ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2336433

ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВКА

ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВКА

Имя изобретателя: Захаренко Андрей Борисович 
Имя патентообладателя: Захаренко Андрей Борисович
Адрес для переписки: 111033, Москва, Танковый пр-д, 3, кв.34, А.Б.Захаренко
Дата начала действия патента: 2007.04.05 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам защиты ветроэнергоустановок при значительном увеличении скорости воздушного потока. Ветроэнергоустановка содержит мачту с горизонтальной поворотной платформой, на которой установлены электрогенератор и ветротурбина с лопастями, и механическую передачу вращения от вала ветротурбины к валу электрогенератора. Установка снабжена электромагнитным устройством, электрохимической накопительной батареей и управляющей их работой электрической схемой, так, что электромагнитное устройство фиксирует ветротурбину и электрогенератор при увеличении скорости потока свыше допустимого значения. Ветроэнергоустановка содержит лопасти ветротурбины, установленные с возможностью изменения угла установки в потоке, каждая лопасть ветротурбины установлена своим основанием в ступицу с дополнительными степенями свободы перемещения. В качестве электромагнитного устройства применяются электродвигатели, создающие такие моменты упора, чтобы при допустимых скоростях ветра обеспечивать оптимальный угол установки лопастей в воздушном потоке и оптимальную частоту вращения электрогенератора, а в режиме защиты от чрезмерного увеличения скорости потока каждая лопасть вставала на упор и защелку в положение, когда она обеспечивает наименьшее сопротивление воздушному потоку. Использование изобретения позволит повысить коэффициент использования ветроустановки за счет использования энергии ветра в широком диапазоне.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам защиты ветроэнергоустановок при значительном увеличении скорости воздушного потока.

Известна конструкция ветроэнергоустановки (БСЭ, 1964 г., т.4, стр.590, рис.7), содержащей мачту с горизонтальной поворотной платформой, на которой установлены электрогенератор с валом, ветротурбина с валом и лопастями, установленными с возможностью изменения угла установки в потоке, механическую передачу вращения от вала ветротурбины к валу электрогенератора с возможностью отключения передачи. Недостатком этого технического решения является наличие ненадежной механической передачи, осуществляющей защиту электрогенератора от сверхвысоких частот вращения.

Известен принятый за прототип Способ управления ветроэнергоустановкой и устройство для его осуществления (патент RU 2172864, МПК 7 F03D 7/04), содержащее мачту с горизонтальной поворотной платформой, на которой установлены электрогенератор с валом, ветротурбина с валом и лопастями, установленными с возможностью изменения угла установки в потоке, механическую передачу вращения от вала ротора к валу электрогенератора с возможностью отключения передачи, отличающееся тем, что ротор размещен по отношению к потоку за электрогенератором, осью вращения горизонтальной поворотной платформы и механической передачей, каждое крыло ротора установлено своим основанием в ступицу с двумя дополнительными степенями свободы перемещения, а ветроэнергоустановка снабжена аэродинамическим тормозом осевого плана, размещенным за ротором в направлении вектора скорости потока на валу ротора с возможностью поступательного перемещения вдоль него, подпружиненным к нему и соединенным механически с каждым из крыльев и узлами синхронизации отклонений крыльев в потоке по двум степеням свободы перемещений, а вал ротора установлен в опоре так, что оба его конца консольны. Основным недостатком прототипа является наличие большого числа пружин, при помощи которых осуществляется изменение угла установки лопастей в потоке и торможение ветротурбины. При ураганных ветрах жесткость пружин может оказаться недостаточной. Кроме того, наличие отключаемой механической передачи между ветротурбиной и электрогенератором делает эту конструкцию ненадежной.

Целью настоящего изобретения является создание надежной ветроустановки, неразрушаемой при ураганных ветрах, в конструкции которой отсутствуют отключаемые механические передачи. Кроме того, устройство предлагаемого технического решения предполагает защиту электрогенератора от сверхвысоких частот вращения и связанных с ними разрушений подшипников, а также от перегрева и пробоя изоляции обмотки электрогенератора вследствие перенапряжения.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение коэффициента использования ветроустановки за счет использования энергии ветров в широком диапазоне, в том числе близких к ураганным.

