ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2008 года по МПК F03D9/00 

Изобретение относится к отраслям энергетики, электротехники, машиностроения, в которых осуществляется совместное производство электрической и тепловой энергии.

Изобретение направлено на повышение коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки.

Это достигается тем, что теплота, выделенная при работе синхронных электрических машин за счет циркуляции охлаждающей среды, нагревает теплообменники, вторичные контуры которых подключены к тепловой сети потребителя.

Изобретение может найти применение для гарантированного электроснабжения преимущественно в удаленных районах, где скорость ветра достигает 4-25 м/с, в частности на Кольском полуострове, на побережье Ледовитого океана, в качестве автономных установок.

Известна ветроэнергетическая установка для автономного электро- и теплоснабжения [1], содержащая инвертор, выпрямитель, аккумуляторную батарею, а также синхронную электрическую машину с приводом от ветродвигателя и синхронную электрическую машину с приводом от двигателя внутреннего сгорания, подключенные через автоматические выключатели к шинам потребителей электрической энергии. Причем первая синхронная электрическая машина также подключена через автоматические выключатели и выпрямители к аккумуляторной батарее, которая параллельно подключена через автоматические выключатели и инвертор к шинам потребителей электрической энергии. К шинам дополнительно через автоматические выключатели подключен электрический котел, водяной контур которого соединен с внешней тепловой сетью потребителей тепловой энергии, которая также через пускорегулирующую аппаратуру соединена с тепловым аккумулятором и водяным контуром теплообменников-утилизаторов отбросной теплоты наддувочного воздуха, смазочного масла, охлаждающей жидкости и отработанных газов двигателя внутреннего сгорания, причем на шинах потребителей электрической энергии и в тепловой сети потребителей тепловой энергии установлены соответствующие датчики электрической и тепловой нагрузок, которые через исполнительные механизмы соединены с системой автоматического управления ветроэнергетической установкой.

Ветроэнергетическая установка имеет ряд недостатков. Отсутствует утилизация теплоты, выделенной при работе синхронными электрическими машинами, что связано с конструктивным исполнением электрических генераторов. Они выполнены без жидкостного отбора теплоты от тепловыделяющих элементов, что приводит к снижению коэффициента полезного действия установки.

Синхронная электрическая машина с приводом от ветродвигателя имеет традиционную цилиндрическую конструкцию, отличающуюся большими осевыми размерами. Кроме того, в такой машине затруднительно выполнить большое число пар полюсов, которые необходимо иметь для получения стандартной частоты тока при малых оборотах ветродвигателя.

В ветроэнергетической установке отсутствует устройство для торможения установки при сильном ветре.

При использовании для теплоотвода в цилиндрических электрических машинах жидкости увеличиваются потери на трение между вращающимся валом и жидкостью, что приводит к снижению КПД машин [2].

Во время холодного времени года отсутствует дополнительный предварительный подогрев двигателя внутреннего сгорания, что осложняет его пуск.

В ветроэнергетической установке отсутствует устройство для торможения установки при сильном ветре.

Известна торцовая электрическая асинхронная машина [3], имеющая кольцевые магнитопроводы статора и ротора, базовый щит статора с установленными в нем опорным стаканом, полым цилиндром, охватывающим базовый щит статора.

Известная электрическая машина имеет недостатки, а именно невозможность полезно использовать теплоту, выделяемую ее теплонесущими элементами, что уменьшает коэффициент полезного действия машины.

Заявленное изобретение решает задачу повышения коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки за счет утилизации теплоты, выделяемой при работе синхронных электрических машин.

Его отличительными признаками по отношению к наиболее близкому аналогу [1] являются следующие изменения в конструкции установки: во-первых, подключение к контуру тепловой сети, связанному с потребителем, теплообменников-утилизаторов отбросной теплоты от синхронной электрической машины с приводом от двигателя внутреннего сгорания и синхронной электрической машины с приводом от ветродвигателя; во-вторых, применение синхронного генератора с приводом от ветродвигателя торцовой формы исполнения вместо традиционной цилиндрической; в-третьих, применение совмещенного тормозного устройства для торцовой синхронной электрической машины и ветродвигателя.

