ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к энергетике, а именно к энергетическим установкам, преобразующим кинетическую энергию ветрового потока в другие виды энергии, и может быть использовано в промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве или в качестве автономного источника энергии.
Из уровня техники известны различные технические решения ветроэнергетических установок, имеющие многомодульную конструкцию с применением вертикальных осевых турбин (или с вертикальным расположением осей вращения). При этом модули включают блоки со статорами, играющими роль направляющих аппаратов для ветра, и роторами, преобразующими энергию ветра во вращательное движение их валов. Известны и различные решения лопаток или лопастей, а также самих роторов, используемые в перечисленных устройствах, например лопасти, имеющие профиль типа Дарье, ротор Савониуса, а также их комбинации и т.д.
В частности, известна ветровая электростанция (ВЭС) (патент ЕА 003784 В1, МПК: F03D 3/06), в которой 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 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 заданном диапазоне.
Однако 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 блоками, имеющими более высокую частоту вращения, могут переходить в режим работы вентилятора, вращаемого верхними блоками, что снижает выдаваемую мощность ВЭА. 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. Кроме того, в конструкции данной установки присутствует статор, содержащий, как правило, больше половины веса всей конструкции.
Известен ветроэнергогенератор (полезная модель РФ №86672, МПК: F03D 3/04), содержащий, по меньшей мере, один энергетический модуль, выполненный с возможностью вертикальной установки дополнительных энергетических модулей над основным и включающий выполненный с вертикальной осью вращения ротор, образованный прикрепленными к несущему цилиндру лопастями и размещенный внутри статора, образованного выполненной соосно с ротором неподвижной системой вертикально расположенных ветронаправляющих пластин, и связанный с несущим цилиндром основной электроэнергетический узел, размещенный в нижней части основного энергетического модуля. Ветроэнергогенератор содержит также, по меньшей мере, один связанный с несущим цилиндром дополнительный электроэнергетический узел, один из которых установлен в верхней части основного энергетического модуля, а другие установлены в нижней и верхней частях каждого дополнительно энергетического модуля, при этом основной и дополнительные электроэнергетические узлы выполнены каждый в виде распределенного магнитоэлектрического генератора. Каждая ветронаправляющая пластина снабжена связанным с регулятором скорости вращения ротора подвижным сектором, установленным с возможностью телескопического изменения ее площади, лопасти ротора выполнены плоскими и снабжены завихрителями, выполненными в виде изогнутых полосок, а размещение лопастей ротора относительно несущего цилиндра выполнено с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора.
Однако перечисленные выше недостатки характерны и для настоящего технического решения.
Известен ветроэнергетический агрегат (ВЭА) (Патент РФ на изобретение №2352809), включающий раму, ветровую турбину, содержащую два цилиндрических блока, расположенных вертикально на одной геометрической оси и разделенных крышками рамы, каждый из которых имеет направляющий аппарат для поступающего воздуха, являющийся статором турбины, с пластинами для улавливания ветра и ротор с лопатками, соединенными с валом, для преобразования энергии ветра во вращательное движение вала, электрический многополюсный вентильный генератор с ротором, имеющим щеточный узел, со статором и системами автоматического управления. При этом статор вентильного генератора выполнен с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения ротора, и снабжен центральным трубчатым валом, а ротор имеет центральный вал, проходящий внутри трубчатого вала статора. Каждый блок ветровой турбины состоит из ярусов, разделенных поперечными дисками, каждый ярус имеет направляющий аппарат - статор, пластины которого выполнены плоскими и установлены радиально, и ротор, лопатки которого соединены с валом блока. Ярусы составляют нижнюю и верхнюю группы, объединенные общими валами, установленными коаксиально, вал нижней группы ярусов выполнен трубчатым и соединен с валом статора вентильного генератора, а вал верхней группы ярусов проходит внутри трубчатого вала нижней группы ярусов и соединен с валом ротора вентильного генератора, лопатки роторов ярусов нижнего и верхнего блоков установлены с противоположно направленными углами наклона к радиусу ротора, для обеспечения взаимно противоположного направления вращения роторов указанных блоков, при этом группа ярусов ветровой турбины, вращающая ротор генератора, и группа ярусов, вращающих статор генератора, выполняются согласно их расчетным мощностям.
