Ветроэнергетический комплекс
WIND POWER COMPLEX

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя кинетической энергии набегающего воздушного потока (например, ветра) в электрическую энергию постоянного тока на подвижных локальных объектах (например, на морских и воздушных судах, автомобильном и железнодорожном транспорте).
Известен генератор постоянного тока ЛУН-2117.02 типа ГСР-3000 радиальной конструкции (Самолет Л-39. Ч. 2. Авиационное и радиоэлектронное оборудование самолета - М.: «Военное издательство», 1990. - С. 6-7.), который в сочетании с напорной турбиной В-910 представляет собой авиационный ветроэнергетический комплекс (ВЭК), содержащий опорно-поворотный узел, напорную турбину и генератор постоянного тока (высокооборотный низковольтный генератор) с параллельным возбуждением. Генератор содержит статор, на котором закреплены четыре основных полюса с обмотками возбуждения и четыре дополнительных полюса с обмотками, и закрепленный на валу, установленном в подшипниковых узлах, ротор с магнитопроводом, в пазы которого уложена обмотка якоря.
Индуктируемая в обмотке якоря электродвижущая сила (ЭДС) подается в сеть через щеточно-коллекторный узел. В связи с наличием в такой машине щеточно-коллекторного узла, она обладает рядом недостатков, свойственных контактным электрическим машинам: искрение щеток, переходящее в круговой огонь из-за неравномерного их износа, вибрация щеток, их заклинивание и др. Более 40% отказов вращающихся контактных машин приходится на щеточно-коллекторный узел.
Кроме того, недостатком такого ветроэнергетического комплекса являются низкие массогабаритные показатели, во-первых, из-за наличия опорно-поворотного узла, имеющего большую массу и габариты, который удерживает генератор с напорной турбиной в набегающем воздушном потоке, ухудшая массогабаритные показатели всего ВЭК, и, во-вторых, из-за размещения напорной турбины перед генератором, вследствие чего габаритный осевой размер ВЭК складывается из осевых размеров турбины и генератора.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и принятым за прототип является вентильный ветрогенератор постоянного тока (пат. РФ №2738435, авторы Кашин Я.М, Князев А.С.), который при установке на подвижный локальный объект в совокупности с опорно-поворотным узлом фактически является ветроэнергетическим комплексом, содержащий выполненные в форме усеченного конуса статор с магнитопроводом якоря и ротор с постоянными магнитами индуктора. Основание статора выполнено в форме неподвижной платформы, жестко закрепленной на штанге-держателе. Боковая поверхность статора образована наружной стороной магнитопровода якоря с пазами, в которые уложена трехфазная обмотка якоря, подключенная к установленному на неподвижной платформе трехфазному двухполупериодному выпрямителю. Магнитопровод якоря одной торцевой стороной жестко закреплен на неподвижной платформе, а на противоположной торцевой стороне магнитопровода якоря установлен передний подшипниковый узел. Боковая поверхность ротора выполнена с лопатками изогнутой формы. Передняя часть ротора выполнена с обтекателем и вентиляционными отверстиями, расположенными вокруг обтекателя по окружности с центром на оси симметрии ротора. Постоянные магниты индуктора жестко закреплены на внутренней поверхности ротора. Ротор жестко закреплен на вращающейся оси, установленной в переднем и заднем подшипниковых узлах. Задний подшипниковый узел установлен в неподвижной платформе и закреплен от перемещения в осевом направлении упорной шайбой. В передней части магнитопровода якоря вокруг переднего подшипникового узла выполнены вентиляционные отверстия, оси симметрии которых параллельны оси симметрии ротора. Неподвижная платформа выполнена в форме усеченного конуса с вентиляционными отверстиями, расположенными по окружности с центром на оси симметрии ротора и радиусом, равным четыре пятых внутреннего радиуса основания магнитопровода якоря. На боковой поверхности неподвижной платформы установлен трехфазный двухполупериодный выпрямитель. В задней части внутренней поверхности ротора напротив трехфазного двухполупериодного выпрямителя жестко закреплены три пары изогнутых лопаток. Обтекатель ротора служит для направления части набегающего воздушного потока через вентиляционные отверстия во внутреннюю полость ветрогенератора для его охлаждения. Штанга-держатель предназначена для закрепления ветрогенератора, например, на подвижном локальном объекте.
