ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ БЫСТРОХОДНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1995 года по МПК F03D9/00 F03D3/04 

Изобретение относится к ветроэлектрическим агрегатам, в частности к вертикальным ветроэлектрическим агрегатам с переменной частотой вращения при стабилизированном напряжении генератора.

Известен ветроэлектрический агрегат с горизонтальной осью и трехлопастным ветроколесом, на концевых частях лопастей которого расположены регулирующие частоту вращения закрылки, а головка которого, закрепленная на горизонтальном валу в подшипниках, во внутренней полости содержит механическое устройство поворота закрылков и вал ее прифланцован к инерционному маховику, сопряженному с мультипликатором, к валу которого прифланцована гидромеханическая муфта, ограничивающая мощность агрегата при порывах ветра, вал которой сопряжен с валом генератора переменного тока явнополюсной конструкции, вал которого прифланцован к ротору возбудителя. Выводы обмотки статора генератора присоединены через коммутационную аппаратуру к кабельной линии, спускающейся с башни ветроэлектрического агрегата. Механоэлектрическое оборудование агрегата размещено в обтекаемой кабине, закрепленной на поворотной платформе, оснащенной устройством разворота на ветер флюгерного типа. В качестве поворотного механизма платформы используются два редукторно-электродвигательных агрегата. Вся конструкция ветроэлектрического агрегата размещена на башне пятидесятиметровой высоты с лифтом [1]
Известен ветродвигатель вертикального типа, содержащий ветроколесо с радиальными лопастями обтекаемой формы, закрепленными между двумя кольцевыми элементами, расположенными в горизонтальной плоскости, и охватывающий ветроколесо по полуокружности воздухоза- борный аппарат, размещенный в корпусе цилиндрической формы и содержащий воздухозаборные камеры, расположенные в обоих квадрантах относительно оси симметрии плоскости воздухозабора, с направляющими каналами и выходными соплами, которые в обоих квадрантах расположены так, что ветровой поток обдувает лопасти ветроколеса с направлением силы давления на лопасти, создающим согласованные моменты вращения для каждой воздухозаборной камеры. Корпус воздухозаборной камеры выполнен с отверстиями для выпуска воздуха, расположенными на противоположной воздухозабору части корпуса. Лопасти ветроколеса размещены под углом к радиальному направлению барабана и имеют обтекаемую форму крыла. В каналах установлено несколько жалюзийных элементов, поворачивающихся между верхним и нижним кольцевыми элементами [2]
К недостаткам рассмотренной конструкции относятся следующие: не полностью использована для энергопроизводства окружность рабочего колеса, что снижает мощность агрегата и его энерговыработку; выходные сопла направляющих каналов выполнены неаэродинамичной формы, что создает дополнительные потери напора и мощности, а это снижает энерговыработку ветродвигателя; воздухопроводящие каналы расположены только в передних квадрантах, а это уменьшает их количество и этим снижается энерговыработка; корпус с воздухозаборником установлен статично и поэтому ветродвигатель работает только при одном направлении ветра, что снижает энерговыработку; неаэродинамичная форма воздухозаборника ухудшает условия воздухозабора, что также снижает энерговыработку.

Целью изобретения является повышение электроэнергоотдачи агрегата путем выполнения воздухозаборника с выходными соплами, распределенными равномерно по всей окружности ротора ветроколеса, повышение электроэнерговыработки и надежности путем обшивки корпуса каркасом, покрытым листовым коррозионно-стойким материалом, причем с формой, описывающей тела вращения, повышение электроэнерговыработки путем совмещения ротора генератора переменного тока с ротором ветроколеса, повышение электроэнерговыработки путем установки воздухозаборника на поворотное устройство с флюгером, улавливающим ветер, повышение надежности агрегата путем установки в его верхней точке стержня молниеотвода, присоединенного к токопроводу, проходящему внутри полой оси агрегата.

Это достигается выполнением агрегата с воздухозаборником, выходные сопла которого равномерно распределены по окружности ротора ветроколеса, которое выполнено с радиальными лопастями, закрепленными по внешней поверхности индуктора ротора генератора, охватывающего статор генератора с уложенной в пазы m-фазной обмоткой и магнитопроводом, закрепленным на трубе башни, являющейся осью агрегата; выполнением корпуса агрегата, покрытого легким каркасом, обшитым листовым коррозионно-стойким материалом и повторяющим форму тела вращения: сферы, эллипсоида; установкой воздухозаборника на поворотное устройство, содержащее верхнюю крестовину и подшипник и нижнюю крестовину и подшипник, а к его корпусу прикреплено устройство разворота на ветер в виде вертикальной пластины, закрепленной со стороны, противоположной воздухозабору; установкой в верхней точке агрегата стержня молниеотвода с присоединенным токопроводом, проходящим в полости трубы башни.