Данный ветроэнергетический агрегат выполнен в силовом каркасе, что придает надежность и устойчивость конструкции в целом. Однако в конструкции используется низкооборотный ротор с быстроходностью меньше 1 и создающий малую ометаемую поверхность. Увеличение такой поверхности в данной конструкции неизбежно приведет к увеличению ее габаритов и веса и, как следствие, проблемам монтажа и транспортировки.
Известны также двухроторные варианты исполнения ветроэнергогенераторов, характеризующиеся большим коэффициентом использования энергии ветра (КИЭВ).
В частности, известен комбинированный ветроэнергетический модуль, состоящий из двух роторных блоков - внутреннего и внешнего, закрепленных на одной оси и подключенных к генераторному блоку (Патент CN №201255083 (Y), МПК: F03D 9/00).
Внутренний блок представляет собой многоярусный ротор Савониуса, внешний выполнен из лопастей Дарье. Известен комбинированный ветроэнергетический модуль, в котором внешний блок также состоит из лопастей Дарье, а внутренний выполнен двухъярусным, при этом ярусы сформированы цилиндрами разных диаметров с использованием прямолинейных лопаток (заявка на изобретение Японии №2003314432).
Однако в используемых конструкциях отсутствует силовой каркас для крепления блоков, что приводит к снижению надежности и устойчивости всей конструкции в процессе ее эксплуатации на местности под воздействием ветровых нагрузок.
Известна ветроэнергетическая установка (Патент CN №201391420 (Y)), представляющая собой набор из ветроэнергетических модулей, расположенных в вертикально ориентированном силовом каркасе, установленном на растяжках. Модули включают внутренний и внешний блоки, последний из которых составлен из лопастей Дарье. При этом крепление лопастей Дарье к оси предусмотрено через дополнительные силовые элементы, которые вращаются вместе со всей конструкцией. Каждый силовой элемент вносит возмущение в поток ветра, что резко сокращает коэффициент использования энергии ветра.
Наиболее близким к заявляемому решению является ветроэнергетический генератор (Заявка на изобретение KR №10-2010-0123985), включающий ветросиловой модуль, смонтированный в силовом каркасе, представляющем собой набор из четырех стоек, соединенных между собой поперечными штангами. Модуль включает внутренний и внешний блоки, преобразующие энергию ветра во вращение валов, на которых они установлены, соединенных с генераторным узлом. При этом внешний блок состоит из четырех лопастей Дарье, расположенных на равноудаленном расстоянии друг от друга и имеющих выпуклый профиль наружной поверхности и спрямленный внутренней. Внутренний блок составлен из лопаток, профиль которых также напоминает профиль лопастей Дарье, смонтированных на цилиндрической детали с нижним и верхним основанием, посредством которых осуществляется крепление данного блока к штыревым элементам, через которые энергия вращения передается на генераторный узел. При этом генераторный узел состоит из двух генераторов, один из которых ременной передачей связан со шкивом внутреннего блока, а второй - со шкивом внешнего блока.
Данная конструкция характеризуется более высоким коэффициентом использования энергии ветра за счет обеспечения независимого вращения внутреннего и наружного блоков. Однако данная установка не предусматривает наращивания мощности путем добавления дополнительных модулей. При этом конструкция не обеспечивает достаточной прочности и надежности. Кроме того, данная конструкция не обеспечивает возможности встречного вращения внутреннего и внешнего блоков.
Задачей изобретения является создание модульного ветроэнергетического комплекса (ВЭК) с вертикальной осью вращения, обеспечивающего увеличение коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ), характеризующегося удельной выработкой электроэнергии не менее 1 кВт установленной мощности электрогенератора на каждый модуль, при упрощении конструкции и возможности сборки модулей в колонну при сооружении многомодульных ветроэнергетических комплексов без привлечения специальной подъемной техники.