Однако, известный из патента РФ №2738435 ветрогенератор имеет ограниченную область применения. Он может быть успешно использован на локальных объектах, эксплуатация которых не предполагает предъявления жестких требований к массогабаритным показателям ветрогенератора и к диапазону скорости набегающего воздушного потока (например, ветра).
Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование ветроэнергетического комплекса с целью расширения области его применения.
Технический результат заявленного изобретения - улучшение эксплуатационно-технических характеристик ветроэнергетического комплекса за счет уменьшения его массы и осевого размера при его неизменной мощности, расширение рабочего диапазона скоростей набегающего воздушного потока.
Технический результат достигается тем, что в ветроэнергетическом комплексе, содержащем статор с магнитопродводом якоря с пазами, в которые уложена трехфазная обмотка якоря, подключенная к трехфазному двухполупериодному выпрямителю, и ротор с жестко закрепленными на его внутренней поверхности постоянными магнитами индуктора, жестко закрепленный на вращающейся оси, установленной в переднем и заднем подшипниковых узлах, боковая поверхность ротора выполнена с лопатками изогнутой формы, при этом статор выполняют состоящим из передней, средней и задней секций, при этом переднюю и заднюю секции статора выполняют в форме полого усеченного конуса, среднюю секцию статора отделяют от передней секции статора воздухозаборником, состоящим из канала воздухозаборника и створок воздухозаборника, а от задней секции статора - воздухоотводом, состоящим из канала воздухоотвода и створок воздухоотвода, при этом створки воздухозаборника закрепляют на боковой поверхности передней секции статора со стороны канала воздухозаборника выполняют поворотными на угол, обеспечивающий возможность регулирования подачи набегающего воздушного потока через канал воздухозаборника к лопаткам изогнутой формы, створки воздухоотвода закрепляют в задней части средней секции статора и выполняют поворотными на угол, обеспечивающий отвод сбегающего воздушного потока в окружающую среду, а постоянные магниты индуктора и магнитопровод якоря выполняют аксиальными, магнитопровод якоря жестко закрепляют в передней части задней секции статора, среднюю секцию статора жестко соединяют с передней секцией статора направляющими воздушного потока, а с задней секцией- спицами, при этом трехфазный двухполупериодный выпрямитель жестко закрепляют на внешней боковой поверхности задней секции статора, а на задней поверхности задней секции статора жестко закрепляют датчик скоростного напора и блок управления створками.
Уменьшение массы ВЭК при его неизменной мощности достигается за счет того, что статор выполняют состоящим из передней, средней и задней секций, при этом переднюю и заднюю секции статора выполняют в форме полого усеченного конуса. Выполнение двух секций статора полыми обеспечивает уменьшение массы ВЭК.
Уменьшение массы ВЭК достигается также за счет того, что среднюю секцию статора жестко соединяют с передней секцией статора направляющими воздушного потока, а с задней секцией - спицами, при этом трехфазный двухполупериодный выпрямитель жестко закрепляют на внешней боковой поверхности задней секции статора. Такое размещение направляющих воздушного потока и трехфазного двухполупериодного выпрямителя позволяет осуществлять его интенсивное воздушное охлаждение и облегченный тепловой режим его работы выходящим через канал воздухоотвода набегающим воздушным потоком.
Расширение рабочего диапазона скорости набегающего воздушного потока, достигается за счет того, что среднюю секцию статора отделяют от передней секции статора воздухозаборником, состоящим из канала воздухозаборника и поворотных створок воздухозаборника, а от задней секции статора - воздухоотводом, состоящим из канала воздухоотвода и поворотных створок воздухоотвода, и закрепляют поворотные створки воздухозаборника на боковой поверхности передней секции статора со стороны канала воздухозаборника, а поворотные створки воздухоотвода - в задней части средней секции статора, а на задней поверхности задней секции статора жестко закрепляют датчик скоростного напора и блок управления створками.
