ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для гарантированного автономного энергоснабжения бытовых потребителей, а также для энергосбережения при параллельной работе с энергосистемой.
Хорошо известны наиболее распространенные горизонтально-осевые ветродвигатели ветроэнергетических станций (ВЭС) в виде так называемых ветроколес.
Их основными недостатками являются низкая эффективность использования энергии ветра, не превышающая 45% и незначительная единичная мощность агрегатов ВЭС из-за конструкторско-технологических барьеров (см., например, Л-1, стр.77-79).
Известны также вертикально-осевые ВЭС, принцип работы которых основан на эффекте возникновения подъемной силы на прямых лопастях постоянного аэродинамического профиля. Они имеют такие преимущества перед горизонтально-осевыми, как независимость направления ветра, низкий уровень быстроходности, удобство обслуживания и др., но коэффициент использования энергии ветра не превосходит их (см., например, Л-2, стр.48-52).
Несмотря на предложения многочисленных вариантов конструктивных и агрегатных решений ВЭС, их применение ограничено из-за несовершенства технологий, не решающих основных проблем использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Главная проблема, возникающая при преобразовании кинетической энергии ветра в электрическую, связана с непостоянством скорости ветра, изменяющейся не только по величине, но и по направлению в довольно короткие промежутки времени. Следовательно, кроме низкой эффективности преобразования масштабы использования ВЭС в значительной мере зависят от решения проблем резервирования мощности или аккумулирования энергии, так как высокие требования к аккумуляторам по надежности, простоте обслуживания, сроку службы, массе и др. показателям значительно превосходят возможности используемых в настоящее время (Л-2).
Наиболее близким техническим решением ВЭС (прототипом) может быть принята энергоустановка, в которой применяются ветродвигатели с вертикальной силовой осью. Силовая ось соединена с электрогенератором и вращается вертикальными парусами, которые надеты на подвижные горизонтальные стержни, поворачивающиеся в подшипниках. При обратном ходе парусов против ветра их лобовое сопротивление уменьшается за счет поворота в горизонтальной плоскости на 90° вокруг стержней под действием направляющего диска, угловое положение которого определяется флюгером (Л-3).
На двойной принудительный поворот парусов вокруг стержней затрачивается значительная доля работы активного участка, что делает такую энергоустановку малоэффективной.
Целью изобретения является повышение эффективности преобразования за счет повышения КПД использования энергии ветра и обеспечение заданной длительности питания потребителей при скоростях ветра, отличных от используемых в настоящее время (от 5 до 24 м/сек), т.е. создание источника постоянного (гарантированного) электроснабжения потребителей.
Цель достигается полным отсутствием тормозящих моментов при вращении рабочих органов в любой фазе движения парусов, в том числе и против ветра, а также применением электрического генератора, обеспечивающего стабильность частоты и напряжения электрического тока при переменной скорости вращения вплоть до полного останова при отсутствии ветра или срабатывании защиты от превышения предельно допустимой скорости.
Сущность изобретения заключается в том, что ветродвигатель ВЭС выполнен в виде по крайней мере одного прямоугольного паруса, подвижно закрепленного срезаемыми болтами на кривошипах двух равноудаленных от силовой оси коленчатых валов, сидящих в опорно-упорных подшипниках балок. Вращение балок и коленчатых валов синхронизировано планетарной передачей через обкатывание центрального зубчатого колеса, угловое положение которого определяется флюгером таким образом, что угловое положение коленчатых валов, плоскостей балок и направление ветра взаимосвязано, а вращающие моменты суммируются. Полезная нагрузка при этом снимается с другого центрального колеса как дифференциального механизма. В качестве электрогенератора применена асинхронизированная синхронная машина (АСМ), в которой возбудитель, механически с ней не связанный, выполняет все необходимые для работы АСМ структурные функции.
Проведенный патентный поиск показал отсутствие ВЭС с предлагаемой совокупностью признаков.
Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают ВЭС новые свойства, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано обладающим существенными отличиями.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 показаны принципиальная электрическая и конструктивная (вертикально-осевой вариант) схемы работы ВЭС с одним парусом;
- на фиг.2 показаны горизонтально-осевой вариант ВЭС и восемь промежуточных положений паруса за один оборот силовой оси при виде сбоку, а для вертикально-осевого варианта - виде сверху ВЭС с двумя парусами;
- на фиг.3 показан вертикально-осевой вариант самоориентируемого ветродвигателя с четырьмя парусами.
