ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ПОТОКА Российский патент 2008 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к области ветро- и гидроэнергетики и может быть использовано для гарантированного автономного энергоснабжения потребителей, а также для энергосбережения при параллельной работе с энергосистемой.

Хорошо известны преобразователи энергии потока (ПЭП) в виде так называемых ветроколес и гидротурбин. КПД современных ветро- и гидродвигателей не превышает 45% (см., например, Л-1, стр.77-78).

Поэтому основными недостатками ветровых электростанций (ВЭС) является низкая эффективность ветродвигателя, его незначительная единичная мощность и требование резервирования мощности или аккумулирования энергии при переменной скорости вращения, а гидроэлектростанции (ГЭС) не могут работать при малых перепадах скоростного напора воды, требуют строительства высотных дорогостоящих гидротехнических сооружений (плотин) и затапливания больших площадей ценных культурных земель, что нарушает природное равновесие физико-географических систем, меняет климат, условия воспроизводства рыбного хозяйства и судоходства (Л-1, стр.96-100, Л-2, стр.8-9).

Несмотря на предложения многочисленных вариантов конструктивных и агрегатных решений ВЭС и ГЭС, их применение ограничено из-за несовершенства технологий, не решающих основных проблем использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии (Л-3, стр.48-52).

Наиболее близким техническим решением ПЭП (прототипом) может быть принят ветродвигатель с вертикальной силовой осью. Силовая ось соединена с электрогенератором и вращается вертикальными приемниками энергии (парусами), которые надеты на подвижные горизонтальные стержни, поворачивающиеся в подшипниках. При обратном ходе парусов против ветра их лобовое сопротивление уменьшается за счет поворота в горизонтальной плоскости на 90° вокруг стержней под действием направляющего диска, угловое положение которого определяется флюгером (Л-4, стр.4)

На двойной принудительный поворот плоскостей приемников энергии вокруг стержней затрачивается значительная доля работы активного участка, что делает такой преобразователь малоэффективным.

Целью изобретения является повышение эффективности преобразования кинетической энергии ветра и воды, снижение себестоимости и упрощение конструкции ВЭС и ГЭС, а также обеспечение ими гарантированного энергоснабжения потребителей в рамках расчетной энергоемкости установки.

Цель достигается полным отсутствием тормозящих моментов при вращении приемников энергии в любой фазе их движения, в том числе и против потока, а также применением электрического генератора, обеспечивающего стабильность частоты и напряжения электрического тока при переменной скорости вращения вплоть до полного останова.

Сущность изобретения заключается в том, что ПЭП выполнена в виде приемников энергии, жестко закрепленных на подвижных стержнях, которые вращают силовую ось, соединенную с электрогенератором. Синхронизация вращения плоскостей приемников энергии и силовой оси осуществляется планетарной передачей с передаточным числом 2:1 таким образом, что угловое положение плоскостей приемников энергии, силовой оси и направление потока взаимосвязано, вращающие моменты суммируются, а в качестве электрогенератора применена асинхронизированная синхронная машина, в которой возбудителем, механически не связанным с ней, но выполняющим все необходимые для ее работы структурные функции, служит выравниватель нагрузки по патенту РФ №2119708.

Проведенный патентный поиск показал отсутствие ПЭП с предлагаемой совокупностью признаков.

Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают ПЭП новые свойства, проявившееся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано обладающим существенными отличиями.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

- на фиг.1 показаны принципиальные конструктивные схемы вертикально-осевого (фиг.1а) и горизонтально-осевого вариантов ВЭС (фиг.1б) с восемью промежуточными положениями приемников энергии за один оборот силовой оси при виде с бока, а для вертикально-осевого - при виде сверху;

- на фиг.2 показана конструктивная схема ПЭП в применении к ГЭС, вид с бока (фиг.2а) и вид сверху (фиг.2б);

- на фиг.3 показана принципиальная электрическая схема электрического генератора.

ПЭП состоит из ветро- или гидродвигателя 1, электрического генератора 2, не связанного с ним механически возбудителя 3 и системы управления (СУ) 4.