Технический результат заключается в повышении КИЭВ, возможности вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне нестабильных ветровых нагрузок и повышении надежности работы всей установки. Выполнение комплекса из набора модулей, а самих модулей из сборно-разборных блоков и деталей обеспечивает упрощение транспортировки, а также возможность возведения комплекса в труднодоступных местах.
Поставленная задача решается тем, что ветроэнергетический комплекс включает, по крайней мере, два ветросиловых модуля, расположенных один над другим, каждый ветросиловой модуль содержит закрепленные в силовом каркасе внутренний и внешний ветросиловые блоки, размещенные на одной оси и выполненные с возможностью вращения и передачи энергии вращения генератору, при этом внутренний ветросиловой блок представляет собой корпус, преимущественно цилиндрической формы, боковые стенки которого в основном образованы лопатками, имеющими форму и расположение, обеспечивающие возможность вращения корпуса под действием силы ветра, а внешний ветросиловой блок включает, по крайней мере, две лопасти Дарье, расположенные на равноудаленном расстоянии друг от друга и закрепленные на элементах внутреннего ветросилового блока, при этом два ветросиловых модуля выполнены с возможностью размещения генераторного узла между ними, внутренний и внешний ветросиловые блоки одного модуля выполнены с возможностью вращения в одном направлении и подключены к ротору генератора, а внутренний и внешний ветросиловые блоки второго модуля подключены к статору генератора, силовой каркас представляет собой, по крайней мере, три стойки, соединенные между собой поперечными элементами со стороны верхней и нижней стенок корпуса внутреннего ветросилового блока, при этом стойки силового каркаса одного модуля выполнены с возможностью соединения со стойками силового каркаса соседнего модуля.
Кроме того, внутренний ветросиловой блок может быть выполнен с возможностью сквозного размещения его центральной оси, при этом оси внутреннего и внешнего ветросиловых блоков выполнены трубчатыми. ВЭК может иметь габариты, определяемые габаритами внутреннего и внешнего ветросиловых блоков, которые имеют соотношение поперечных размеров 1:1,3-4.
Кроме того, лопатки внутреннего ветросилового блока имеют профиль, который характеризуется наличием вогнутой части со стороны их внутренней поверхности и выпуклой - со стороны внешней поверхности. Лопатки могут быть выполнены в виде изогнутых пластин с расчетным радиусом кривизны.
Внутренний ветросиловой блок может быть снабжен поперечными силовыми элементами, делящими корпус на ярусы, при этом силовые элементы расположены между верхней и нижней стенками корпуса. Поперечные силовые элементы и/или верхняя и нижняя стенки корпуса ветросилового блока выполнены с возможностью разъемного соединения с лопатками, при этом поперечный силовой элемент и/или верхняя и нижняя стенки корпуса снабжены прорезью или пазом, форма которого обеспечивает сопряжение с соответствующей частью лопатки. Поперечные силовые элементы и/или верхняя и нижняя стенки корпуса внутреннего ветросилового блока представляют собой диски или кольцевые элементы, снабженные ребрами жесткости. Возможен вариант выполнения поперечных силовых элементов и/или верхней и нижней стенок корпуса ветросилового блока в виде кольцевых элементов, расположенных соосно в одной плоскости и соединенных между собой радиальными соединительными элементами. Лопатки соседних ярусов внутреннего ветросилового блока могут быть расположены со смещением на шаг, величина которого равна 0,3-0,8 расстояния между соседними лопатками одного яруса по внешнему периметру окружности корпуса. Кроме того, лопатки могут быть расположены под углом 30-70° к радиальной прямой, проходящей через внешний край лопатки. В каждом ярусе лопатки расположены относительно друг друга на расстоянии, равном или больше половине ее хорды. При этом лопатки внутреннего ветросилового блока, образующие его боковую поверхность, могут быть выполнены из цельного листа металла или пластика путем выдавливания профиля лопатки с последующим вырезом по периметру лопатки с трех сторон, после чего заготовку лопатки отгибают на заданный угол, затем лист скручивают в цилиндр и соединяют, свободные концы отогнутых лопаток скрепляют кольцевыми силовыми элементами.