Решение технической задачи достигается за счет того, что в ветроэнергетической установке для совместной выработки электрической и тепловой энергии, содержащей инвертор, выпрямитель, автоматические выключатели, аккумуляторную батарею, электрическую и тепловую сети, двигатель внутреннего сгорания, ветродвигатель, синхронную электрическую машину с приводом от ветродвигателя, синхронную электрическую машину с приводом от двигателя внутреннего сгорания, электрический котел, тепловой аккумулятор, запорно-регулирующую аппаратуру, датчики электрической и тепловой нагрузок, систему автоматического управления, теплообменники-утилизаторы двигателя внутреннего сгорания и электрического котла, синхронная электрическая машина с приводом от ветродвигателя имеет торцовую форму исполнения и снабжена тонкостенной диафрагмой, опирающейся на рабочую поверхность магнитопровода статора, а также на кольцевой выступ на внутренней стороне полого цилиндра и на внешний кольцевой выступ опорного стакана, запрессованного в базовый щит статора, и образующей вместе с полым цилиндром, опорным стаканом и базовым щитом статора две герметизированные полости, каждая из которых выполнена с разделительной перегородкой, причем обе полости снабжены входным и выходным патрубками, заполнены жидкостной средой и соединены трубопроводом с циркуляционным насосом и теплообменником-утилизатором, образуя контур отвода теплоты от электрической машины, при этом вторичный контур теплообменника-утилизатора соединен с внешней тепловой сетью потребителя; синхронная электрическая машина с приводом от двигателя внутреннего сгорания, имеющая обмотку статора с водяным охлаждением, соединена трубопроводом с насосом и теплообменником-утилизатором таким образом, что образует контур отвода теплоты от электрической машины; вторичный контур теплообменника соединен с внешней тепловой сетью потребителя; тормозное устройство ветроустановки содержит ряд симметрично расположенных тормозов; опорное кольцо каждого размещено на кольцевом выступе, расположенном на внутренней стороне полого цилиндра; на нем закреплены корпус с катушкой и тормозная пружина, охватывающая якорь тормоза, один конец которой поджат к опорному кольцу, а другой прижат к внутренней поверхности наружной части якоря, и удерживается от бокового смещения цилиндрической втулкой.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан общий вид предлагаемой торцовой синхронной электрической машины в разрезе.

На фиг.2 - общий вид электромагнитного тормоза в разрезе.

На фиг.3 - принципиальная схема ветроэнергетической установки для совместной выработки электрической и тепловой энергии.

Синхронная электрическая машина 39 ветроэнергетической установки с приводом от ветродвигателя 40 содержит базовый щит 1, на котором неподвижно закреплен кольцевой плоский магнитопровод статора 2, выполненный из плоско намотанной ленты с трехфазной обмоткой 3. В опорном стакане 4, соединенном неподвижно с базовым щитом 1, установлены два подшипника, при этом один из них 5 выполнен радиальным для восприятия радиальной нагрузки, а другой 6 радиально-упорным для восприятия радиальной и аксиальной нагрузок. Внутренние кольца подшипников 5 и 6 охватывают вал ротора 7, а их наружные кольца упираются во внутренние кольцевые выступы 8 и 9 и распорную гильзу 27. Выступающий конец вала 7 служит для соединения с ветродвигателем. Ротор машины выполнен в виде диска 10, который неподвижно закреплен на валу 7. На диске размещены постоянные магниты 11, которые либо закреплены непосредственно к диску 10, либо вставлены в специальные держатели, которые также прикреплены к диску 10. Внешней диаметральной поверхностью базовый щит 1 неподвижно соединен с полым цилиндром 12, на внутренней стороне которого размещен кольцевой выступ 13. На рабочей поверхности магнитопровода статора расположена тонкостенная диафрагма 14 из немагнитного материала. С одной стороны она опирается на кольцевой выступ 13 полого цилиндра 12, а с другой стороны - на кольцевой внешний выступ 15 опорного стакана 4. Тонкостенная диафрагма 14, полый цилиндр 12, базовый щит 1 и опорный стакан 4 образуют две герметичные полости 16 и 18, каждая из которых делится на две части перегородками 17 и 19. Каждая полость снабжена выходными 20 и 21 и входными 22 и 23 отверстиями, служащими для отвода и подвода жидкостной охлаждающей среды.