Ветро- или гидродвигатель 1 (в дальнейшем двигатель) содержит два прямоугольных приемника энергии 5 в виде парусов, щитов, лопастей и т.д., жестко закрепленных на стержнях 6.

Стержни 6 сидят в опорно-упорных подшипниках, равноудаленных от силовой оси 0, на верхней и нижней траверсах 7 (фиг.1).

Траверсы 7 для ВЭС могут быть связаны между собой вынесенными за траекторию движения приемников энергии 5 стойками 8 или трансмиссией.

Для ГЭС достаточно одной верхней траверсы 7, как показано на фиг.2а.

Силовая ось О и оси вращения стержней 6 параллельны.

Силовая ось О двигателя 1 проходит через середину траверс 7 и снабжена трансмиссией (шкивом) 9 для передачи вращающего момента электрическому генератору 2 (фиг.1a) или напрямую соединена с его валом (фиг.2а).

В первом случае шкив 9 может опираться через подшипник 10 на неподвижную платформу 11 прочного фундамента.

На силовой оси О траверс 7 располагается центральное зубчатое колесо 12, жестко связанное с флюгером 13.

Функцию флюгера 13 может выполнять традиционная вертикальная плоскость (фиг.1а) или эксцентриковое подвижное закрепление 14 станины 15 на земле (фиг.1б) или на мачте.

В последнем случае (фиг.1б, фиг.2) центральное зубчатое колесо 12 жестко закрепляется на станине 15.

Центральное зубчатое колесо 12 связано непроскальзывающей передачей (цепью, зубчатым ремнем, шестернями-сателлитами) 16 с зубчатыми колесами 17, закрепленными на стержнях 6. При этом зубчатые колеса 17 имеют в два раза больше зубьев, чем колесо 12, т.е. передаточное число равно двум.

Исходное угловое положение приемников энергии 5, траверс 7 и зубчатых колес 12 и 17 устанавливается таким образом, чтобы один из приемников 5 располагался всей своей плоскостью строго перпендикулярно, а второй - параллельно к направлению потока, как показано на фиг.1 и 2 (положения 1 и 5).

Под действием потока приемник энергии 5, максимально выдвинутый за ось вращения О (положение 1 на фиг.1б), поворачивает одновременно силовую ось О, жестко закрепленную в плоскости траверс 7, вместе с закрепленными на стержнях 6 колесами 17 и непроскальзывающую передачу 16, которая обкатывает неподвижное относительно направления потока центральное колесо 12, обеспечивая жесткую взаимосвязь углового положения приемников энергии 5 и других подвижных частей с направлением потока.

Такая передача называется планетарной.

Приемник энергии 5 в своем движении по потоку плавно поворачивается в сторону, противоположную вращению силовой оси, как бы «меняет галс», проходит из положения 1 максимального вращающего момента через положения 2, 3 и 4 уменьшающихся вращающих моментов в положение 5, когда вращающий момент равен нулю, а другой приемник 5, находившийся в то время на другом конце траверс 7 в положении 5 нулевого вращающего момента, переходит через положения 6, 7 и 8 увеличивающегося вращающего момента в положение 1 максимального (фиг.1б).

Таким образом, оба приемника энергии 5 меняются местами за половину оборота силовой оси О, обеспечивая двигателю 1 суммарный малоизменяемый вращающий момент, равный максимальному одного, а за полный оборот силовой оси О каждый из приемников энергии 5 возвращается в свое исходное положение и т.д.

Движение приемников энергии 5 из положения 5 в положения 6, 7, 8 и исходное 1 происходит опять же по потоку, а не против, т.к. сторона плоскости приемника 5, воспринимающая давление потока, в положение 5 (фиг.1б) меняется на обратную, что равносильно смене направления потока на 180° и увеличению эффективности преобразования энергии в два раза.

Возможно симметричное расположение двух пар приемников энергии 5 на станине 15, подвижно закрепленной на эксцентрике или силовой мачте 14 с синхронизацией их вращения в противоположные стороны передачей вращающихся моментов на полезную нагрузку (фиг.2б).