Блок-схема ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВКА

Принцип действия ветроэнергоустановки иллюстрирует фигура 1 и фигуры 2 и 3. На фиг.1 приведены следующие обозначения: УЭ - устройство электромагнитное, ЭГ - электрогенератор, MB - мост выпрямительный, НБ - электрохимическая накопительная батарея, KB - концевой выключатель, имеющий чувствительный элемент, реагирующий на превышение скорости воздушного потока свыше допустимой, VD1 - силовой диод, VD2 - стабилитрон, КК - нормально замкнутый электромагнитный контактор, Кр - катушка реле контактора. В качестве примера чувствительного элемента концевого выключателя можно назвать щиток необходимой площади, размещенный на обтекателе гондолы ветротурбины и воздействующий на концевой выключатель KB при скорости воздушного потока, превышающей критическую.

Ветроэнергоустановка состоит из магнитоэлектрического многофазного бесконтактного электрогенератора ЭГ 1, приводимого в действие ветротурбиной 2. Для защиты от урагана применяется электромагнитное устройство УЭ 3, которое работает следующим образом: пока по его обмотке протекает ток, оно не препятствует вращению ротора электрогенератора ЭГ, если ток не протекает, УЭ либо фиксирует ротор, как показано на фиг.2, либо поворачивает лопасти ветротурбины в положение, оказывающее наименьшее сопротивление воздушному потоку и, таким образом, прекращает вращение ветрогенератора, как показано на фиг.3. В качестве буферного элемента, к которому подключается нагрузка Uн, используется электрохимическая накопительная батарея НБ 4: аккумуляторная или конденсаторная. Концевой выключатель KB 5 установлен на чувствительном устройстве, которое размыкает концевой выключатель при скорости воздушного потока выше допустимого значения, при допустимой скорости воздушного потока KB 5 замкнут.

Принцип действия фиг.1 состоит в следующем. В исходном состоянии контакты концевого выключателя KB 5 замкнуты, контакты КК 6 также замкнуты. При вращении на зажимах генератора вырабатывается переменное напряжение, которое после выпрямления заряжает электрохимическую накопительную батарею 4, одновременно ток через контакты КК 6 поступает на катушку УЭ 3, система расторможена. В том случае, если скорость вращения лопастей находится в допустимых пределах, напряжение через диод VD1 7 поступает на НБ 4 и на нагрузку.

При увеличении скорости воздушного потока до критического значения концевой выключатель KB 4 под воздействием чувствительного элемента размыкается. Напряжение на выходе выпрямительного моста MB 8 превышает опорное напряжение стабилитрона VD2 9, которое «пробивается», и ток поступает в обмотку катушки реле Кр 10, вследствие этого контакт контактора КК 6 размыкается и обесточивает управляющую обмотку УЭ 3. Ветротурбина тормозится и перестает вращаться. Контактор КК 6 замыкается, концевой выключатель KB 5 разомкнут и напряжение НБ 4 не поступает через диод VD1 7 на обмотку УЭ 3.

При уменьшении скорости воздушного потока ниже критического значения KB 5 замыкает цепь и напряжение с НБ 4 поступает на катушку устройства УЭ 3 и ветротурбина начинает вращение, или в отсутствие ветра переходит в режим «ожидания».

Устройство ветроустановки, приведенное на фиг.2, наиболее пригодно для защиты ветроустановок малой мощности, а фиг.3 - средней и большой мощности. Ветротурбина 2 приводит во вращение электрогенератор 1. В качестве электрогенератора на фиг.2 и 3 изображен магнитоэлектрический генератор, имеющий высокие энергетические показатели при минимальной массе. ЭУ 3 представляет собой электромагнитный тормоз для ветроустановок малой мощности (фиг.2), либо установленный на хвостовике каждой лопасти ветротурбины электродвигатель - для ветроустановок большой мощности (фиг.3). Ориентирование ветротурбины по направлению скорости воздушного потока (VҐ ) происходит при помощи хвоста 11 поворотом вокруг вертикальной оси поворотной платформы 12, установленной на мачте 13.

