АВТОНОМНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

1. Область техники, к которой относится полезная модель
Предлагаемая полезная модель относится к ветряным двигателям, конкретно - к автономным ветроэнергетическим системам средней мощности, обеспечивающим потребителей одно- или трехфазным переменным напряжением 220/380 В, 50 Гц.
2. Уровень техники
Основными компонентами любой ветроэнергетической установки являются:
ветроколесо (ротор), преобразующее энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины (диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров; частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин);
мультипликатор - промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, обеспечивающее согласование с оборотами генератора (исключение составляют ветроэнергетические установки небольшой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах, в которых мультипликаторы или редукторы не применяются);
башня, на которой установлено ветроколесо и которую иногда укрепляют стальными растяжками (зачастую это цилиндрические мачты, но применяются и решетчатые башни);
основание (фундамент), предназначенное для предотвращения падения установки при сильном ветре; [1].
Любая автономная система, в том числе и ветроэнергетическая, работает независимо от сети центрального энергоснабжения. Она может функционировать самостоятельно, использоваться как дублер любого другого генератора или применяться в сочетании с другими энергетическими установками в качестве компонента комбинированной системы энергоснабжения.
Известны ветроэнегетические системы «Компании ЛМВ Ветроэнергетика», специализирующейся, в частности, на производстве автономных ветроэлектростанций мощностью от 0,25 до 10 кВт. Эти ветроэлектростанций предназначены для энергоснабжения изолированных потребителей, а также объектов, нуждающихся в автономном бесперебойном питании [2]. В качестве аналога рассмотрим их ветроэнергетическую систему на максимальную выходную мощность 10 кВт под названием ЛМВ-1000 [3]. Основные технические характеристики:
башня высотой 12 м, с фундаментными закладными и оттяжками;
ветроколесо диаметром 7 м с 3-мя цельнолитыми лопастями из стеклоткани с эпоксидным компаундом;
генератор бесщеточный синхронный многополюсный с постоянными магнитами, закреплен на суппорте с токосъемником, расположение верхнее;
кабель для электрического соединения токосъемника с аккумуляторами, инвертором, регулятором напряжения;
редуктор отсутствует;
система ориентации на ветер - пассивная с хвостовой лопаткой;
тип втулки - жесткая;
положение ротора - перед башней;
механизм торможения - электрический тормоз (поворот на 90 градусов);
аккумуляторные батареи (120 В, 570 А/ч);
вх.
вых.
инвертор (U=120 В, U=380 В);
регулятор напряжения с выпрямителем (обеспечивает контроль за током зарядки и напряжением аккумуляторных батарей и производит автоматическое отключение генератора при полной зарядке батарей);
регулятор частоты вращения (наклонный флюгер-хвост на шарнире).
Недостатком является:
Отсутствие демпфера, предотвращающего поломку лопастей при резкой смене направления ветра.
Отсутствие приспособления, позволяющего избежать сильной закрутки кабеля при мощных порывах ветра.
Отсутствие устройства, предназначенного для подсоединения резервного источника питания.
Известна автономная ветроэнергетическая установка АВЭУ-4М, изготовленная на Украине в Севастополе на фирме «Сяйво» [4].
Основные технические характеристики следующие:
диаметр ветроколеса - 6,6 м;
диапазон рабочих скоростей ветра - 4,5...40 м/с
скорость ветра, при которой ветроагрегат на холостом ходу развивает номинальную частоту вращения - не более 6,5 м/с;
тип установленного генератора - СГМВ-4;
редуктор - червячный;
номинальная мощность генератора - 4 кВт;
номинальное напряжение на зажимах блока управления - 400/230 В, 3 фазы.;
установление ветроколеса на ветер - с помощью виндрозного механизма;
способ регулирования частоты вращения ветроколеса - центробежно-аэродинамический поворот лопастей;
масса ветроагрегата без закладных деталей для фундамента - 1210 кг;
высота башни около 9 м;
положение ротора - перед башней;
блок автоматики и блок управления размещены на фундаменте вблизи башни;
фундамент размером около 10×10 м.
