СИЛОВОЙ ВЕТРОАГРЕГАТ Российский патент 1994 года по МПК F03D1/02 F03D1/04 F03D9/00 F03D7/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности, может быть применено для привода генераторов электростанций.

Известна турбина с односторонним ветроуловителем, снабженная флюгерной плоскостью в качестве устройства, следящего за направлением ветра, на валу которой в качестве накопителя установлен маховик [1] .

Недостатком данной конструкции является неустойчивость работы при резко изменяющихся направлениях ветра. Маховик не обеспечивает облегченного запуска, исключена возможность увеличения площади давления на входе и ветроуловитель, а следовательно, и мощности.

Известно регулирующее устройство для управления ветряным механизмом с максимальной эффективностью путем поддержания максимального выходного напряжения для этого механизма, содержащее чувствительное устройство, сигнальный кондиционер, микропроцессор, регулятор напряжения поля [2] .

Недостатками устройства являются регулировка выходного напряжения генератора только одной мощности в установленных пределах, высокая стоимость.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является аппарат для превращения и накопления ветряной энергии и ее использования, содержащий полые внутри ветроуловительные стенки из железобетона, которые удобно ориентированы и имеют такую форму и размер, что парами образуют сужения вокруг лопастного ротора, соединенного своим верхним концом с компрессором, который нагнетает воздух в каждую стенку. Указанные стенки автоматически питают генератор, когда ветер стихает. На входе в каждый ветроуловительный промежуток, между стенками, установлена ограждающая сетка [3] .

Недостатками данного аппарата являются сложность изготовления железобетонных полых стенок сложного внутреннего и внешнего профиля, громоздкость, большой вес, исключена возможность увеличения площади давления на входе в ветроуловитель, так как с увеличением габаритов полых стенок не увеличивается, а уменьшается входной проем. Обледеневшая или залепленная снегом сетка снижает или совсем перекрывает доступ ветра к лопастному ротору, а следовательно, при наличии ветра турбина будет остановлена. Усложнен накопитель энергии применением компрессора и идеальной герметичности емкостей и всей системы соединения их с компрессором, поскольку вся система работает под определенным внутренним давлением.

Целью изобретения является увеличение мощности и надежности.

Указанная цель достигается тем, что конструкция силового ветроагрегата состоит из вала с барабаном, на поверхности последнего укреплены полуовальные лопасти со скосом относительно оси барабана, имеющие разгрузочные окна. Эта часть конструкции закрыта кожухом, имеющим четыре перпендикулярно расположенные проема для входа и выхода воздушной массы независимо от направления ветра. К кожуху в районе проемов по периметру закреплены конструкции плоских широкозахватных ветроуловителей, состоящих из металлических или синтетических листов, усиленных металлическим уголком и имеющих разгрузочные противоураганные окна, а для передвижных низкопроизводительных установок - из разборных каркасов, обтянутых прочной тканью или пленкой, с изменяющимися размерами габаритов. Причем чем больше площадь на входе в ветроуловитель и длина конуса конфузора, тем больше площадь давления, что особенно важно для увеличения мощности и при заносах снегом. Внутри ветроуловителей натянута защитная сетка с автоматически и вручную включающимся электронагревом постоянным током не выше 110 В. Ветроуловители являются одновременно усилителем силы ветра (конденсатором) и снижают силу давления в случае урагана (шторма). На верхней части вала на подшипниках установлен маховик со свободно подвешенными грузами овальной формы, закрепленными на обтекаемых стойках, шарнирно соединенных с помощью валов и втулок на окружность маховика. Привод маховика осуществляется с помощью соединительной муфты с центробежным регулятором включения и отключения самим ветром.

Нижняя часть вала турбины через конический редуктор соединена с комбинированным генератором с самовозбуждением, состоящим из пяти разъемных, изолированных друг от друга статоров с обмотками, якорей с обмотками и соответственно пяти выводов в сеть, стабилизирующих устройств с автоматическим переключением ступеней мощности генератора в зависимости от силы и скорости ветра, регулируемой прибором, показывающим и исполнительным, работающим по принципу спидометра.