Внешняя герметичная полость электрической машины 16 через входной и выходной патрубки 20 и 22 и внутренняя герметичная полость 18 через входной и выходной патрубки 23 и 21 соединены трубопроводом 36 с циркуляционным насосом 24 и теплообменником-утилизатором 25 и заполнены охлаждающей средой, образуя контур отвода теплоты от электрической машины. Внешний потребитель тепловой энергии 26 связан с теплообменником-утилизатором 25 трубопроводом 37 и заполнен теплоносителем, образуя контур потребления утилизируемой теплоты.

Тормозное устройство 28 содержит тормозную накладку 29, закрепленную на диске ротора 10, и якорь 30, выполненный в виде Т-образной фигуры, установленный с возможностью перемещения вдоль стакана 31. Тормозная пружина 33 охватывает якорь тормоза таким образом, что ее один конец поджат к опорному кольцу 32, а другой конец прижат к внутренней поверхности якоря. Якорь удерживается от осевого смещения стаканом 31. На опорном кольце закреплен корпус 34 с тормозной катушкой 35. В обесточенном состоянии синхронной машины якорь 30 прижат к тормозной накладке 29 пружиной 33. С целью защиты электрической машины от попадания дождя, грязи и т.д. предусмотрен кожух 38, закрепленный на выступающем конце вала 7.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Для совместной выработки электрической и тепловой энергий двигатель внутреннего сгорания 42 приводит во вращение синхронную электрическую машину 41. При работе двигателя внутреннего сгорания происходит утилизация отбросного тепла наддувочного воздуха, смазочного масла, охлаждающей жидкости и отработавших газов посредством теплообменников- утилизаторов 43-46.

Синхронная электрическая машина 41 представляет собой типовую закрытую машину, снабженную замкнутой системой водяного охлаждения, содержащей пристроенный теплообменник-утилизатор 47 и насос 49, служащий для циркуляции воды. Контур отвода теплоты заполнен теплоносителем и связан трубопроводом 48 с внешним потребителем тепловой энергии 26.

Синхронная электрическая машина 39 с приводом от ветродвигателя 40 работает следующим образом. При подключении к сети в тормозных катушках протекает ток, под действием которого якорь, преодолевая действие тормозной пружины, втягивается и растормаживает ротор.

При вращении ротора за счет постоянных магнитов в трехфазной обмотке статора наводится ЭДС переменного тока. Если обмотка статора замкнута на сопротивление нагрузки, в обмотке статора возникает ток нагрузки.

При отключении тормозной катушки от сети исчезает магнитный поток, удерживающий якорь в рабочем состоянии. Вследствие этого пружина вызывает смещение якоря в сторону тормозной накладки. При этом происходит остановка синхронного электрического генератора, а следовательно, и ветроустановки.

Предлагаемая ветроэнергетическая установка имеет улучшенные энергетические и технико-экономические показатели и может быть использована для гарантированного электропитания потребителей с одновременной выдачей тепловой энергии.

Заявитель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (Орел ГТУ).

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2171913⁽¹³⁾ C1, МПК⁷ F03D 9/00. Ветроэнергетическая установка. Сайданов В.О., Агафонов А.Н. и др. 2000.