Недостатками установки является:
обязательное наличие фундамента;
наличие редуктора;
необходимость в специальном виндрозном механизме для ориентации ветроколеса на ветер (из-за расположения ротора перед башней);
Отсутствие защиты от сильной закрутки кабеля при мощных порывах ветра.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по техническим характеристикам является известная ветроэнергетическая установка ВЭУ-16/30 КВТ [5]. Ее назначение альтернативная энергетика, а также выработка электроэнергии, тепловой энергии (обогрев помещений, нагрев воды), механической энергии (отбор энергии с приводного вала для привода механического оборудования). Конструкция представляет собой следующее:
башня форменная - самоподъемная мачта высотой 12 м, состоящая из отдельных секций, соединенных фланцами; подъем башни производится с помощью лебедки или крана;
ветроколесо - 3 лопасти из стеклопластика с профилем эсперо, диаметр ветроколеса 12 м, крутка лопасти 13 градусов;
ветроколесо соединено с механизмом флюгирования (для вывода «во флюгер»), редуктором, и далее - электрогенератором, которые закреплены на поворотной платформе и заключены в защитный кожух, образуя головку ветрогенератора;
поворотная платформа имеет свободное вращение на верхушке башни;
фундамент устанавливается заранее;
башня крепится к фундаменту с помощью анкерных болтов;
имеется пружинный регулятор для автоматического установления шага винта при работе и частоты оборотов;
ориентация на ветер осуществляется при помощи виндрозного механизма;
расположение ротора - перед башней;
рабочий диапазон скоростей ветра 5-25 м/с;
расчетная скорость ветра - 8,4 м/с для мощности 16 кВт и 10,5 м/с для мощности 30 кВт;
масса установки 5 т.
В комплекте поставляется электрический шкаф управления. Предусмотрена совместная работа с дизель - электростанцией. Установка под заказ комплектуется аккумуляторными батареями и инвертором.
Недостатками являются:
- большой вес установки, что создает определенные трудности при транспортировке и монтаже;
- обязательное наличие фундамента, который надо закладывать заранее, поэтому увеличивается общий срок ввода в эксплуатацию;
- наличие редуктора, требующего специального технического обслуживания, например, замены масла и проведения профилактических работ;
- необходимость в специальном виндрозном механизме для ориентации ветроколеса на ветер (из-за расположения ротора перед башней), что усложняет конструкцию в целом;
- отсутствие защиты от сильной закрутки кабеля при мощных порывах ветра, что может привести к обрыву кабеля;
- отсутствие демпфера, предотвращающего усталостное разрушение лопастей при резкой смене направления ветра;
- неоптимальное использование аэродинамики при сильных ветровых нагрузках, то есть предусмотрена остановка ветродвигателя, но не предусмотрено регулирование угла атаки лопастей;
- отсутствие дополнительной защиты аккумуляторных батарей и инвертора от климатических воздействий, что может ограничить срок эксплуатации установки.
3. Сущность полезной модели
Цель создания полезной модели - получение эффективной надежной дешевой ветроэнергетической установки, устойчиво работающей даже при малых скоростях ветра, имеющей возможность работы с альтернативными источниками питания, защищенной от поломки при резких порывах ветра и резкой смене направления ветра, которая удобно транспортируется, не требует больших людских ресурсов и технических средств при монтаже, удобна в эксплуатации.
Автономная ветроэнергетическая установка включает в себя ветрогенератор, состоящий из башни (мачты), вертикально закрепляемой на плоской плите с использованием боковых растяжек, и рабочей головки, которая может вращаться в горизонтальной плоскости на верхушке башни, а также аккумуляторную батарею, инвертор и устройство управления. Рабочая головка включает в себя магнитоэлектрический генератор, ротор которого соединен с горизонтально расположенным валом ветроколеса с лопастями, и регулятор оборотов. Вал ветроколеса является ротором магнитоэлектрического генератора, а автономная ветроэнергетическая установка дополнительно содержит демпфер и кабель-трос. Причем демпфер расположен между основанием рабочей головки и верхушкой башни и состоит из двух групп пластин, помещенных в вязкую жидкость, одна из которых жестко соединена с основанием рабочей головки, а вторая - с верхушкой башни. Кабель-трос протянут внутри башни и его кабельная часть электрически соединяет магнитоэлектрический генератор с аккумуляторными батареями, инвертором и устройством управления, а тросовая часть жестко закреплена одним концом на основании рабочей головки, а другим - на башне в ее нижней части.