Сопоставительный анализ с прототипом и аналогами показывает, что аэродинамические лопасти установлены со скосом относительно центра барабана и имеют разгрузочные окна, чем обеспечен более плавный ход турбины, увеличена мощность, обеспечена разгрузка лопастей и самой турбины при ураганах. Сами ветроуловители выполнены четырехсторонними, плоскими, широкозахватными, не менее 3/4 общей площади. Конструкция турбины закрыта кожухом, в районе проемов по периметру закреплены широкозахватные ветроуловители, позволяющие получить большую площадь, а следовательно, и мощность. Плоскости имеют противоураганные разгрузочные окна. Внутри ветроуловителей натянуты защитные сетки с автоматическим и ручным управлением включения электронагрева постоянным током не выше 110 В, чем обеспечена бесперебойная работа турбины в любых погодных условиях (при обледенении, заносах снегом, зарастании вьющимися растениями, паутиной и т. д. ).

На верхней части вала на подшипниках посажен маховик со свободно подвешенными грузами овальной формы, закрепленными на обтекаемых стойках, шарнирно соединенных с помощью валов и втулок на окружности маховика. Привод маховика осуществляется плавно с помощью соединительной муфты с центробежным регулятором поочередной загрузки включения и отключения маховика, управляемой самим ветром; после разгона турбины, набрав обороты, включается маховик, а при дальнейшем раскручивании расходятся грузы; с увеличением радиуса увеличивают запас энергии маховика для более мощных генераторов.

Нижняя часть турбины через конические шестерни редуктора соединена с пятисекционным пятирежимным генератором, имеющим пять режимов нагрузки на турбину. Генератор состоит из пяти разъемных, изолированных друг от друга автономных генераторов с самовозбуждением различной мощности с автоматическим переключением мощностей в зависимости от скорости ветра. В неподключенных к нагрузке обмотках для погашения наводимой ЭДС должно быть подключены реактивные нагрузки потребителей или стабилизующих устройств.

Автоматическая регулировка подключения мощностей осуществляется устройством, работающим по принципу спидометра, имеющим прибор показывающий, он же исполнительный, в котором по шкале внутри установлены герметичные контакты (герконы) с магнитным или механическим замыканием скорости ветра и мощности генераторов. В приведенном примере использованы герконы, замыкающиеся магнитной стрелкой. Схема управления применена в электронном исполнении или, как в приведенном примере, выполнена на недорогих, надежных, простейших приборах автоматики. Раздельная автономная работа ступеней обеспечивает возможность получения эл. энергии в случае выхода из строя одной или нескольких ступеней нагрузки.

Нерегламентированы: тип, мощность и количество ступеней генератора; площадь ветроуловителей, схема управления, масса маховика зависят от желаемой выработки электроэнергии, ветровых регионов и конкретных мест установки в данных регионах; принципиальная схема при наземном монтаже должна быть улучшена (дополнена) комбинациями контактов промежуточных реле или вводом в схему дополнительно четырех реле для управления дополнительной нагрузкой при скорости свыше 11 м/с и этим доведена до полного ее совершенства, т. е. ветер сам с помощью схемы может полностью регулировать любые нагрузки турбин генераторами с наивысшим КПД при любой скорости ветра, доводя мощности до 950 кВт/ч.

Таким образом, силовой ветроагрегат соответствует критерию "новизна".