ВЭС состоит из ветродвигателя 1, электрического генератора 2, не связанного с ним механически возбудителя 3 и системы управления (СУ) 4.
Ветродвигатель 1 содержит один, два, четыре и т.д. прямоугольных парусов 5, каждый из которых подвижно закреплен срезаемыми при превышении предельно допустимой скорости ветра болтами 6 на кривошипах 7 двух коленчатых валов 8, равноудаленных от горизонтальной или вертикальной оси вращения 0.
Калиброванные срезаемые болты 6 устанавливаются только с одной из сторон паруса 5 с тем, чтобы сорванный шквальным ветром парус 5 останавливался в положении флюгера.
Парус 5 может быть выполнен из любой плотной ткани (парусины) или в виде ветрового щита для упрощения механизма синхронизации вращения коленчатых валов 8, так как жесткость паруса 5 выполняет синхронизирующие функции по правилу параллелограмма (фиг.3).
Коленчатые валы 8 закреплены в опорно-упорных подшипниках балок 9, которые могут быть связаны между собой выносными за траекторию движения паруса 5 стойками 10, или трансмиссией
Силовая ось вращения 0 ветродвигателя 1 проходит через середину балок 9 и может быть снабжена шкивом 11 (фиг.1) для передачи вращающего момента электрическому генератору 2.
В этом случае (вертикально-осевой вариант) шкив 11 может опираться через подшипник 12 на неподвижную платформу 13 прочного фундамента. При этом концы нижних балок 9 для увеличения устойчивости конструкции при сильном ветре могут быть снабжены подвижными опорами 14, немного не достающими до земли в нормальном режиме.
На силовой оси балок 9 располагаются центральное зубчатое колесо 15, жестко связанное с флюгером 16, для вертикально-осевого варианта (фиг.1) и колесо отбора мощности 17, когда передача полезного вращающего момента через шкив 11 не рациональна (фиг.2).
Функцию флюгера 16 может выполнять традиционная вертикальная плоскость Ф (фиг.1) или эксцентричное подвижное закрепление 18 станины 19 на земле (фиг.2) или на мачте 20 (фиг.3).
В последнем случае (фиг.2 и 3) центральное зубчатое колесо 15 жестко закрепляется уже не на флюгере 16, а на станине 19.
Центральное зубчатое колесо 15 связано непроскальзывающей передачей 21 (цепью, зубчатым ремнем, шестернями-сателлитами и т.п.) с таким же колесом 22 одного (фиг.3) или всех (фиг.2) коленчатых валов 8 в зависимости, как уже отмечалось, от жесткости парусов 5.
Для уравновешивания сил и моментов инерции коленчатые валы 8 могут быть снабжены противовесами (не показаны).
Исходное угловое положение паруса 5, балок 9, кривошипов 7, колеса 15 флюгера 16 или 19 устанавливается таким образом, чтобы парус 5, максимально выдвинутый кривошипами 7 за ось вращения 0, располагался всей своей плоскостью перпендикулярно к направлению ветра (положение 1 на фиг.2).
Под действием ветра парус 5 поворачивает в одну и ту же сторону, например по часовой стрелке, одновременно плоскость балок 9, кривошипы 7 вместе с жестко закрепленными на коленчатых валах 8 колесами 22 и непроскальзывающую передачу 21, которая обкатывает при этом относительно неподвижное центральное колесо 15, обеспечивая жесткую взаимосвязь углового положения паруса 5 и других подвижных частей с направлением ветра.
Такая передача называется планетарной.
Парус 5 в своем движении по ветру плавно «меняет галс», проходит из положения 1 максимального вращающего момента через положения 2, 3 и 4 в положение 5 нулевого вращающего момента (фиг.2).
Но это только одна неустойчивая точка параллелограмма сил, которая может быть пройдена парусом 5 по инерции (фиг.1) или при помощи другого паруса 5, смещенного в это время по фазе движения в положение 1 максимального вращающего момента (фиг.2 и 3).
Дальнейшее движение паруса 5 из положения 5 в положения 6, 7, 8 и, наконец, в исходное положение 1 происходит опять же по ветру, так как сторона паруса 5, обдуваемая ветром, в положении 5 меняется на обратную, что равносильно смене направления ветра на 180° и увеличению эффективности преобразования энергии в два раза.
Наличие пары парусов 5, расположенных на взаимно перпендикулярных балках 9, обеспечивает ветродвигателю 1 суммарный малоизменяемый вращающий момент, равный максимальному одного паруса 5 (фиг.2).