2. Токарев Б.Ф., Морозкин В.П., Тодос П.И. Двигатели постоянного тока для подводной техники. М., "Энергия", 1977, с.184.

3. Патент Российской Федерации №2249293⁽¹³⁾ C1, МПК⁷ Н02К 17/16. Торцовая электрическая асинхронная машина. Загрядцкий В.И., Савескул А.И. 2005, бюл. №9.

Изобретение относится к отраслям энергетики, электротехники, машиностроения, в которых осуществляется совместное производство электрической и тепловой энергии. Ветроэнергетическая установка для совместной выработки электрической и тепловой энергии содержит инвертор, выпрямитель, автоматические выключатели, аккумуляторную батарею, электрическую и тепловую сети, двигатель внутреннего сгорания, ветродвигатель, синхронную электрическую машину с приводом от ветродвигателя, синхронную электрическую машину с приводом от двигателя внутреннего сгорания, электрический котел, тепловой аккумулятор, запорно-регулирующую аппаратуру, датчики электрической и тепловой нагрузок, систему автоматического управления, теплообменники-утилизаторы двигателя внутреннего сгорания и электрического котла. Синхронная электрическая машина с приводом от ветродвигателя имеет торцовую форму исполнения и снабжена тонкостенной диафрагмой, опирающейся на рабочую поверхность магнитопровода статора и образующей вместе с полым цилиндром, опорным стаканом и базовым щитом статора две герметизированные полости. Синхронная электрическая машина с приводом от двигателя внутреннего сгорания имеет обмотки статора с водяным охлаждением. Тормозное устройство ветроустановки содержит ряд симметрично расположенных тормозов. Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия за счет утилизации теплоты, выделяемой при работе синхронных электрических машин. 3 ил.

Ветроэнергетическая установка для совместной выработки электрической и тепловой энергии, содержащая инвертор, выпрямитель, автоматические выключатели, аккумуляторную батарею, электрическую и тепловую сети, двигатель внутреннего сгорания, ветродвигатель, синхронную электрическую машину с приводом от ветродвигателя, синхронную электрическую машину с приводом от двигателя внутреннего сгорания, электрический котел, тепловой аккумулятор, запорно-регулирующую аппаратуру, датчики электрической и тепловой нагрузок, систему автоматического управления, теплообменники-утилизаторы двигателя внутреннего сгорания и электрического котла, отличающаяся тем, что синхронная электрическая машина с приводом от ветродвигателя имеет торцевую форму исполнения и снабжена тонкостенной диафрагмой, опирающейся на рабочую поверхность магнитопровода статора, а также на кольцевой выступ на внутренней стороне полого цилиндра и на внешний кольцевой выступ опорного стакана, запрессованного в базовый щит статора, и образующей вместе с полым цилиндром, опорным стаканом и базовым щитом статора две герметизированные полости, каждая из которых выполнена с разделительной перегородкой, причем обе полости снабжены входным и выходным патрубками, заполнены жидкостной средой и соединены трубопроводом с циркуляционным насосом и теплообменником-утилизатором, образуя контур отвода теплоты от электрической машины, при этом вторичный контур теплообменника-утилизатора соединен с внешней тепловой сетью потребителя, синхронная электрическая машина с приводом от двигателя внутреннего сгорания, имеющая обмотки статора с водяным охлаждением, соединена трубопроводом с насосом и теплообменником-утилизатором таким образом, что образует контур отвода теплоты от электрической машины, вторичный контур теплообменника соединен с внешней тепловой сетью потребителя, тормозное устройство ветроустановки содержит ряд симметрично расположенных тормозов, опорное кольцо каждого размещено на кольцевом выступе, расположенном на внутренней стороне полого цилиндра, на нем закреплены корпус с катушкой и тормозная пружина, охватывающая якорь тормоза, один конец которой поджат к опорному кольцу, а другой прижат к внутренней поверхности наружной части якоря и удерживается от бокового смещения цилиндрической втулкой.