Исследованиями, проведенными по имеющимся источникам, не обнаружено признаком технических решений в данной области, сходных с отличительной частью формулы, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображен предлагаемый ветроагрегат; на фиг. 2 - рабочая компановка и разрез Б-Б; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - лопасть турбины, разрез; на фиг. 5 - вид В на фиг. 4; на фиг. 6 - крепление маховика с центробежной муфтой; на фиг. 7 - вид сверху на соединительную муфту (разрез Г-Г на фиг. 6); на фиг. 8 - вид подвижного груза; на фиг. 9 - исполнительный прибор; на фиг. 10 - разрез генератора; на фиг. 11 - принципиальная схема; на фиг. 12 - схема генератора; на фиг. 13 - схема очередности включения генераторов.

На фиг. 1-10 показаны следующие элементы: вал 1, барабан 2, лопасти 3, разгрузочное окно 4 лопасти, плоскость 5 ветроуловителя, противоураганные окна 6 (подвижная часть плоскости ветроуловителя), сетка 7, комбинированный маховик 8, свободно подвешенные центробежные грузы 9, обтекаемые стойки 10, опорный диск 11 центробежной муфты, подвижные грузы 12 муфты, подвижный диск 13 муфты, диск 14 сцепления муфты, диск 15 сцепления маховика, многоступенчатый генератор 16, показывающий прибор 17, кожух 18 маховика, основание 19, пружины 20 противоураганных окон ветроуловителей, поворотная ось 21 окна ветроуловителя, конический редуктор 22, аэродинамические плоскости 23, пружина 24 разгрузочного окна лопасти, ось 25 разгрузочного окна лопасти, ограничительная пружина 26, ось 27 крепления центробежных грузов, опорно-упорный подшипник 28, опорный подшипник 29, фиксирующая гайка 30, крышка 31 подшипника маховика, опорная шайба 32, подвижный диск 33 соединительной муфты, подвижный груз 34 муфты, опорный подшипник 35, корпус 36 статора, съемный башмак 37 статора, ротор 38, обмотка 39 статора, обмотка 40 ротора, устройство 41 возбуждения, вентилятор 42, болтовое соединение 43, опорный концевой подшипник 44 и концевая крышка 45.

Силовой ветроагрегат содержит вал 1 (фиг. 1) с барабаном 2 (фиг. 3). На поверхности последнего укреплены овальной формы лопасти 3 (фиг. 1), установленные со скосом относительно оси барабана, имеющие разгрузочные окна 4 (фиг. 4 и 5). Эта часть конструкции закрыта кожухом. В районе проемов по периметру укреплены конструкции плоскостей 5 широкозахватных увеличивающих мощность турбин ветроуловителей (фиг. 1) с противоураганными разгрузочными окнами 6 (фиг. 1). Внутри ветроуловителей натянуты защитные сетки 7 (фиг. 1) с автоматическим и ручным управлением электронагревом постоянным током. На верхней части вала 1 на подшипниках установлен накопитель энергии (фиг. 1), представляющий собой свободно посаженный на подшипниках маховик 8 со свободно подвешенными грузами 9 (фиг. 1) овальной формы, закрепленными на обтекаемых стойках 10 (фиг. 6), соединительную центробежную муфту, содержащую опорный диск 11 (фиг. 6) с наклонными пазами, внутри которых находятся подвижные грузы 12 (фиг. 6), подвижный диск 13 (фиг. 6), диск 14 сцепления муфты (фиг. 6) и диск 15 сцепления маховика (фиг. 6). Нижняя часть вала соединена с многоступенчатым генератором 16 (фиг. 2). Показывающий прибор 17 (фиг. 9) (он же исполнительный) работает по принципу спидометра (тахометра) с установленными внутри вдоль шкалы герконами (герметичными контрактами), с помощью которых действует схема (фиг. 11) управления загрузкой турбины генераторами (фиг. 13).

Силовой ветроагрегат работает следующим образом.