И, наконец, возможно симметричное расположение двух пар парусов 5 на станине 19, подвижно закрепленной на силовой мачте 20, с синхронизацией их вращения в противоположные стороны передачей вращающих моментов на полезную нагрузку (фиг.3).
Ширина паруса 5 на фиг.1 и 2 равна расстоянию между коленчатыми валами 8, как наиболее оптимальная, и в положении 1 внутренним краем совпадает с осью вращения 0 балок 9, но следует отметить, что ветродвигатель 1 в принципе не создает тормозного момента при любой относительной ширине паруса 5, так как в итоге действует результирующее плечо, которое всегда смещено относительно оси вращения 0. Лишь бы паруса 5, расположенные в один или несколько ярусов, не мешали друг другу при движении, т.е. равна до двух расстояний между коленчатыми валами 8 (фиг.3).
Скорость вращения ω коленчатых валов 8 и балок 9 одинаковы. Включение в планетарную передачу 21 подвижного центрального колеса отбора мощности 17 дает дифференциальный механизм и результирующее перемещение (вращение) колеса 17 как сумму вращений коленчатых валов 8 и балок 9, т.е. 2ω.
Так как габариты электрических машин при той же мощности обратно пропорциональны частоте вращения ротора, то целесообразнее снимать полезную нагрузку не со шкива 11, имеющего одинарную частоту вращения ω, а с подвижного центрального колеса отбора мощности 17, которая имеет двойную частоту вращения, т.е. 2ω.
В принципе высокоэффективный ветродвигатель 1 описанной конструкции может быть агрегатирован с электрическим генератором 2 любой конструкции. И если ВЭС работает на нагрузку, не требующую высокого качества электроэнергии, например нагрев воды для отопления, то целесообразно применить простейший синхронный генератор 2 переменного тока с возбуждением постоянными магнитами или самовозбуждением (Л-4, стр.11) без каких-либо регуляторов.
Но целью изобретения является обеспечение потребителей электроэнергией стандартного качества. Поэтому электрический генератор 2 ВЭС представляет собой асинхронизированную синхронную машину (АСМ), главным достоинством которой является стабильность частоты и напряжения при переменной скорости вращения.
Но АСМ известных конструктивных и электрических схем при ограниченном диапазоне изменения частоты вращения сложны и слишком дороги.
В принципе работа АСМ невозможна без преобразователей частоты, электромагнитного источника энергии возбуждения и регуляторов напряжения. А их применение в АСМ известных конструкций проблематично из-за недостатков, связанных с наличием статического преобразователя частоты, управляемого выпрямителя, возбудителя в виде механически связанного с АСМ синхронного генератора, полупроводниковых регуляторов и фильтров высших гармонических составляющих напряжения и тока (Л-5).
В то же время уже существует многофункциональное недорогое и компактное устройство, называемое Выравниватель нагрузки (ВН), не требующее обслуживания и обладающее свойствами преобразователя частоты, выпрямителя, регулятора напряжения, выключателя нагрузки, усилителя, источника энергии возбуждения и др. структурных составляющих АСМ, а главное - аккумулятора рекордной энергоемкости (Л-6).
Но использование его по прямому назначению с питанием от генератора нестабильных параметров (частоты и напряжения) предполагает преобразование всей вырабатываемой и потребляемой энергии, что завышает требуемую мощность ВН.
Более рациональным представляется использование ВН в качестве возбудителя АСМ, когда преобразуется только часть вырабатываемой ВЭС энергии - недостающая или, наоборот, избыточная по сравнению с потребляемой в данный момент времени. Применение ВН по патенту РФ №2119708, разделяющего во времени процессы выработки и потребления энергии и имеющего высокий КПД, перспективно со всех точек зрения.
Как известно, АСМ является машиной двойного питания со стороны ротора и со стороны статора (Л-5).
Структурная схема электрического генератора ВЭС включает: собственно генератор 2, состоящий из обмотки статора и фазного ротора с датчиком положения ротора 23, возбудитель 3, питающий обмотку ротора через контактные кольца К, и систему автоматического управления 4 (см. электросхему фиг.1).
Возбудитель 3 представляет собой безобмоточную систему генератор-двигатель (Г-Д) с супермаховиком, совмещенную с трехэлектродной электронной лампой (Л-6).