На фиг. 1 представлен предлагаемый агрегат, продольный разрез; на фиг. 2 то же, поперечный разрез.

Ветроэлектрический агрегат 1 (фиг. 1) содержащий ротор 2 ветроколеса с радиальными лопастями 3, выполненными как одно целое с индуктором 4 генератора 5, который имеет явно выраженные полюса 6 с продольно-поперечной демпферной обмоткой 7 и обмоткой 8 возбуждения. Статор 9 генератора 5, отделенный от индуктора 4 воздушным зазором 10, выполнен с магнитопроводом 11, в радиальные пазы которого уложена m-фазная обмотка 12, имеющая n-автономных параллельных ветвей, и который закреплен на трубе башни 13, являющейся статической осью агрегата, и изолирован от нее диэлектриком 14. Лопасти 3 по внешнему диаметру отделены воздушным зазором 15 от воздухозаборника 16, состоящего из корпуса 17, воздухозаборной камеры 18 с направляющими каналами 19, расположенными в четвертом и первом квадрантах по хорде ротора 2 ветроколеса, причем выходные сопла 20, имеющие равные сечения, равномерно распределены по окружности ротора 2 и направлены своими осями по направлению вращения ротора 2. Направляющие каналы 19 отделены друг от друга стенками 21, имеющими плавные обтекаемые обводы, сквозь которые проходят стяжные шпильки 22, закрепленные на верхней 23 и нижней 24 крестовинах, которые опираются на верхний 25 и нижний 26 подшипники с малым трением, которые, в свою очередь, оперты на нижнюю крестовину 27 и на трубу башни 13 через верхнюю крестовину 28. Воздухозаборник 16 по внешней поверхности корпуса 17 покрыт легкометаллическим каркасом 29 и листовой обшивкой 30 из коррозионно-стойкого материала. Верхняя крестовина 28 покрыта ажурным каркасом 31 и обшита листовым коррозионно-стойким материалом (обшивка 32). В верхней точке агрегата 1 закреплены сигнальный фонарь 33 и стержень молниеотвода 34, токопровод 35 которого проходит в полости трубы башни 13 и заземлен у основания агрегата 1. На стыке 36 обшивки 32 и 30 закреплен дождезащитный козырек 37, образующий выходной канал 38. Индуктор 4 генератора 5 с торцов сжат нажимными элементами 39 и 40, которые с индуктором 4 стянуты шпильками 41 и 42, а ребра 43 и 44 являются продолжением лопастей 3 ротора 2 ветроколеса. Нижний нажимной элемент 39 оперт на подпятник 45, закрепленный в нижней крестовине 27. Верхний нажимной элемент 40 прикреплен к верхней крестовине 46, которая оперта через подшипник 47 на трубу башни 13. На нижней крестовине 27 установлен тормоз 48, башмак 49 которого при торможении прижимается к тормозному кольцу 50, закрепленному на нижней крестовине 24 воздухозаборника 16. Нижняя крестовина 27 покрыта ажурным каркасом 51, который обшит листовым коррозионно-стойким материалом (обшивка 52). В последней выполнены люки 53 с крышками 54, закрывающимися автоматически. Обшивки 52, 32 и 30 выполнены с конфигурацией общего контура в виде тела вращения: сферы, эллипсоида. К нижней части обшивки 30 на стыке 55 с обшивкой 52 прикреплен дождезащитный козырек 56, образующий вентиляционный канал 57 для выхода воздуха.

Ветроэлектрический агрегат 1 (фиг. 2), на котором в левой половине представлено неявнополюсное исполнение индуктора 4, содержащего ярмо 58, зубцы 59 и обмотку 60 возбуждения, распределенную по пазам индуктора 4, а также демпферную обмотку 61. К корпусу 17 воздухозаборника 16 прикреплена вертикальная пластина 62, служащая устройством установки на ветер. Жалюзи 63 поднимается цепью 65 электродвигателя 64.

Ветроэлектрический агрегат работает следующим образом.

Ветровой поток поступает в воздухозаборник 16 и распределяется по направляющим каналам 19, имеющим равное аэродинамическое сопротивление, и через сопла 20 обдувает лопасти 3 ветроколеса 2, вращая его и этим самым вращая индуктор 4 генератора 5, в обмотку 8 возбуждения которого подается напряжение возбуждения, которое создает намагничивающий ток, индуцирующий в m-фазной обмотке статора 12 электродвижущую силу. После подключения нагрузки в сеть течет переменный ток, при этом генератор 5 может с сетью соединяться через преобразователи частоты: выпрямительного, конверторного и с непосредственной связью. Мощность ветроэлектрического агрегата можно определить по формуле
P_a Kx0,5x ρ F_cxY_cp³, Вт, где P_a подведенная ветровым потоком мощность, Вт;
K число выходных сопел;
ρ плотность воздуха, кг/м³;
F_c площадь сечения выходного сопла, м;
Y_ср средняя выходная скорость ветрового потока, м/с.

