АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВЕТРОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ
AUTONOMOUS POWER SUPPLY BASED ON A WIND POWER PLANT

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к автономным энергетическим устройствам и предназначено для стабильного обеспечения потребителей электричеством в условиях распределенной энергетики.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известна ветроэнергетическая установка патент RU 184213, содержащая вертикальный вал, выполненный как вал электрогенератора, снабженный вертикально ориентированными лопастями, образующими ветроколесо с вертикальной осью вращения, и направляющий аппарат, соосно охватывающий ветроколесо, выполненный как корпус установки, содержащий вертикально ориентированные, направляющие лопатки, ориентированные тангенциально внешней кромке ветроколеса, связанные с крышкой и основанием направляющего аппарата ветроэнергетической установки, отличающаяся тем, что ветроколесо по высоте разделено на ярусы, для чего содержит равноудаленные верхний, средний и нижний опорные диски, соосно и жестко надетые на вертикальный вал, при этом по периметру диски скреплены друг с другом вертикальными лопастями, расположенными на равных расстояниях друг от друга, причем направляющие лопатки выполнены с желобчатым профилем сечения, а вертикальные лопасти в сечении выполнены в форме крыла, обращенного к направляющему аппарату округлой кромкой, кроме того, основание направляющего аппарата установлено на раме, на которой закреплен электрогенератор.
Недостатком данной установки является высокая скорость страгивания ветроколеса - значение минимальной скорости ветра, при которой ветроколесо начинает вращаться и генерировать электроэнергию.
Известен автономный источник электроснабжения патент RU 2614451, включающий установленную на башне-опоре горизонтально-осевую ветросиловую установку, механически связанную с электрогенератором и компрессором-бустером, связанным трубопроводом с резервуаром высокого давления, и турбодетандер, содержит дополнительный компрессор, механически связанный с ветросиловой установкой, дополнительный электрогенератор, механически связанный с турбодетандером, расположенный в башне-опоре резервуар низкого давления, внутри которого соосно размещен резервуар высокого давления.
Недостатками данного устройства является низкая эффективность приема кратковременных, больших по величине пиков генерации вследствие большого времени заряда аккумулятора энергии сжатого воздуха.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является вертикально-осевой ветрогенератор заявка на патент Японии JP 2017075597 A, состоящий из ветросиловой установки, маховика и системы сжатого воздуха, в котором система сжатого воздуха раскручивает ветроколесо, жестко связанное с маховиком. Таким образом ветроколесо и маховик обладают большим моментом инерции и могут запасти энергию, которая в последствие может передаваться потребителю в моменты пиков потребления. Данный автономный источник предназначен для "танкеров, крыш высотных зданий в Токио, пляжей у океана" и прочих мест с относительно стабильной энергией ветра.
Недостатками данного изобретения являются низкая эффективность работы при скорости ветра, при которой мощность потребления больше мощности генерации, ограниченная территориальная применимость вследствие требования относительно стабильной энергии ветра.
Раскрытие сущности изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является значительное снижение значения минимальной скорости ветра, при которой ветроколесо начинает вращаться (скорость страгивания) и, следовательно, принимать кинетическую энергию ветра, а так же увеличение эффективности приема кратковременных и больших по величине пиков кинетической энергии ветра.
Техническим результатом заявленного изобретения является расширение диапазона устойчивой работы источника как при малых скоростях ветра, так и при пиковых энергиях за счет снижения скорости страгивания и повышение эффективности приема кратковременных, больших по величине пиков генерации.
Для достижения технического результата, предложен автономный источник электроснабжения, содержащий установленную на башне-опоре вертикально-осевую ветросиловую установку, механически связанную с расположенными внутри башни-опоры электрогенератором, состоящим из ротора и статора, и с кинетическим накопителем энергии на основе маховика, при этом автономный источник электроснабжения дополнительно содержит систему накопления и преобразования электрической энергии, соединенную с электрогенератором, систему автоматического управления и анемометр, расположенный на башне-опоре анемометра, ветроколесо связано с ротором через трансмиссию между ротором и ветроколесом, маховик кинетического накопителя соединен с валом через бесступенчатую автоматическую коробку передач, который связан с ротором электродвигателя через трансмиссию между ротором и валом.