Это позволяет при изменении скорости набегающего воздушного потока посредством блока управления створками изменять количество воздуха, проходящего через канал воздухозаборника и воздействующего на лопатки, регулируя тем самым частоту вращения ротора генератора. Управляющий сигнал о величине скоростного напора (скорости набегающего воздушного потока) поступает в блок управления створками от датчика скоростного напора.
Уменьшение осевого размера ВЭК при его неизменной мощности достигается тем, что постоянные магниты индуктора и магнитопровод якоря выполняют аксиальными. В соответствии с исследованиями, представленными в (Кашин Я.М., Князев А.С. и др. Состояние и перспективы развития авиационных ветроэнергетических комплексов для аварийных систем электроснабжения воздушных судов - Научный журнал «Вестник Адыгейского государственного университета. Серия 4: Естественно-математические и технические науки» - Майкоп: Изд-во «Адыгейский государственный университет», 2019, Вып. 1 (236). - С. 93-102.) осевой размер ВЭК аксиальной конструкции меньше осевого размера ВЭК других конструкции той же мощности.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого ветроэнергетического комплекса в разрезе при закрытых створках воздухозаборника и створках воздухоотвода, на фиг. 2 - общий вид предлагаемого ветроэнергетического комплекса в разрезе при открытых створках воздухозаборника и створках воздухоотвода, на фиг. 3 - электрическая схема предлагаемого ветроэнергетического комплекса.
Ветроэнергетический комплекс установлен в корпусе 21 подвижного локального объекта и содержит статор с магнитопродводом 16 якоря с пазами, в которые уложена трехфазная обмотка 14 якоря, подключенная к трехфазному двухполупериодному выпрямителю 15, и ротор 4 с жестко закрепленными на его внутренней поверхности постоянными магнитами индуктора 5, жестко закрепленный на вращающейся оси 3, установленной в переднем 2 и заднем 18 подшипниковых узлах. Боковая поверхность ротора 4 выполнена с лопатками 6 изогнутой формы.
Статор состоит из передней 1, средней 10 и задней 17 секций. Передняя 1 и задняя 17 секции статора выполнены в форме полого усеченного конуса. Средняя секция статора 10 отделена от передней секции статора 1 воздухозаборником, состоящим из канала 8 воздухозаборника и створок 7 воздухозаборника, а от задней секции 17 статора - воздухоотводом, состоящим из канала 13 воздухоотвода и створок 11 воздухоотвода. Створки 7 воздухозаборника выполнены поворотными и закреплены на боковой поверхности передней секции 1 статора со стороны канала 8 воздухозаборника. Створки 11 воздухоотвода выполнены поворотными и закреплены в задней части средней секции 10 статора. Постоянные магниты 5 индуктора и магнитопровод 16 якоря выполнены аксиальными. Магнитопровод 16 якоря жестко закреплен в передней части задней секции 17 статора, средняя секция 10 статора жестко соединена с передней секцией 1 статора направляющими воздушного потока 9, а с задней секцией 17 - спицами 12. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель 15 жестко закреплен на внешней боковой поверхности задней секции 17 статора.
На задней поверхности задней секции 17 статора жестко закреплены датчик скоростного напора 19 и блок 20 управления створками.
Ветроэнергетический комплекс работает следующим образом.
При закрытых поворотных сворках 7 воздухозаборника и поворотных створках 11 воздухоотвода (фиг. 1) механическая энергия к ВЭК не поступает, ротор 4 с установленными на нем элементами находится в неподвижном состоянии.