Кроме того, регулятор оборотов ветроколеса выполнен в виде центробежного аэродинамического механизма с двумя степенями свободы, одна из которых обеспечивается вращением вала генератора, а вторая - линейным перемещением рычагов регулятора оборотов пропорционально частоте вращения вала генератора;
устройство управления имеет блок подключения резервного дизель-генератора;
плоское основание для установки башни выполнено в виде отдельной плиты со сквозными отверстиями для анкерных штырей, используемых для закрепления плиты в грунте, верхняя поверхность плиты содержит гнездо для фиксации башни, а боковые растяжки соединены с закладными деталями, закапываемыми в грунт;
аккумуляторные батареи, инвертор и устройство управления размещены в контейнере утепленного типа.
Таким образом, существенные признаки заявляемой полезной модели обеспечивают технический результат, заключающийся в следующем:
Благодаря использованию демпфера указанной конструкции уменьшаются знакопеременные нагрузки, возникающие при изменении направления ветра, которые приводят лопасти к их усталостному разрушению.
Использование кабель-троса, который проходит внутри башни и представляет собой кабель, соединенный с металлическим тросом по всей длине в единый шнур (за исключением концов, где они разделяются), обеспечивает ограничение углового перемещения головки в диапазоне ±720° при изменении направления ветра за счет упругих свойств троса при закручивании и позволяет произвести раскрутку кабеля в штилевые периоды.
Наличие в устройстве управления блока подключения резервного дизель-генератора позволяет использовать дизель-генераторный источник энергии в качестве
временной замены ветроэнерегетической установки (например, в штилевой период или при ремонтно-профилактических работах).
Установка башни в вертикальное положение на плите (со сквозными отверстиями для анкерных штырей и специальным гнездом для фиксации нижнего конца башни) с помощью растяжек, прикрепленных к закладным деталям, которые помещаются в ямах, выкопанных вручную, позволяет исключить бетонные работы и производить монтаж установки силами нескольких человек (с применением ручной лебедки, но без применения автокранов.)
Использование контейнера для размещения внешних устройств и оборудования автономной ветроэнергетической установки обеспечивает высокую мобильность при перевозках и повышает надежность функционирования.
4. Перечень фигур графических изображений
Фиг.1. Чертеж общего вида автономной ветроэнергетической установки.
Фиг.2. Эскиз конструкции демпфера.
5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
Автономная ветроэнергетическая установка может быть реализована в виде следующей конструкции. Башня 1 (фиг.1), представляющая собой многосекционную мачту с фланцевыми соединениями, закреплена в вертикальном положении с использованием растяжек 2. Она опирается на плоскую плиту 3. Рабочая головка 4 включает в себя ветроколесо 5 и электромагнитный генератор 6, ротором которого является вал 7 ветроколеса 5 с двумя лопастями 8, и регулятор оборотов 9. Кроме того, в состав автономной ветроэнергетической установки входит аккумуляторная батарея 10, инвертор 11 и устройство управления 12. Ось вращения ветроколеса имеет угловое смещение в 5 градусов от плоскости горизонта. Между основанием головки 4 и верхушкой башни 1 расположен демпфер 13. Внутри башни 1 протянут кабель-трос 14 и его кабельная часть электрически соединяет клеммную колодку 15 генератора 6 с
электрическим щитком 16 в нижней части башни 1, от которого отходит силовой кабель 17 к аккумуляторной батарее 10, инвертору 11 и устройству управления 12. Тросовая часть кабеля-троса 14 жестко закреплена одним концом на основании головки 4, а другим - на башне 1 в ее нижней части. В нижнюю часть башни имеется доступ извне через люк 18.
Демпфер 13 (фиг.2) состоит из двух групп пластин 19 и 20, помещенных в емкость 21 с вязкой жидкостью. Одна группа пластин (19) жестко соединена с основанием рабочей головки 4, а вторая группа пластин (20) - с верхушкой башни 1.
Регулятор оборотов 9 (фиг.1) выполнен в виде центробежного аэродинамического механизма с двумя степенями свободы, одна из которых обеспечивается вращением вала магнитоэлектрического генератора 6, а вторая - линейным перемещением рычагов регулятора оборотов 9 пропорционально частоте вращения этого вала.