Длина приемников энергии 5 оптимальна от одного расстояния между их стержнями 6, когда они не выходят за силовую ось О (фиг.2а и б), до 1,42 этого расстояния, когда они начинают мешать друг другу в положениях 3 и 7 (фиг.1б).

Увеличение числа пар приемников энергии 5 на одной силовой оси О в один ярус нецелесообразно, т.к. они экранируют друг друга в положениях, отличных от 1 и 5.

Защита двигателя 1 от шквальных порывов ветра (для ВЭС) может быть осуществлена ослабленным звеном непроскальзывающей передачи 16, например креплением одного звена срезаемым калиброванным болтом и незаметной в нормальном режиме несимметричностью приемника энергии 5 относительно закрепления на стержне 6 с тем, чтобы сорванные ветром приемники энергии 5 останавливались в положении флюгеров.

В принципе высокоэффективный двигатель 1 описанной конструкции может быть агрегатирован с электрическим генератором 2 любой известной конструкции. И если ПЭП работает на нагрузку, не требующую высокого качества электроэнергии, например нагрев воды для отопления, то целесообразно применить простейший синхронный генератор 2 переменного тока с возбуждением постоянными магнитами или самовозбуждением (Л-5, стр.11) без каких-либо регуляторов.

Как указывалось выше, целью изобретения является еще и обеспечение потребителей электроэнергией стандартного качества. Поэтому электрический генератор 2 ПЭП представляет собой асинхронизированную синхронную машину (АСМ), главным достоинством которой является стабильность частоты и напряжения при переменной скорости вращения вала двигателя 1.

Но АСМ известных конструктивных и электрических схем при ограниченном диапазоне изменения частоты вращения сложны и слишком дороги.

В принципе работа АСМ невозможна без преобразователей частоты (ПЧ), электромашинного источника энергии возбуждения и регуляторов напряжения. А их применение в АСМ известных конструкций проблематично из-за недостатков, связанных с наличием статического преобразователя частоты, управляемого выпрямителя, возбудителя в виде механически связанного с АСМ синхронного генератора, полупроводниковых регуляторов и фильтров высших гармонических составляющих напряжения и тока (Л-6).

В то же время уже существует многофункциональное недорогое и компактное устройство, называемое выравниватель нагрузки (ВН), не требующее обслуживания и обладающее свойствами преобразователя частоты, выпрямителя, регулятора напряжения, выключателя нагрузки, усилителя, источника энергии возбуждения и др. структурных составляющих АСМ, а главное - аккумулятора рекордной энергоемкости (Л-7).

Использование его по прямому назначению с питанием от генератора нестабильных параметров (частоты и напряжения) возможно, но предполагает преобразование всей вырабатываемой и потребляемой энергии, что завышает требуемую мощность ВН.

Более рациональным представляется использование ВН в качестве возбудителя АСМ, когда преобразуется только часть вырабатываемой ПЭП энергии - недостающая или, наоборот, избыточная по сравнению с потребляемой в данный момент времени.

Применение ВН по патенту РФ №2119708, разделяющего во времени процессы выработки и потребления энергии, и имеющего высокий КПД, перспективно со всех точек зрения.

Как известно, АСМ является машиной двойного питания со стороны ротора и со стороны статора (Л-6).

Структурная схема электрического генератора 2 ПЭП включает собственно генератор 2, состоящий из обмотки статора и фазного ротора с датчикам положения ротора 18, возбудитель 3, питающий обмотку ротора через контактные кольца К, и систему управления 4 (фиг.3).

Возбудитель 3 представляет собой безобмоточную систему генератор-двигатель (Г-Д) с супермаховиком, совмещенную с трехэлектродной электронной лампой (Л-7).

Для обеспечения стабильности выдаваемых параметров магнитное поле ротора генератора 2 должно вращаться относительно самого ротора с частотой ω_п=ω_с-ω_р (1),

где ω_с=60 f_c/ρ, а ρ - число пар полюсов генератора 2.