Активная мощность генератора может быть определена по формуле
P_г P_а/k_вз k_вд k_г, Вт, где k_вз, k_вд и k_г КПД воздухозаборника, ветродвигателя, генератора соответственно, о.е.

При изменении направления движения ветра пластина 62 разворачивает на ветер воздухозаборник 16 в подшипниках 25 и 26. При ураганном ветре воздухозаборник 16 закрывает жалюзи 63 и тормозится поднятием автоматически башмаков 49 к тормозному кольцу 50. После окончания урагана электродвигатели 64 с помощью цепей 65 поднимают жалюзи 63 и открывают камеру 18 воздухозаборника 16 для доступа воздуха. При грозовых явлениях стержень 34 воспринимает электрические разряды и отводит их по токопроводу 35 в заземление. Сигнальный фонарь 33, зажигаемый в сумерки, предотвращает столкновение летательных аппаратов с ветроэлектрическим агрегатом 1, установленным на высокой башне.

Изобретение по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: ветроэлектрический агрегат имеет практически вдвое большую мощность ветродвигателя за счет использования для воздухоподачи на ротор ветроколеса сопл, размещенных и в третьем, и во втором квадрантах, что повышает электроэнерговыработку агрегата и снижает себестоимость ветроэлектроэнергии; ветроколесо, совмещенное с индуктором генератора, позволяет уменьшить массу ветроэлектрического агрегата и этим себестоимость ветровой электроэнергии; лопасти ветроколеса, выполненные как одно целое с ярмом индуктора, повышают механическую прочность ветроколеса и надежность ветроэлектрического агрегата; установка воздухозаборника на поворотное устройство с подшипниками позволяет в сочетании с устройством разворота на ветер повысить электроэнерговыработку ветроэлектрического агрегата и этим снизить себестоимость ветроэлектрической энергии; выполнение ветроэлектрического агрегата с обшивкой по контуру с конфигурацией тела вращения позволяет повысить электроэнерговыработку и надежность агрегата за счет большей устойчивости к ураганам; использование тормозов в сочетании с жалюзи, закрывающими воздухозаборную камеру, позволяет повысить надежность агрегата за счет его ураганостойкости, применение молниеотвода позволяет повысить надежность агрегата за счет увеличения его грозостойкости; применение сигнального фонаря позволяет повысить надежность агрегата за счет снижения вероятности аварийности от летательных аппаратов; компоновка ротора с нижним упорным подшипником позволяет улучшить обслуживание.

Изобретение может быть использовано в качестве источников электроэнергии в экологически чистых системах постоянного и переменного токов.

Использование: ветроэнергетика. Сущность изобретения: ветроэлектрический быстроходный агрегат снабжен генератором, статор которого размещен внутри ротора и закреплен на неподвижной полой оси, ротор выполнен в виде индуктора с радиальными вертикальными лопастями. Выходная часть каналов воздухозаборного устройства снабжена соплами,охватывающими ротор. Ось сопл расположена по направлению вращения ротора. Агрегат снабжен устройством разворота на ветер, включающим вертикальную пластину, закрепленную на корпусе с противоположной стороны входных отверстий воздухозаборного устройства, и молниеотводом, токопровод которого проходит внутри полой оси. Корпус выполнен в виде сферы или эллипсоида. 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ БЫСТРОХОДНЫЙ АГРЕГАТ, содержащий корпус с размещенными в нем вертикальным цилиндрическим ротором с лопастями и воздухозаборным устройством с каналами, входные отверстия которых расположены по одну сторону от оси ротора вдоль хорды переднего квадранта и снабжены жалюзи, отличающийся тем, что, с целью повышения выработки электроэнергии и надежности, агрегат выполнен с выходными соплами воздухозаборных каналов, равномерно распределенными по окружности ротора, и снабжен генератором, статор которого размещен внутри ротора и закреплен на неподвижной полой оси, ротор выполнен в виде индуктора с радиальными вертикальными лопастями, закрепленными на внешней поверхности его ярма, причем выходные сопла своими осями расположены по направлению вращения ротора. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде сферы. 3. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде эллипсоида. 4. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из металлического каркаса, обшитого по внешнему контуру листами коррозионно-стойкого материала. 5. Агрегат по пп. 1-4, отличающийся тем, что он снабжен устройством разворота на ветер, включающим верхнюю и нижнюю крестовины, жестко соединенные с воздухозаборным устройством и установленные на неподвижной полой оси при помощи упорных подшипников, и вертикальную пластину, закрепленную на корпусе со стороны, противоположной входным отверстиям воздухозаборного устройства. 2. Агрегат по пп.1-5, отличающийся тем, что снабжен молниеотводом, установленным в верхней точке корпуса, токопровод которого размещен внутри полой неподвижной оси.