Ветер независимо от направления попадает в один из ветроуловителей, разгоняет вал 1 с барабаном 2 и лопастями 3. По достижении скорости 3-5 м/с прибор 17, он же исполнительный, включает генератор 50 кВт/ч. В промежутке скоростей 5-7 м/с отключается генератор 50 кВт/ч, турбина резко набирает разгон и центробежная соединительная муфта включает в работу маховик 8, а затем прибор 17 включает генератор 10 кВт/ч, при 7-8 м/с - генератор 200 кВт/ч, отключив предыдущий, при 9-10 м/с - 300 кВт/ч, при 10-11 м/с центробежные грузы 9 (фиг. 1) расходятся, увеличивая запас мощности для работы турбины с более высокими нагрузками генераторов и включается генератор 400 кВт/ч. В случае наземного монтажа турбины дополнительно к 400 кВт/ч при скорости ветра свыше 11 м/с могут быть подключены поочередно или группами предыдущие мощности генератора в зависимости от выбранной нагрузки. Защитная сетка 7 (фиг. 1) обеспечивает возможность работы турбины в любых погодных условиях.

Принципиальная схема управления.

На фиг. 11 показаны:
цепь управления генератора 50 кВт/ч, герметичный контакт (геркон) исполнительного прибора (ИП), катушка 2 промежуточного реле РП, нормально открытый блокирующий контакт 3 промежуточного реле, нормально открытый контакт 4 промежуточного реле в цепи магнитного пускателя, катушка 5 пускателя, включающего дополнительные обмотки генератора 50 кВт/ч, катушка 6 включающего реле, нормально закрытый контакт 7 включающего реле, нормально закрытый контакт 8 промежуточного реле с катушкой 11, нормально открытый геркон 9 исполнительного прибора;
цепь управления генератора 100 кВтч
нормально открытый геркон 10 исполнительного прибора, катушка 11 промежуточного реле, нормально открытый блокирующий контакт 12 промежуточного реле, нормально открытый контакт 13 промежуточного реле в цепи питания катушки магнитного пускателя, катушка 14 магнитного пускателя, включающего дополнительные обмотки генератора 100 кВт/ч, катушка 15 выключающего реле, нормально закрытый контакт 16 выключающего реле, нормально закрытый контакт 17 промежуточного реле с катушкой 20, нормально открытый геркон 18 исполнительного прибора;
цепь управления генератора 200 кВт/ч
нормально открытый геркон 19 исполнительного прибора, катушка 20 промежуточного реле, нормально открытый блокирующий контакт 21 промежуточного реле, нормально открытый контакт 22 в цепи катушки магнитного пускателя, катушка 23 магнитного пускателя, включающего дополнительные обмотки генератора 200 кВт/ч, катушка 24 вклчающего реле, нормально закрытый контакт 25 выключающего реле, нормально закрытый контакт 26 промежуточного реле с катушкой 29, нормально открытый геркон 27 исполнительного прибора;
цепь управления генератора 300 кВт/ч
нормально открытый геркон 28 исполнительного прибора, катушка 29 промежуточного реле, нормально открытый блок-контакт 30 промежуточного реле, нормально открытый контакт 31 промежуточного реле в цепи магнитного пускателя, катушка 32 пускателя, включающего дополнительные обмотки генератора 300 кВт/ч, катушка 33 выключающего реле, нормально закрытый контакт 34 выключающего реле, нормально закрытый контакт 35 промежуточного реле с катушкой 38, нормально открытый геркон 36 исполнительного прибора;
цепь управления генератора 400 кВт/ч
нормально открытый геркон 37 исполнительного прибора, катушка 38 промежуточного реле, нормально открытый блокирующий контакт 39 промежуточного реле, нормально открытый контакт 40 промежуточного реле в цепи магнитного пускателя, катушка 41 магнитного пускателя, включающего дополнительные обмотки генератора 400 кВт/ч, катушка 42 выключающего реле, нормально закрытый контакт 43 исполнительного прибора, нормально открытый геркон 45 исполнительного прибора.

Позиции 46-50 - ручное управление дополнительной нагрузкой при скорости ветра свыше 11 м/с при наземном монтаже и в случае экстренного торможения турбин.