Кроме того, лопасти Дарье в ВЭК могут быть закреплены на верхней и нижней стенках корпуса внутреннего ветросилового блока. Лопасти Дарье выполнены с возможностью перемещения в поперечном направлении от центральной оси, например, посредством использования телескопического механизма.
ВЭК включает также генераторный узел, который может состоять из отдельных генераторов, количество которых определяется количеством используемых модулей, при этом генераторы расположены под соответствующим модулем и выполнены с возможностью подключения к внешнему кабелю.
Усовершенствования касаются также и силового каркаса. Стойки силового каркаса выполнены выступающими за плоскость крепления поперечных соединительных элементов с возможностью соединения со стойками силового каркаса соседнего модуля. Силовой каркас снабжен элементами для механизма ручного подъема модулей и установки на месте эксплуатации, и приспособлениями для крепления элементов растяжки, а также приводами торможения во время технологических работ. Силовой каркас может быть выполнен с возможностью изменения поперечных габаритных размеров, которое может быть реализовано посредством телескопического механизма, встроенного в поперечный соединительный элемент каркаса.
ВЭК может дополнительно содержать платформу для закрепления генераторного узла и модулей, при этом платформа снабжена встроенным лебедочным механизмом подъема модулей и крепления их друг к другу. Платформа может быть выполнена на опорах с возможностью изменения высоты и поперечных размеров, реализуемой, например, посредством телескопического механизма.
Кроме того, ВЭК снабжен электронным узлом модульной компоновки, позволяющим наращивать выходные данные комплекса путем добавления стандартных модулей к базовому. В состав электронного узла входят зарядное устройство, контроллер, блок управления режимами с функцией ограничителя мощности, инвертор, блок самодиагностики и передачи данных к удаленному потребителю по различным каналам связи. Для защиты ВЭК от попадания влаги верхний модуль комплекса снабжен крышкой или герметизирующим элементом.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 представлены варианты выполнения модуля ВЭК из внутреннего и внешнего блоков, на фиг.3 представлено изображение деталей ветросилового модуля в «разобранном» виде, воспроизводящее последовательность сборки модуля, фиг.4 - общий вид ветросилового модуля в сборе, фиг.5 - вариант двухмодульной конструкции, фиг.6 - общий вид ВЭК.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - ветросиловой модуль,
2 - внутренний ветросиловой блок,
3 - внешний ветросиловой блок,
4 - силовой каркас,
5 - корпус внутреннего ветросилового блока 2,
6 - лопатки внутреннего ветросилового блока 2,
7 - лопасти внешнего ветросилового блока 3,
8 - ось ветросилового модуля,
9 - ось крепления внутреннего ветросилового блока,
10 - ось крепления внешнего ветросилового блока,
11 - генераторный узел,
12 - поперечные силовые элементы,
13, 14 - верхняя и нижняя стенки корпуса 5,
15 - стойки силового каркаса 4,
16 - поперечные элементы силового каркаса 4.
Ветроэнергетический комплекс (ВЭК) представляет собой преимущественно модульную сборно-разборную конструкцию (фиг.1-6). При этом установленная мощность одного модуля составляет не менее 1 кВт. Возможен вариант эксплуатации комплекса с одним модулем. Модуль 1 ВЭК является комбинированным и состоит из закрепленных в силовом каркасе 4 внутреннего 2 и внешнего 3 ветросиловых блоков, размещенных на одной оси 8 и выполненных с возможностью вращения и передачи энергии вращения через ось генераторному узлу 11. Внутренний 2 и внешний 3 ветросиловые блоки могут быть размещены каждый на своей оси 9 и 10, с возможностью вращения статора и ротора генераторного узла, соответственно, при этом оси расположены одна внутри другой. Крепление блоков 2 и 3 на оси выполнено с возможностью обеспечения их встречного или однонаправленного вращения. Возможны варианты с зависимым и независимым вращением внутреннего силового блока от внешнего (через опережающий храповой механизм, закрепленный на сквозном валу (оси), проходящем внутри валов внутренних ветросиловых блоков и вращающем генератор).
