пр
Под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами F, якорь 1 совместно с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 11, уложенной в пазах 3, начнет вращаться на подшипниках 9 относительно главных полюсов 16, 17.
Так как магнитный поток Ф пересекает якорь 1 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 11, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС:
где  - скорость изменения магнитного потока;
р
w - число витков m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 11.
Если к проводам 15 подключить электрическую нагрузку, то электрическая цепь будет замкнута и в m-фазной генераторной обмотке переменного тока 11, проводах 12, контактных кольцах 13 и щетках 14 возникнет m-фазный переменный ток.
Наиболее полное использование электрической энергии постоянного тока ВИЗ в гибридном ветро-солнечном генераторе в этом режиме работы происходит за счет того, что щетки 5 щеточно-коллекторного аппарата машины закреплены неподвижно во внутренней полости машины таким образом, чтобы их ось была сдвинута относительно геометрической нейтрали на угол физической нейтрали против направления вращения якоря 1, что позволит компенсировать поперечную реакцию якоря 1 и тем самым улучшить коммутацию щеточно-коллекторного аппарата, характеристики машины с возможностью получения максимального крутящего момента для приведения в движение якоря 1 и соответственно получения максимального количества энергии m-фазного переменного тока для дальнейшего ее использования (фиг. 3).
При наличии энергии ветра, но отсутствии электрической энергии постоянного тока обгонная муфта 19 соединяет подвижную часть машины с ветротурбиной, которая вращает якорь 1, совместно с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 11, уложенной в пазах 3, на подшипниках 9 относительно главных полюсов 16, 17.
Основной магнитный поток Ф, пересекая обмотку 2 якоря 1, индуктирует в ней ЭДС и при замкнутой цепи через источник электрической энергии постоянного тока должен появиться ток, совпадающий по направлению с направлением ЭДС, но противоположный направлению тока источника электрической энергии постоянного тока (генераторный режим машин постоянного тока). В этом режиме устройство, которое исключает протекание тока обратного направления к источнику постоянного тока, отключит обмотку 2 якоря 1 от источника электрической энергии постоянного тока. В данном случае подача обратного напряжения на диод приведет к его запиранию и ограничению протекания обратного тока, направленного противоположно движению тока источника электрической энергии постоянного тока. Это дает возможность уменьшить тормозной момент, который будет действовать на якорь 1 в режиме работы генератора, а также предоставляет дополнительную возможность подключения нагрузки в цепь m-фазного переменного тока и улучшения коммутации щеточно-коллекторного аппарата (если не ограничить обратный ток в данном случае, то при его протекании для компенсации поперечной реакции якоря 1 в генераторном режиме работы необходимо ось щеток щеточно-коллекторного аппарата сдвинуть от положения геометрической нейтрали на величину угла физической нейтрали по направлению вращения главных полюсов).
Кроме этого магнитный поток Ф пересекает якорь 1 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 11 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если при помощи проводов 15 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмотке переменного тока 11, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.
При наличии энергии ветра и электрической энергии постоянного тока постоянное напряжение от фотоэлектрических преобразователей или предварительно заряженной при их помощи аккумуляторной батареи через провода 6, диод, подключенный последовательно под прямое напряжение, щетки 5, коллектор 4 подается на обмотку 2 якоря 1. Так как электрическая цепь замкнута и диод открыт, по ней потечет постоянный ток.
Основной магнитный поток Ф, создаваемый индуктором, состоящим из главных полюсов 16, 17, проходит от главного полюса 16 через рабочий воздушный зазор 18, якорь 1, рабочий воздушный зазор 18 к главному полюсу 17 и от него через станину 10 замыкается на главном полюсе 16 (фиг. 3).
пр
При этом на проводники обмотки 2, уложенной в пазах 3 якоря 1, будут действовать электромагнитные силы по формуле 1. Под воздействием электромагнитного момента, создаваемого электромагнитными силами F, якорь 1 совместно с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 11, уложенной в пазах 3, начнет вращаться на подшипниках 9 относительно главных полюсов 16, 17.
Полярность подключения источника постоянного тока согласована таким образом, чтобы вращающие моменты ветротурбины и обмотки 2 якоря 1 от главных полюсов 16, 17 совпадали по направлению. При этом обгонная муфта 19 соединяет ветротурбину с подвижной частью машины и передает ей энергию от ветротурбины в виде вращающего момента, дополнительно воздействуя на нее, суммируя энергию ВИЗ для дальнейшего преобразования ее в электрическую энергию m-фазного переменного тока.
Магнитный поток Ф пересекает якорь 1 с m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 11 и в ней наводит ЭДС по формуле 2. Если при помощи проводов 15 подключить электрическую нагрузку к m-фазной генераторной обмоткой переменного тока 11, то электрическая цепь будет замкнута и в ней возникнет m-фазный переменный ток.