Устройство управления 12 через блок подключения 22 может подключиться к дизель-генератору 23.
Плоская плита 3 имеет сквозные отверстия для анкерных штырей 24, используемых для закрепления плиты в грунте. Верхняя поверхность плоской плиты 3 содержит гнездо 25 для фиксации башни 1, а боковые растяжки 2 соединены с закладными деталями 26, закапываемыми в грунт.
Аккумуляторные батареи 10, инвертор 11, устройство управления 12, дизель-генератор 23 размещены в контейнере 27 утепленного типа.
Для натяжения растяжек 2 предусмотрены талрепы 28. Кроме того, предусмотрен элемент для поднятия мачты из горизонтального положения в вертикальное -стрела 29 и монтажный тяговый механизм 30.
Для защиты от молний предусмотрен провод заземления 31, соединенный с башней, и контур заземления 32, вкопанный в грунт.
Монтаж автономной ветроэнергетической установки осуществляется следующим образом. Башня (мачта высотой 9 м), состоящая из секций, демпфер и рабочая головка, включающая ветроколесо диаметром 8 м (с двумя лопастями из клееной древесины со сложной конфигурацией профиля) и генератор (например, генератор синхронный СГБМВ-10-5 024 ПИГН. 526555.001), собираются в единую конструкцию на земле. На поверхности выбранного грунтового участка выбирается плоская площадка, на которую укладывается плита, служащая плоским основанием установки. Через отверстия в плите забиваются анкерные штыри, имеющие длину до 1,5 м. На некотором расстоянии вокруг плиты в нескольких местах (например, в 4-х, напротив ребер плиты) вручную роются ямы глубиной 1-1,5 м, и туда укладываются закладные детали. Нижний конец мачты располагается в гнезде на поверхности плиты, конструкция которого позволяет мачте при подъеме свободно поворачиваться в нем, а при достижении вертикального положения - фиксироваться. Подъем мачты с уже собранной рабочей головкой производится с помощью лебедки силами двух-трех человек. После установки башни в вертикальное положение, растяжки, прикрепляющие мачту к закладным деталям, натягиваются с помощью талрепов. Масса ветрогенератора около 1200 кг. Суммарная масса ветроэнергетической установки - около 7500 кг.
Рядом с башней устанавливается контейнер утепленного типа, в одном отсеке которого размещаются аккумуляторы (например, никель-кадмиевые), а в другом -инвертор, например, агрегат питания АП 10 У4 ВАЮУ.028000.000 ТУ. В этом же контейнере может разместиться устройство управления, главной частью которого являются блок переключения фидеров ЖШТИ.656131.037, блок автоматики ЖШТИ.656131.037 и шкаф АПВАЮУ.028000.001. Дизель-генератор (например, электроагрегат АД 8С-Т400-1В ИДБП.561232.015 ТУ) подключается к устройству управления через упомянутый блок автоматики. От контейнера к башне протягивают силовой кабель и подсоединяют его через люк к электрическому щитку в нижней части
башни. Автономная ветроэнергетическая установка работает в автоматическом режиме, без постоянного присутствия человека.
Автономная энергетическая установка работает следующим образом.
При наличии ветра, скорость которого не менее 4 м/сек, ветроколесо вращается с частотой 250 об/мин и посредством общего вала приводит во вращение ротор электрогенератора, который является синхронным магнито-электрическим генератором с постоянными магнитами. Причем расположение ветроколеса относительно мачты - «за мачтой», ориентация ветроколеса на ветер - «самоустанов». Генератор вырабатывает электрический ток, который по кабель-тросу поступает на электрический щиток в нижней части башни, а оттуда по силовому кабелю - к контейнеру, на устройство управления, в которое входит выпрямитель. Выпрямленный ток идет на подзарядку аккумуляторных батарей и на преобразование постоянного напряжения в переменное 220/380 В, которое осуществляет инвертор. Номинальная мощность этой ветроэнергетической установки 10 кВа. Диапазон рабочих скоростей ветра 4-40 м/сек, предельная скорость ветра 60 м/сек. Устройство управления имеет блок подключения дизель-генератора, который обеспечивает включение дизель-генератора при недостаточной выработке электроэнергии при затихании ветра.