Таких модулей 1 может быть несколько, установленных один над другим. Количество модулей зависит от требуемой потребителем мощности. Модули могут быть соединены между собой как посредством фланцевого соединения, так и любым другим соединением. Оси 8 соседних модулей 1 могут быть соединены между собой посредством муфт.
Внутренний ветросиловой блок 2 представляет собой роторное колесо или корпус 5, преимущественно цилиндрической формы, боковые стенки которого в основном образованы лопатками 6, имеющими форму и расположение, обеспечивающие возможность вращения корпуса под действием силы ветра. Лопатки 6 имеют внутренний и внешний профили, обеспечивающие вращение модуля под действием силы давления ветра на внутренний профиль и подъемной силы - на внешний профиль, при этом внутренний профиль имеет вогнутую часть, внешний - выпуклую. Лопатки 6 могут быть выполнены в виде изогнутых пластин. При этом радиус изгиба выбирается из условия создания аэродинамического профиля. Внутренний силовой блок имеет расположенные по высоте поперечные силовые элементы 12, делящие блок на ярусы и выполненные в виде дисков или кольцевых элементов с возможностью разъемного соединения с лопатками 6. При этом поперечные силовые элементы 12 снабжены прорезями или пазами для размещения лопаток 6, форма которых обеспечивает их сопряжение с соответствующей частью лопатки 6. Лопатки закреплены также на верхней 13 и нижней 14 стенках корпуса 5. Лопатки соседних ярусов могут быть расположены со смещением на шаг, величина которого равна 0,3-0,8 расстояния между лопатками по внешнему периметру окружности корпуса (т.е. внешнему контуру силового элемента - диска). Кроме того, для максимального использования энергии ветра лопатки расположены с поворотом относительно своей вертикальной оси, проходящей через кромку лопатки, расположенную вблизи внешнего периметра верхней и нижней стенок корпуса или силовых элементов, при этом вторая кромка обращена к центральной оси блока, а угол между лопаткой и прямой, проходящей через ось блока и первой кромкой в поперечном сечении составляет 30-70°. Другими словами, лопатки расположены под углом 30-70° к прямой, соединяющей центр диска и место крепления лопатки на краю диска (радиусу диска).
Количество лопаток рассчитывается в зависимости от доминирующей скорости ветра в месте установки ВЭК, а также в зависимости от длины окружности корпуса 5. При этом количество лопаток определяется расстоянием между ними, которое должно быть не меньше половины их хорды. Внутренний ветросиловой блок 2 может быть выполнен из цельного листа металла или пластика. При этом в случае изготовления корпуса с лопатками из пластика листовую заготовку формуют под давлением для придания заданного профиля лопатки с последующим вырезом (прорезанием) по периметру лопатки с трех сторон. Затем полученные вырезанные заготовки лопаток отгибают на заданный угол, после чего лист скручивают в цилиндр и скрепляют или сваривают. Свободные концы отогнутых лопаток для прочности могут быть дополнительно скреплены поперечными силовыми элементами 12. В варианте изготовления корпуса с лопатками из металлического листа сначала прорезают с трех сторон профиль лопаток, затем отгибают под заданным углом, затем придают требуемую округлую форму каждой лопатке с заданным радиусом кривизны.
Верхняя 13 и нижняя 14 стенки корпуса 5 могут быть выполнены сплошными с ребрами жесткости или в виде набора из двух-трех кольцевых элементов, расположенных соосно в одной плоскости и соединенных между собой радиальными элементами.