Схема генератора (фиг. 12) включает обмотку 51 статора, обмотку 52 якоря, механический выпрямитель 53, дополнительную обмотку 54 статора, трансформатор тока 55, компаундирующие сопротивления 56, реостат 57 и контакты 58 магнитного пускателя (контактора).

Схема управления (фиг. 11) может быть применена в электронном исполнении или в приведенном примере выполнена из недорогих, надежных, простейших приборов автоматики, содержит от стабильного постороннего источника тока цепи 220х380 В, цепи постоянного тока 24-30 В (питание схемы управления) и не выше 110 В для цепей нагрева сетки.

При наземном монтаже ветроагрегата управления дополнительной нагрузкой при скорости свыше 11 м/с должно быть автоматизировано комбинациями контактов промежуточных реле или вводом в схему дополнительно четырех реле.

Схема работает следующим образом.

При скорости ветра до 3 м/с турбина набирает разгон. По достижении скорости 3-5 м/с магнитная стрелка показывающего прибора замыкает герметичный контакт (геркон) 1 исполнительного прибора в цепи, на шкале катушки 2 промежуточного реле, через нормально закрытый контакт 8 промежуточного реле, нормально закрытый контакт 7 реле с катушкой 6. Получив питание, промежуточное реле замыкает свой нормально открытый блокирующий контакт 3 и нормально открытый контакт 4 в цепи катушки 5 пускателя. Получив питание, магнитный пускатель замыкает контакты, включая дополнительные обмотки генератора 50 кВт/ч (фиг. 130.

С увеличением скорости ветра до 5-7 м/с стрелка замыкает геркон 10 в цепи катушки 11 промежуточного реле через нормально закрытый контакт 17 промежуточного реле с катушкой 20 и нормально закрытый контакт 16 реле с катушкой 15. Получив питание, промежуточное реле замыкает свой нормально открытый блокирующий контакт 12 и нормально открытый контакт 13 в цепи катушки 14 пускателя. Получив питание, магнитный пускатель замыкает свои контакты в цепи дополнительной обмотки генератора 100 кВт/ч (фиг. 13), работает генератор 100 кВт/ч, а генератор 50 кВт/ч отключается размыканием контакта 8.

С повышением скорости ветра до 7-9 м/с стрелка замыкает геркон 19 в цепи катушки 20 промежуточного реле через нормально закрытый контакт 26 промежуточного реле и нормально закрытый контакт 25 реле с катушкой 24. Промежуточное реле, получив питание, замыкает свой нормально открытый блокирующий контакт 21 и нормально открытый контакт 22 в цепи катушки 23 пускателя. Получив питание, пускатель включает дополнительные обмотки генератора 200 кВт/ч и отключает генератор 100 кВт/ч размыканием контакта 17. Работает генератор 200 кВт/ч.

При повышении скорости ветра до 9-10 м/с стрелка замыкает геркон 28 в цепи промежуточного реле с катушкой 29 через нормально закрытый контакт 25 промежуточного реле и нормально закрытый контакт 34 реле с катушкой 33. Получив питание, промежуточное реле замыкает свой нормально открытый блок-контакт 30 и нормально открытый контакт 31 в цепи катушки 32 пускателя. Получив питание, пускатель включает дополнительные обмотки генератора 300 кВт/ч (фиг. 13), а генератор 200 кВт/ч отключается размыканием контакта 26. Работает генератор 300 кВт/ч.

С повышением скорости ветра до 10-11 м/с стрелка замыкает геркон 37 в цепи промежуточного реле с катушкой 38 через нормально закрытый контакт 43 реле с катушкой 42. Получив питание, промежуточное реле замыкает свой нормально открытый блок-контакт 39 и нормально открытый контакт 40 в цепи катушки 41 пускателя. Пускатель, получив питание, замыкает свой контакт в цепи дополнительных обмоток генератора 400 кВт/ч с одновременным размыканием контакта 35, отключив генератор 300 кВт/ч.

