ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МОДУЛЬНАЯ УСТАНОВКА КОМБИНИРОВАННОГО ТИПА С ПРИМЕНЕНИЕМ МОЛЕКУЛЯРНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ И МАГНИТНЫХ ПОДШИПНИКОВ

Область техники, к которой относится полезная модель
Предлагаемая полезная модель ветроэнергетической модульной установки комбинированного типа с применением молекулярных накопителей энергии (МНЭ) и магнитных подшипников относится к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) и переназначена для круглогодичного бесперебойного использования в индивидуальных фермерских хозяйствах и различных системах автономного электропитания объектов специального назначения.
Краткое описание чертежей
Устройство унифицированного модуля представлено на Фиг.1.
Обозначения к Фиг.1:
1 - ротор ветродвигателя;
2 - лопасти ротора;
3 - неподвижная внешняя направляющая.
На Фиг.2 схематично представлен общий вид ветроустановки.
Обозначения к Фиг.2:
1 - несущая опора установки;
2, 3, 4 - унифицированные модули.
На Фиг.3 представлена принципиальная схема электрической части ветроустановки.
На Фиг.4 представлена схема переключения режимов работы генератора.
Обозначения к Фиг.4:
Г - генератор;
U1, U2 - соответственно, начало и конец первой обмотки;
V1, V2 - соответственно, начало и конец второй обмотки;
W1, W2 - соответственно, начало и конец третьей обмотки;
K1, K2 - выключатели, управляемые контроллером;
А, В, С - выходные фазы электрической цепи.
Уровень техники
В модели используется вертикально-осевой ветродвигатель (Фиг.1) с повышенным КПД, благодаря применению неподвижной внешней направляющей (3), которая устраняет вращающий момент аэродинамических сил в направлении, обратном рабочему направлению вращения ротора (1), а также увеличивает скорость ветра в зоне действия ротора, одновременно выполняя роль силового каркаса модуля. Известно множество (RU2006669; RU 2006662) вертикально-осевых устройств (роторы Савониуса, Дарье, их производные и модификации и др.), но все они используют либо момент вращения, возникающий из-за разности коэффициентов сопротивления лопастей при их развороте по потоку или против него, либо момент вращения, возникающий при обтекании лопастей, имеющих в сечении форму крыла. В обоих приведенных принципах существует вращающий момент, направленный обратно основному направлению (отрицательный вращающий момент, снижающий КПД). Также известны конструкции, предназначенные для направления и ускорения воздушного потока, однако они либо не экранируют элементы ротора, при обтекании которых возникает отрицательный вращающий момент, либо работают по принципу флюгера, разворачиваясь по направлению движения потока, что нейтрализует основные преимущества вертикально-осевых устройств - отсутствие необходимости ориентации и утилизация порывов потока с любых направлений.
Раскрытие полезной модели
Предлагаемое устройство модуля ветроустановки (Фиг.1) позволяет одновременно использовать вращающие моменты:
1) от давления набегающего потока на лопасть (2) ротора (1) при наибольших углах атаки;
2) от подъемной силы, возникающей при обтекании лопасти ротора при наименьших углах атаки.
Ротор оснащен механизмом изменения угла атаки лопастей для ориентации их в потоке.
Предлагаемая полезная модель решает ряд задач:
- повышение срока эксплуатации основных изнашиваемых элементов;
- увеличение наработки на отказ / повышение надежность системы;
- улучшение экологической безопасности установки;
- увеличение эффективности использования энергии среды;
Техническим результатом является снижение себестоимости вырабатываемой энергии.
Применение внешней направляющей статической крыльчатки (Фиг.1) позволяет увеличить скорость протекания потока в рабочей области ветродвигателя и увеличить таким образом эффективность работы ротора с учетом увеличения суммарной сметаемой потоком площади. Одновременно, направляющая крыльчатка выполняет роль силового каркаса, позволяя соединять модули между собой, экранирует большую часть инфразвуковых колебаний, возникающих на кромках лопастей ротора от срыва потока, а также благодаря отсутствию сквозных просветов предотвращает возникновение мерцающей тени от вращающегося ротора - одного из препятствий размещения ветроустановок вблизи места жительства человека.