Внешний ветросиловой блок 3 включает, по крайней мере, две лопасти Дарье 7, расположенные на равноудаленном расстоянии друг от друга, которые могут быть закреплены как на элементах внутреннего ветросилового блока (например, на верхней 13 и нижней 14 стенках корпуса 5 внутреннего ветросилового блока 2, или на оси данного блока), так и на отдельной независимой оси. Оптимальным вариантом выполнения внешнего ветросилового блока является вариант с тремя лопастями Дарье. При этом форма лопастей Дарье может иметь как криволинейный, так и прямолинейный профиль по длине лопасти (фиг.1, 2). Высокими аэродинамическими параметрами характеризуется лопасть Дарье, имеющая несимметричный профиль поперечного сечения, когда линейные размеры ее выпуклой части превышает линейные размеры вогнутой или прямолинейной части. Лопасти Дарье могут быть выполнены раздвижными в поперечном от оси направлении для управления снимаемой мощности. Для этого они могут быть снабжены телескопическим механизмом (на чертеже не показано). Для регулирования скорости вращения блока лопасти Дарье могут быть выполнены с возможностью изменения угла атаки к набегающему потоку ветра. Для этого блок снабжен управляющим механизмом, расположенным в месте крепления лопасти с траверсой. Внешний 3 ветросиловой блок выполнен с поперечными габаритными размерами, превышающими поперечные габаритные размеры внутреннего ветросилового блока 2 более чем в 1,5 раза.
Внутренний 2 и внешний 3 ветросиловые блоки закреплены в силовом каркасе 4, который также представляет собой сборную конструкцию. При этом силовой каркас включает, по крайней мере, три стойки 15, соединенные между собой поперечными элементами 16 со стороны верхней 13 и нижней 14 стенок корпуса 5 внутреннего ветросилового модуля 2. Стойки 15 выполнены выступающими за плоскость крепления поперечных элементов 16 для обеспечения возможности соединения (закрепления) со стойками соседнего модуля с использованием известных крепежных узлов. Силовой каркас может быть снабжен специальными монтажными блоками, обеспечивающими возможность ручного подъема и установки модулей на месте эксплуатации, а также приспособлениями для крепления элементов растяжки. Каждый модуль снабжен тормозным механизмом с выводом через трос к основанию ВЭК. Силовой каркас также может быть выполнен с возможностью изменения поперечных габаритных размеров, с помощью, например, встроенного в поперечный соединительный элемент каркаса телескопического механизма.
В заявляемом ВЭК может быть использован стандартный генератор с элементами крепления к силовому каркасу, обеспечивающий возможность встречного вращения статора и ротора, и/или использованы стандартные серийные быстроходные генераторы, присоединенные к оси через мультипликатор. Генераторный узел 11 может входить в состав каждого модуля, при этом модули соединены между собой механически с расположением генераторных узлов между ними, а выводы от каждого генераторного узла выполнены с возможностью подключения к внешнему кабелю. Возможен вариант выполнения ВЭК с использованием одного генераторного узла. Для варианта двухмодульной конструкции, модули которой выполнены с возможностью встречного вращения, оптимальным является расположение генераторного узла между ними. Вариант встречного вращения может быть исполнен в рамках одного модуля по аналогичному принципу встречного вращения внутреннего и внешнего блоков, передающих через отдельные оси вращение на статор и ротор генератора.
ВЭК может быть дополнительно снабжен платформой для закрепления генераторного узла и модулей (см. фиг.6). При этом платформа может быть снабжена ручной или электрической лебедкой, для обеспечения возможности подъема и монтажа модулей (в случае необходимости увеличения мощности ветросилового комплекса) без привлечения специальных подъемных средств, а также может быть выполнена на опорах с возможностью изменения высоты и поперечных размеров. Верхний модуль комплекса снабжен крышкой или герметизирующим элементом, препятствующим попаданию влаги в зону крепления подшипника центральной оси.