Устройство ветроустановки малой мощности
Устройство ветроустановки средней и большой мощности.

При достижении критической скорости воздушного потока, фиксируемой чувствительным элементом, воздействующим на концевой выключатель KB 5, по обмотке ЭУ 3 ветроустановки малой мощности - тормоза (фиг.2) - перестает протекать ток, пружины высвобождают «пальцы» тормоза и фиксируют лопасти ветротурбины. При уменьшении скорости воздушного потока до допустимого значения, согласно принципу работы схемы фиг.1, ток снова начинает протекать по обмотке электромагнитного тормоза, «пальцы» тормоза притягиваются, преодолевая жесткость пружин, и освобождают ветротурбину.

Принцип работы электромагнитного устройства ветроустановки большой мощности отличается от вышеописанного. Электродвигатели УЭ (фиг.3) работают в режиме противовключения и препятствуют закрепленным в подшипниках лопастям ветротурбины 2 повернуться так, чтобы не оказывать сопротивления воздушному потоку. Они играют роль «электрических пружин». Их питание происходит от накопительной батареи НБ 4 (фиг.1), при этом потребляемая ими электрическая мощность минимальна. Такого результата можно добиться, используя, например, магнитоэлектрические двигатели.

При малой скорости воздушного потока лопасти занимают близкое к перпендикулярному положение относительно воздушного потока, вращая электрогенератор. При увеличении скорости воздушного потока лопасти начинают все более отклоняться от перпендикулярного положения, оказывая меньшее сопротивление воздушному потоку: создаваемый электродвигателями УЭ 3 момент упора позволяют это сделать. Частота вращения ЭГ 1 стабилизируется, либо слабо возрастает. Таким образом, генератор используется в широком диапазоне скоростей ветра. При скорости воздушного потока, превышающей критическое значение, чувствительный элемент воздействует на концевой выключатель KB 5 и по обмотке двигателей УЭ 3 перестает протекать ток, лопасти встают на механические упоры и защелки в положение, когда они оказывают наименьшее сопротивление воздушному потоку. Электрогенератор останавливается. При снижении скорости ветра до величины меньше допустимого значения по обмотке двигателей УЭ 3 снова начинает протекать ток (см. принцип действия схемы фиг.1) и лопасти, поворачиваясь под действием моментов электродвигателей УЭ 3, уходят из механических защелок. В результате этого ветротурбина 2 начинает вращаться с допустимой частотой вращения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Ветроэнергоустановка, содержащая мачту с горизонтальной поворотной платформой, на которой установлены электрогенератор и ветротурбина с лопастями, механическую передачу вращения от вала ветротурбины к валу электрогенератора, отличающаяся тем, что ветроэнергоустановка снабжена электромагнитным устройством, электрохимической накопительной батареей и электрической схемой, управляющей их работой при помощи чувствительного к скорости воздушного потока элемента так, что электромагнитное устройство фиксирует ветротурбину и электрогенератор при увеличении скорости воздушного потока свыше допустимого значения.

2. Ветроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти ветротурбины установлены с возможностью изменения угла установки в воздушном потоке, каждая лопасть ветротурбины установлена своим основанием в ступицу с дополнительными степенями свободы перемещения и в качестве электромагнитного устройства применяются электродвигатели, создающие такие моменты упора, чтобы при допустимых скоростях ветра обеспечивать оптимальный угол установки лопастей в воздушном потоке и оптимальную частоту вращения электрогенератора, а в режиме защиты от чрезмерного увеличения скорости воздушного потока каждая лопасть вставала на упор и защелку в положение, когда она обеспечивает наименьшее сопротивление воздушному потоку.

Версия для печати


вверх