В предпочтительном варианте: система накопления и преобразования электрической энергии выполнена в виде буферной аккумуляторной батареи и электрического преобразователя.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:
- Значительно повышается эффективности приема кратковременных, больших по величине пиков генерации автономным источником электроснабжения;
- Обеспечивается передача мощности потребителю при отсутствии энергии ветра;
- Дополнительно не требует каких-либо иных сторонних устройств для раскручивания ветроколеса;
- Источник электроснабжения является «интеллектуальным» устройством с системой управления и анемометром
- Установка эффективно работает в случаях:
когда генерируемая от ветра мощность превышает потребляемую;
когда скорости воздушного потока не хватает для страгивания ветроколеса.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично представлен автономный источник электроснабжения на основе ветросиловой установки в разрезе, где цифрами обозначены:
1. Анемометр
2. Башня - опора анемометра
3. Система автоматического управления
4. Ветроколесо
5. Трансмиссия между ротором и ветроколесом
6. Ротор
7. Статор
8. Трансмиссия между ротором и валом
9. Вал
10. Башня - опора установки
11. Бесступенчатая автоматическая коробка передач
12. Кинетический накопитель энергии на основе маховика
13. Буферная аккумуляторная батарея
14. Электрический преобразователь
15. Потребитель
Описание и примеры реализации
Автономный источник электроснабжения на основе ветросиловой установки с кинетическим накопителем энергии состоит из анемометра 1, находящегося на башне-опоре анемометра 2, ветроколеса 4, находящегося на башне-опоре установки 10 и связанного с находящимся внутри башни-опоры установки 10 ротором 6 посредством трансмиссии между ротором и ветроколесом 5, электрогенератора, состоящего из ротора 6 и статора 7, находящегося внутри башни-опоры установки 10, конвертирующих кинетическую энергию вращения в электрическую и передающих ее от электрогенератора посредством токопроводящих линий буферной аккумуляторной батарее 13, связанную с потребителем 15 через электрический преобразователь 14 посредством токопроводящих линий, а также находящихся внутри башни-опоры установки 10 вала 9, связанного с ротором 6 посредством трансмиссии между ротором и валом 8 и с кинетическим накопителем энергии на основе маховика 12 посредством бесступенчатой автоматической коробки передач 11. Автономный источник также включает в себя систему автоматического управления 3, связанную с устройствами 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14 и потребителем 15, а также осуществляющую управление устройствами 5, 7, 8, 11, 14.
Автономный источник электроснабжения на основе ветросиловой установки с кинетическим накопителем энергии работает следующим образом.
Ветроколесо 4 под действием ветра вращается вокруг вертикальной оси, соединенное с ротором 6 посредством замыкания трансмиссии между ротором и ветроколесом 5. Статор 7, взаимодействуя с ротором 6 вырабатывает электроэнергию, передаваемую потребителю 15 через буферную аккумуляторную батарею 13 с помощью электрического преобразователя 14.
1. В случае, когда генерируемая от ветра мощность превышает потребляемую, трансмиссия между ротором и валом 8 замыкается и вал 9, вращаясь, передает кинетическую энергию вращения кинетическому накопителю энергии на основе маховика 12 посредством бесступенчатой автоматической коробки передач 11.
Ввиду стохастического характера ветра данная конфигурация позволяет эффективно принимать кратковременные, большие по величине пики генерации кинетическим накопителем энергии на основе маховика благодаря малому времени заряда данного устройства по сравнению с прототипом.
2. В периоды времени, когда мощность потребления больше мощности генерации от ветра трансмиссия между ротором и ветроколесом 5 соединяет ротор 6 и ветроколесо 4, трансмиссия между ротором и валом 8 соединяет ротор 6 и вал 9, что позволяет кинетическому накопителю энергии на основе маховика 12, буферной аккумуляторной батарее 13 и энергии ветра, полученной при помощи ветроколеса 4 совместно обеспечивать энергией потребителя 15 путем взаимодействия статора 7 с вращающимся ротором 6.
Данный режим работы описывается уравнениями моментов. До соединения вала 9 и ротора 6 уравнение моментов на ротор и ветроколесо выглядит следующим образом:
1
2
где J - момент инерции ротора и ветроколеса, кг×м;
-1
ω - угловая скорость ротора и ветроколеса, с;
к
эл
М и М - момент ветра, создаваемый воздушным потоком и электрический момент, создаваемый статором Н×м.
При работе в стационарном режиме угловая скорость не изменяется и моменты равны. Кинетический накопитель энергии на основе маховика 12 раскручивает вал 9 с помощью бесступенчатой автоматической коробки передач 11 до достижения угловой скорости, равной по направлению и значению угловой скорости ветроколеса 4 и ротора 6. После этого трансмиссия между ротором и валом 8 замыкается и уравнение моментов принимает вид:
2
2
где J - момент инерции вала, ветроколеса и ротора, кг×м;
кнэ
_
М момент, передаваемый валу кинетическим накопителем энергии Н×м.
В случае стационарного режима угловая скорость не изменяется и уравнение моментов принимает вид:
кнэ
вк
эл
Система автоматического управления 3 управляет значениями М в зависимости от значения М, которое изменяет свои значения в зависимости от ветра и М. Следовательно, при данном режиме работы, генерируемая электрогенератором мощность, определяемая отношением N=М*ω возрастает.