ВЭК может быть снабжен электронным узлом модульной компоновки, обеспечивающим защиту от переразряда и перезаряда аккумуляторных батарей, защиту по току генераторной части, притормаживание конструкции в случае штормовых ветров, отключение генератора при штормовом ветре. Модульная компоновка позволяет наращивать выходную мощность при необходимости путем добавления стандартных модулей к базовому блоку. В состав электронного узла входят зарядное устройство, контроллер, система управления режимами с функцией ограничителя мощности, инвертор, система самодиагностики и передачи данных к удаленному потребителю по различным каналам связи, блок управления режимом работы генератора, включающий регулятор выходной мощности генератора для обеспечения номинальной частоты вращения ротора в заданном диапазоне.
Силовой каркас ВЭК может быть выполнен из металла, лопатки внутреннего блока и лопасти Дарье - из композиционных материалов. Модули ВЭК, а также другие конструктивные элементы комплекса могут соединяться между собой с помощью резьбовых, клепаных, сварных и т.п. соединений. Возможно также применение быстроразъемных соединений (замковых). Такие соединения хорошо применять для мобильных (передвижных) комплексов, которые в процессе эксплуатации многократно монтируются и демонтируются (установки автономного питания отдаленных стройплощадок и т.д.).
Комплекс собирается из одного или нескольких модулей, при этом схематично вариант сборки модуля представлен на фиг.3. Интегральная мощность всего комплекса задается количеством используемых модулей. Геометрия комплекса может быть различна, в зависимости от решаемой задачи. Все вращающиеся внутренние 2 и внешние 3 ветросиловые блоки механически связаны с валом генераторного узла 11. Для преобразования энергии важен параметр - скорость вращения вала преобразователя (для роторных машин). В связи с этим в некоторых случаях выгодно использовать мультипликатор, увеличивающий скорость вращения. Но любой мультипликатор вносит дополнительные потери, поэтому важным является подбор конструкции мультипликатора, характеризующегося наименьшим количеством потерь.
ВЭК работает следующим образом.
Ветер, попадая на лопатки 6 внутреннего ветросилового блока 2, и лопасти Дарье 7 внешнего ветросилового блока 3, приводит их во вращение. Через ось, на которой закреплены блоки, энергия их вращения передается на генераторный узел 11, который вырабатывает энергию и передает ее нагрузке.
Эффект увеличения коэффициента преобразования энергии обусловлен следующим. За счет подбора геометрии модулей может учитываться пространственная неоднородность ветра. Комплекс заявляемой конструкции обеспечивает эффективный режим работы для каждого потока. Активная площадь каждого самостоятельного модуля - внутреннего и наружного, позволяет различать воздушные потоки. Установка позволяет подбирать для нее эффективный режим работы, и суммарно - по всем элементам для всей установки - шире охватить пространственно-энергетический спектр ветра.
Пример конкретного выполнения. Был изготовлен ВЭК, имеющий высоту 6 метров, состоящий из двух модулей с диаметром внутреннего блока - 0,5 м, внешнего - 2 м. Мощность единичного модуля составляет при расчетной скорости ветра 1 кВт. При коэффициенте использования энергии ветра 35% и скорости ветра 11,5 м/с мощность ВЭК составляет 2 кВт (скорость вращения не более 300 об/мин). Количество лопастей Дарье - 3, расположенных под углом 120°, профиль лопастей - nasa 0015, количество лопаток - 18 с длиной хорды 10 см. Установочный угол лопастей - 30°.
Сборно-разборная модульно-независимая структура комплекса повышает его интегральную надежность и устойчивость: при выходе из строя модуля или блока модуля, частично или полностью, комплекс в целом не теряет работоспособности. Кроме того, реализованный в нем модульный принцип построения упрощает конструкцию и позволяет легко наращивать его суммарную мощность, а также упрощает транспортировку и монтаж комплекса. Кроме того, функционирование ветроэнергетического комплекса не зависит от направления ветра, он устойчив к резким его порывам и требует минимальной площади для установки.