При отказе основной системы электроснабжения подвижного локального объекта поворотные сворки 7 воздухозаборника, закрепленные на боковой поверхности передней секции 1 статора со стороны канала 8 воздухозаборника, и поворотные створки 11 воздухоотвода, закрепленные в задней части средней секции 10 статора, жестко соединенной с задней секцией 17 статора спицами 12, автоматически открываются (фиг. 2). Механическая энергия поступает в ВЭК от набегающего воздушного потока, обтекающего корпус 21 подвижного локального объекта, в котором установлен предлагаемый ВЭК. При открытых створках 7 воздухозаборника набегающий воздушный поток проходит через канал 8 воздухозаборника, через направляющие воздушного потока 9, обтекает внешнюю поверхность ротора 4, жестко закрепленного на вращающейся оси 3, установленной в переднем 2 и заднем 18 подшипниковых узлах, воздействует на лопатки 6 изогнутой формы, приводит ротор 4 во вращение и выходит в воздушное пространство через канал 13 воздухоотвода, открытый створками 11 воздухоотвода. При этом, выходящий в воздушное пространство сбегающий воздушный поток, осуществляет интенсивное воздушное охлаждение лобовых частей трехфазной обмотки якоря 14, а также трехфазного двухполупериодного выпрямителя 15, облегчая тепловой режим его работы.
При вращении ротора 4 магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами 5 индуктора, жестко закрепленными на внутренней поверхности ротора 4, взаимодействует с трехфазной обмоткой 14 якоря, уложенной в пазы аксиального магнитопровода 16 якоря, жестко закрепленного в передней части основания задней секции 17 статора.
В результате этого взаимодействия в трехфазной обмотке 14 якоря (фиг. 1, 2, 3) наводится трехфазная система ЭДС, которая выпрямляется трехфазным двухполупериодным выпрямителем 15 и подается в сеть.
q
q
q
Величина скоростного напора (скорость набегающего воздушного потока) измеряется датчиком скоростного напора 19, на выходе которого формируется электрический сигнал U, пропорциональный скорости набегающего воздушного потока. Выходной сигнал U с датчика скоростного напора 19 поступает в блок 20 управления створками 7 и 11. Углы поворота створок 7 воздухозаборника и створок 11 воздухоотвода регулируются блоком 20 управления створками в зависимости от значения выходного сигнала U датчика скоростного напора 19.
q
Если величина скоростного напора q мала, то в блок управления створками 20 подается формируемый датчиком скоростного напора выходной сигнал U низкого уровня. Блок управления створками 20 осуществляет полное открытие створок 7 воздухозаборника и 11 воздухоотвода, обеспечивая прохождение набегающего воздушного потока через полное сечение каналов 8 воздухозаборника и 13 воздухоотвода.
q
Если величина скоростного напора q увеличивается, то в блок управления створками 20 подается формируемый датчиком скоростного напора выходной сигнал U более высокого уровня. Блок управления створками 20 осуществляет в зависимости от величины скоростного напора q (скорости набегающего воздушного потока) неполное открытие створок 7 воздухозаборника на угол, обеспечивающий подачу меньшего объема набегающего воздушного потока через частично открытый канал 8 воздухозаборника к лопаткам 6 изогнутой формы, и створок 11 воздухоотвода на угол, обеспечивающий отход сбегающего воздушного потока (соответственно, меньшего объема) через частично открытый канал 13 воздухоотвода в окружающую среду.
Таким образом обеспечивается регулирование подачи набегающего воздушного потока через канал 8 воздухозаборника для регулирования силы, воздействующей на изогнутые лопатки 6 и приводящей во вращение ротор 4 со всеми закрепленными на нем элементами. Это, в свою очередь, позволяет регулировать величину напряжения, вырабатываемого ветроэнергетическим комплексом.
При необходимости отключения предлагаемого ВЭК блоком 20 управления створками формируется сигнал управления створками воздухозаборника 8 и воздухоотвода 11 для их закрытия (фиг. 1, 2). После этого ВЭК перестает получать кинетическую энергию набегающего воздушного потока и вырабатывать электрическую энергию.
Таким образом, совокупность предлагаемых признаков позволяет улучшить эксплуатационно-технические характеристики предлагаемого ветроэнергетического комплекса путем уменьшения массы и осевого размера ВЭК при его неизменной мощности, расширения рабочего диапазона скоростей набегающего воздушного потока.