При снижении скорости ветра стрелка замыкает геркон 45 в цепи катушки 42. Получив питание, реле замыкает свой нормально закрытый контакт 43, отключает генератор 400 кВт/ч.

Понижаясь до скорости 9-10 м/с, стрелка замыкает геркон 28, включает генератор 300 кВт/ч, а при дальнейшем снижении ветра включает геркон 36 в цепи катушки 33. Получив питание, реле размыкает свой контакт 34, отключает генератор 300 кВт/ч и т. д. , через герконы 27, 18 и 9 поочередно отключает мощности до падения стрелки до нуля. При установившейся любой из перечисленных скоростей ветра прибор включает соответствующую нагрузку на силовую ветротурбину. Торможение турбин производят одновременно включением группы мощных или всех генераторов.

Не регламентированы тип, мощность, количество ступеней генератора и схема управления, они зависят от желаемой выработки электроэнергии, ветровых регионов и конкретных мест установки в данных регионах.

Использование предложенного технического решения позволит монтажом ветроагрегатов на плоских крышах жилых домов и др. высотных зданий сэкономить полезные площади земельных участков, снизить расход металла и стройматериалов, применяющихся ранее для строительства мачт, подключая их к готовым коммуникациям кабельных вводов в здания. При наземном монтаже возможно занимать непригодные к использованию земельные участки, находящиеся вблизи существующих электростанций, подстанций, ЛЭП. Кроме того, можно получить высокие мощности самой дешевой электроэнергии с сохранением экологически чистой среды, снизить расход топливных ресурсов. Простота и надежность конструкции позволяет обойтись без высококвалифицированных кадров обслуживания и постоянного надзора. (56) 1. Патент США N 3970409, кл. F 03 D 9/02, опубл. 1976.

2. Патент США N 4613762, кл. F 03 D 9/00, опубл. 1986.

3. Заявка ЕВП N 0167694, кл. F 03 D 3/04, опубл. 1986.

Использование: ветроэнергетика. Сущность изобретения: силовой ветроагрегат содержит энергоблок и кинематически связанное с ним ветроколесо с лопастями 3, установленными на вертикальном валу 1, размещенное в четырехгранном кожухе. Кожух снабжен воздухозаборными каналами с установленными в них защитными сетками 7. Энергоблок снабжен по меньшей мере двумя генераторами, установленными на общем валу, соединенном через коническую передачу с вертикальным валом 1. На верхнем конце последнего размещен маховик 8 с шарнирно закрепленными на стержнях подвижными грузами 9. Воздухозаборные каналы и лопасти 3 снабжены разгрузочными окнами 6 с установленными на них защитными сетками с электрообогревом. 13 ил.

СИЛОВОЙ ВЕТРОАГРЕГАТ, содержащий энергоблок и кинематически связанное с ним ветроколесо с лопастями, установленное на вертикальном валу и размещенное в четырехгранном кожухе, снабженном расположенными на каждой из гребней кожуха воздухозаборными каналами с установленными в них защитными сетками, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности и надежности, энергоблок снабжен по меньшей мере двумя генераторами разной мощности, установленными на общем валу, соединенном через коническую передачу с вертикальным валом ветроколеса, на верхнем конце которого установлен маховик с шарнирно закрепленными на стержнях подвижными грузами, в корпусе которого размещена автоматически выключаемая муфта, и регулятором ступенчатой загрузки генераторов, включающим командный прибор со шкалой, имеющей градуировку с показаниями скорости ветра и соответствующей ей мощности энергоблока и снабженной герконами, установленными за последней, при этом лопасти ветроколеса выполнены криволинейными относительно вертикальной оси , воздухозаборные каналы и лопасти снабжены разгрузочными окнами с установленными в них защитными сетками с электроклеммами.