с
c
Для обеспечения стабильности выдаваемых параметров магнитное поле ротора генератора 2 должно вращаться относительно самого ротора с частотой , где ω=60f/ρ, а ρ - число пар полюсов генератора 2.
c
p
c
Используя параметр скольжения S, условие (1) можно представить в следующем виде: , где S=(ω-ω)/ω.
п
Скольжение S может меняться как по величине, так и по знаку. В соответствии с изменениями S возбудитель 3 должен обеспечивать изменение величины и знака ω.
Таким образом, закон управления (2) остается общим (единственным) для всех АСМ и заключается в обеспечении питания ротора генератора 2 с частотой скольжения.
Но генератору 2 присущи свои особенности, имеющие существенный характер.
Во-первых, благодаря свойству накапливания электроэнергии достигается принципиальная независимость параметров выдаваемой электроэнергии от скорости вращения вала ветродвигателя 1. Следует заметить, что известные АСМ таким свойством не обладают, т.к. диапазон изменения частоты вращения приводного двигателя более - 0,25<S<+0,25 практически трудно достижим, (теоретически -0,5<S<+0,5) и в принципе ограничен наличием «жесткой» связи (зависимости) параметров источника энергии возбуждения от скорости вращения вала первичного двигателя.
Во-вторых, благодаря полной управляемости возбудителя 3 как выпрямителя, инвертора, преобразователя частоты, регулятора напряжения и усилителя мощности, схема управления существенно упрощается (см. фиг.1).
р
с
c
c
Из этого следует, что при отсутствии скольжения, когда ω=ω, магнитное поле ротора неподвижно относительно самого ротора и вращается вместе с ротором с частотой ω=60f/ρ, а обмотки ротора генератора 2 обтекает постоянный ток, как в синхронном генераторе. По величине он составляет только 5÷10% от тока полной нагрузки генератора 2 (Л-4).
Для дальнейшего снижения относительной мощности возбудителя 3 возможно категорирование приемников электрической энергии в рамках одного потребителя и использование двух генераторов - стабильных параметров и нерегулируемого, вращаемых одним ветродвигателем 1.
На фиг.1 приведен пример исполнения принципиального схемы управления генератором 2 при его параллельной работе с сетью.
Для этого случая задатчиком частоты 34 является сама сеть, а датчик положения ротора ДП выполнен в виде синхронной машины с вращающимся постоянным магнитом 23, т.е. система управления 4, задатчик частоты 24 и датчик положения ротора объединены.
В общем же случае для управления возбудителем 3 как преобразователем частоты ПЧ необходим датчик частоты вращения ротора 23, задатчик частоты 34 и система управления 4, обеспечивающая коммутацию силовых цепей возбудителя 3 с частотой, пропорциональной скольжению.
Система управления 4 представляет собой распределитель импульсов как разности частоты напряжения источника и частоты коммутации.
р
Если в качестве источника энергии для системы управления 4 используется синхронная машина (ДП), ротор которой жестко связан с ротором генератора 2 и число пар полюсов ДП и генератора 2 одинаково, то частота напряжения синхронной машины пропорциональна частоте вращения ротора ω, и при частоте коммутации
к
c
c
п
с
р
с
p
f=f, равной частоте напряжения синхронной машины f, частота напряжения на выходе системы управления 4 определится как ω=ω-ω=ω S. Значит система управления 4 выполняет функции элемента сравнения, автоматически формирующего на выходе U с частотой скольжения S.
Система автоматического регулирования напряжения (АРН) первой ступени только меняет величину этого импульса в функции от величины напряжения сети. Вторая ступень регулирования напряжения генератора 2 уже относится к изменению магнитного потока током возбуждения самого возбудителя 3.
Таким образом, предлагаемая ВЭС более эффективно использует энергию ветра и обеспечивает гарантируемое качество электроэнергии как в автономном режиме, так и параллельной работе в сетью.
Использованная литература
1. Энциклопедический словарь юного техника. М.: Педагогика, 1980 г., с.77-79.
2. Галич В.Ф. Ветроэнергетические станции. Результаты эксплуатации и перспективы развития. Промышленная энергетика, 1993 г., №4, с.48-52.
3. Заявка Франции №2396878, кл. F03D 3/06, 1979 г.
4. Электрические машины, ч.II, М.П.Костенко и Л.М.Пиотровский, Энергия, 1965 г., с.11.
5. Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные синхронные машины. М.: Энергоатомиздат, 1984 г.
6. Патент РФ №2119708, кл. 6 H02J 3/30, 15/00, Н02К 31/00, 13/00, 25/00, 1997 г.