Расчетная выработка годовой электроэнергии 28,3 МВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/сек.
Также полезная модель предусматривает дистанционное управление принудительным остановом ветроколеса, а именно - закороткой цепей генератора.
В соответствии с приведенными выше основными характеристиками заявляемая полезная модель обладает следующими достоинствами:
Малая расчетная скорость ветра и широкий диапазон рабочих скоростей ветра обеспечивают высокое значение годовой выработки энергии, причем этот важнейший параметр обеспечивается при малой высоте башни, что, в свою очередь, характеризует высокую мобильность.
Безредукторная конструкция ветрогенератора и рабочее расположение ветроколеса - за башней (определяющее возможность ориентации его на ветер за счет самостоятельной установки), позволяют значительно упростить конструкцию, повысить надежность и удешевить изготовление и эксплуатацию.
Бесфундаментная установка башни силами нескольких человек значительно сокращают сроки монтажа и ввода в эксплуатацию.
Лопасти, выполненные из клееной древесины, позволяют выполнить сложную конфигурацию профиля с высокой точностью для получения высоких аэродинамических свойств.
Применение в качестве регулятора оборотов вала магнитоэлектрического генератора центробежного механизма регулирования угла атаки с выводом его на отрицательные значения обеспечивает оптимальное использование аэродинамики при всех ветровых нагрузках, предотвращает разнос ветроколеса при сильных порывах ветра, а также позволяет снизить динамическую нагрузку на башню и плиту основания.
Использование демпфера между рабочей головкой и башней позволяет избежать раннее усталостное разрушение лопастей под воздействием изменяющего направление ветра.
Использование варианта принудительной остановки ветроколеса за счет закоротки цепей генератора устраняет необходимость в применении дополнительных устройств, связанных с ручным или дистанционно-механическим тормозом.
Возможность сопряжения ветроэнергетической установки с дизель-генератором через устройство управления позволяет устанавливать для дизель-генератора оптимальный режим работы с высоким к.п.д. и малым износом за счет использования бесплатной энергии ветра. Дизель-генератор включается только при отсутствии ветра или ремонтно-профилактических работах ветрогенератора, а значит увеличивается срок службы дизель-генератора, снижается расход дизельного топлива.
Использование контейнера для размещения внешних устройств и оборудования автономной ветроэнергетической установки обеспечивает высокую мобильность, хорошую защиту от неблагоприятных метеоусловий, удобство эксплуатации и технического обслуживания.
Таким образом, заявляемая полезная модель является эффективной надежной дешевой ветроэнергетической установкой, устойчиво работающей даже при малых скоростях ветра, которая удобно транспортируется, не требует больших людских ресурсов и технических средств при монтаже и удобна в эксплуатации. Она имеет возможность работы с альтернативными источниками питания и защищена от поломки при сильных порывах и резкой смене направления ветра.
Источники известности
1. http://www.intersolar.ru/wind
Ветроэнергетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. Интерсоларцентр, Москва, 2001
2. http://www. energy-exhibition. corn/ExHbition/Tema_pav2/FirmsAmv-vetroener.htm Технические характеристики ЛМВ-1003, ЛМВ-2500, ЛМВ-3600, ЛМВ-10000.
3. http://www.ovis.khv.ru
Совместное предприятие с голландскими инвестициями "Компания ЛМВ Ветроэнергетика". Разработка, производство, установка и сервисное обслуживание ветротурбин мощностью от 100 Вт до 10 КВт. Хабаровск.
4. http://www.vetrak.narod.ru
Ветроэлектростанции фирмы «Сяйво». Технические характеристики АВЭУ-4М. Севастополь.
5. http://www.wmdgen.ru
ВЕТРО_ГЕН. Каталог ветрогенераторов. Поставки, продажа, установка ветроэлектрических систем Санкт-Петербург.
e-mail: infog).windqen.ru телефон: (812) 970-43-51; (812) 373-54-30, факс: (812) 373-89-29.
http://www.windgen.ru/rus/veu1630.shtml. Ветроэлектрическая установка ВЭУ-30
http://www.sciteclibrarv.com/ms/cataloa/tecs/enerQv/altemative%20energy/wind%20energetics/.
Ветроэнергетическая установка ВЭУ-16/30 КВТ.