Применение магнитных подшипников в качестве опор вращающихся деталей позволяет увеличить безремонтный промежуток и срок эксплуатации механической части установки за счет отсутствия прогрессирующих механических разрушений при работе. Одновременно, применение магнитных подшипников снижает требования к точности установки ротора, снижая стоимость производства. Отсутствие механического контакта снижает шумность при работе установки и, следовательно, снижает шумовое загрязнение окружающей среды.
При отсутствии ветра (скорость менее, чем 1,5 м/сек) и наличии солнечной радиации подзаряд АБ осуществляется фотовольтаическими солнечными батареями (СБ), предотвращая глубокий разряд АБ.
Применение МНЭ фарадного диапазона (ПАТЕНТ №2182383) позволяет снизить потребную энергоемкость аккумуляторных батарей (АБ) и продлить срок службы их в 2-3 раза за счет демпфирования импульсных нагрузок. Особенно важным условием при этом становится режим бесперебойного электропитания ответственных потребителей.
МНЭ представляет собой «суперконденсатор», обладающий более низким внутренним сопротивлением и большей моментальной энергоотдачей, чем АБ, в следствие чего он принимает на себя пиковые нагрузки, защищая АБ от глубокого разряда и превышения допустимой максимальной силы тока. Таким образом, для питания приборов повышенной энергоемкости (например, повышенные токи на стартовых режимах трехфазных электродвигателей) при использовании МНЭ и СБ можно применять АБ более низкой емкости.
Для увеличения безремонтного срока службы генератора применяется безщеточный трехфазный генератор с возбуждением от постоянных редкоземельных «сильных» магнитов. В производстве трехфазных электрических машин применяются две основные схемы соединения фаз обмоток - «звезда» и «треугольник». При равной мощности, приложенной к валу генератора, статор, соединенный по схеме «треугольник», вырабатывает более высокую силу тока, но с меньшим, напряжением, а статор, соединенный по схеме «звезда», вырабатывает более низкую силу тока, но более высокое напряжение. Учитывая, что диапазон зарядных напряжений ограничен характеристиками АБ, при соединении по схеме «звезда» заряд АБ начнется при более низких оборотах вала генератора, когда напряжение, вырабатываемое генератором достигнет нижней границы зарядного диапазона напряжений АБ. Таким образом, применение схемы переключения обмоток генератора со «звезды» на «треугольник» позволяет расширить диапазон рабочих оборотов ветроустановки.
Заявленный технический результат достигается тем, что в конструкции применены: неподвижная внешняя направляющая, увеличивающая эффективность работы ротора модуля-ветродвигателя, МНЭ, магнитные подшипники, генератор с применением материалов, экранирующих магнитное поле, оснащенный механизмом переключения схем соединения обмоток «звезда»-«треугольник».
Осуществление полезной модели
Устройство унифицированного модуля в статическом состоянии представлено на Фиг.1.
Во время работы, неподвижная внешняя направляющая концентрирует поток в рабочей зоне, увеличивая скорость протекания в рабочей зоне (в соответствии с законом Бернулли) за счет сжатия струи, одновременно отклоняя струю в сторону той части лопастей, обтекание которых в текущий момент дает полезный крутящий момент. Ротор модуля под действием возникающих аэродинамических сил вращается, отнимая часть энергии у потока и передает крутящий момент на вал генератора.
Принцип работы электрической части предлагаемой полезной модели представлен на Фиг.3. Генератор преобразует энергию вращения вала в переменный электрический ток, который затем посредством выпрямителя преобразуется в постоянный ток и аккумулируется в АБ. За процессом зарядки и состоянием АБ следит контроллер заряда, при отсутствии ветра, использующий энергию, поступающую от СБ. Также, контроллер в зависимости от вырабатываемого генератором напряжения переключает схему соединения его обмоток «звезда»-«треугольник». Потребитель использует аккумулированную в АБ энергию через инвертор, преобразующий постоянное напряжение в переменное напряжение бытовой сети. При включении энергоемких потребителей, возникающие пиковые нагрузки обеспечиваются зарядом МНЭ, что предохраняет АБ от глубокого разряда, предотвращая ее преждевременный выход из строя.