3. При отсутствии энергии ветра, для обеспечения мощностью потребителя трансмиссия между ротором и ветроколесом 5 размыкается, трансмиссия между ротором и валом 8 соединяет вал 9 и ротор 6, что позволяет кинетическому накопителю энергии на основе маховика 12 с помощью бесступенчатой автоматической коробки передач 11 передавать кинетическую энергию валу 9, который, в свою очередь, связан с ротором 4 посредством трансмиссии между ротором и валом 8.
Обеспечение потребителя необходимой мощностью при этом осуществляется кинетическим накопителем энергии на основе маховика 12 путем взаимодействия статора 7 с вращающимся ротором 6 и буферной аккумуляторной батареей 13.
Существенное понижение значения минимальной скорости ветра - скорости страгивания, при которой ветроколесо начинает вращаться, может достигаться тремя способами, определяется и контролируется системой автоматического управления 3 в перечисленном порядке приоритета:
1. уменьшением вращающейся массы за счет размыкания трансмиссии между ротором и ветроколесом;
2. отключением электрогенератора от нагрузки;
3. передачей кинетической энергии от кинетического накопителя энергии на основе маховика ветроколесу.
Когда скорости воздушного потока не хватает для страгивания ветроколеса 4, статор 7 отключается от сети с буферной аккумуляторной батареей 13, что позволяет нейтрализовать замедляющий магнитный момент, действующий на ротор 6, соединенный с ветроколесом 4 посредством трансмиссии между ротором и ветроколесом 5, и, как следствие, уменьшить минимальную скорость ветра, при которой ветроколесо 4 начинает вращаться. При достижении ветроколесом 4 достаточной скорости, электрогенератор генерирует электрическую энергию, передаваемую буферной аккумуляторной батарее 13, которая передает необходимую энергию потребителю 15 через электрический преобразователь 14. Достаточная скорость определяется системой автоматического управления 3. В случае остановки ветроколеса 4 из-за замедляющего магнитного момента, действующего на ротор 6 порядок действий повторяется сначала.
В случае, когда скорости воздушного потока не хватает для страгивания ветроколеса 4, трансмиссия между ротором и ветроколесом 5 и трансмиссия между ротором и валом 8 замыкаются, что позволяет кинетическому накопителю энергии 12 передать кинетическую энергию вращения ротору 6 и ветроколесу 4. После передачи необходимого количества энергии для страгивания ветроколеса 4, трансмиссия между ротором и валом 8 размыкается, а электрогенератор генерирует электрическую энергию, передаваемую буферной аккумуляторной батарее 13, которая передает необходимую энергию потребителю 15 через электрический преобразователь 14. Процесс управляется и контролируется системой автоматического управления 3. В случае остановки ветроколеса 4 из-за замедляющего магнитного момента, действующего на ротор 6 порядок действий повторяется сначала.
Уравнение моментов относительно вращающейся массы ветрогенератора имеет вид:
2
где J - момент инерции вращающейся массы, кг×м;
-1
ω - угловая скорость вращающейся массы, с;
в
эл
М и М - момент ветра, создаваемый воздушным потоком и электрический момент, создаваемый статором Н×м.
Данное уравнение моментов не учитывает трение.
Уменьшение вращающейся массы за счет размыкания трансмиссии между ротором и ветроколесом позволяет уменьшить момент инерции вращающейся массы, благодаря чему для того же углового ускорения потребуется меньший момент ветра.
эл
Отключение электрогенератора от нагрузки означает равенство электрического момент М нулю, благодаря чему для того же углового ускорения потребуется меньший момент ветра.
Передача кинетической энергии от кинетического накопителя на основе маховика ветроколесу добавляет положительный момент от кинетического накопителя энергии, благодаря чему для того же углового ускорения потребуется меньший момент ветра поскольку кинетический накопитель на основе маховика будет способствовать раскрутке ветроколеса:
кнэ
где М - момент, передаваемый кинетическому накопителю энергии Н×м.
Повышение эффективности приема кратковременных, больших по величине пиков генерации автономным источником электроснабжения достигается использованием кинетического накопителя энергии для приема кратковременных, больших по величине пиков генерации ветра, имеющего малое время "заряда" и время реагирования.
кнэ
По сравнению с прототипом, бесступенчатая автоматическая коробка передач позволяет осуществить наиболее эффективный старт зарядки кинетического накопителя энергии за счет возможности изменения момента М, передаваемого маховику:
вм
2
где J - момент инерции вращающейся массы, за исключением маховика, кг×м;
кнэ
_
М момент, передаваемый кинетическому накопителю энергии Н×м.
Данное уравнение моментов не учитывает трение.