Используя параметр скольжения S, условие (1) можно представить в следующем виде: ω_п=ω_сS (2), где S=(ω_с-ω_р)/ω_с.

Скольжение S может меняться как по величине, так и по знаку. В соответствии с изменениями S возбудитель 3 должен обеспечивать изменение величины и знака ω_п.

Таким образом, закон управления (2) остается общим и единственным для всех АСМ и заключается в обеспечении питания ротора генератора 2 с частотой скольжения.

Но генератору 2 присущи свои особенности, имеющие существенный характер.

Во-первых, благодаря свойству накапливания электроэнергии достигается принципиальная независимость параметров выдаваемой электроэнергии от скорости вращения вала двигателя 1. Следует заметить, что известные АСМ таким свойством не обладают, т.к. диапазон изменения частоты вращения приводного двигателя более -0,25<S<+0,25 практически трудно достижим, (теоретически -0,5<S<+0,5) и в принципе ограничен наличием «жесткой» связи (зависимости) параметров источника энергии возбуждения от скорости вращения вала первичного двигателя.

Во-вторых, благодаря полной управляемости возбудителя 3 как выпрямителя, инвертора, преобразователя частоты, регулятора напряжения и усилителя мощности схема управления существенно упрощается (см. фиг.3).

Из этого следует, что при отсутствии скольжения, когда ω_р=ω_c, магнитное поле ротора неподвижно относительно самого ротора и вращается вместе с ротором с частотой ω_с=60 f_c/ρ, а обмотки ротора в генераторе 2 обтекает постоянный ток, как в синхронном генераторе. По величине он составляет только 5÷10% от тока полной нагрузки генератора.

На фиг.3 приведен пример исполнения принципиальной схемы управления генератором 2 при его параллельной работе с сетью.

Для этого случая задатчиком частоты ЗЧ является сама сеть, а датчик положения ротора ДП выполнен в виде синхронной машины с вращающимся постоянным магнитом 18, т.е. система управления 4, задатчик частоты 19 и датчик положения ротора ДП объединены.

В общем же случае для управления возбудителем 3 как преобразователем частоты необходим датчик частоты вращения ротора 18, задатчик частоты 19 и система управления 4, обеспечивающая коммутацию силовых цепей возбудителя 3 с частотой, пропорциональной скольжению.

Система управления 4 представляет собой распределитель импульсов, подаваемых на сетку трехэлектродной электронной лампы, как разности частоты напряжения источника и частоты коммутации.

Если в качестве источника энергии для системы управления 4 используется синхронная машина, ротор которой жестко связан с ротором генератора 2 и число пар полюсов ДП и генератора 2 одинаково, то частота напряжения синхронной машины пропорциональна частоте вращения ротора ω_р, и при частоте коммутации f_к=f_c, равной частоте напряжения синхронной машины f_c, частота напряжения на выходе системы управления 4 определится как ω_п=ω_с-ω_р=ω_сS.

Значит, система управления 4 выполняет функции элемента сравнения, автоматически формирующего на выходе напряжение ротора Up с частотой скольжения S.

Система автоматического регулирования напряжения 20 первой ступени только меняет величину этого импульса в функции от величины напряжения сети. Вторая ступень регулирования напряжения генератора 2 уже относится к изменению магнитного потока ротора током возбуждения самого возбудителя 3 как усилителя мощности.

Таким образом, предлагаемый ПЭП более эффективно использует кинетическую энергию потока воды или ветра, работает на любых перепадах скоростного напора, не меняет условий воспроизводства рыбного хозяйства и судоходства и обеспечивает гарантированное качество электроэнергии как в автономном режиме, так и при параллельной работе с сетью.

Использованная литература

1. Энциклопедический словарь юного техника, Москва, Педагогика, 1980 г.

2. Журнал "Изобретатель и рационализатор" №5, 1977 г.

3. Галич В.Ф. Ветроэнергетические станции. Результаты эксплуатации и перспективы развития. Промышленная энергетика, 1993 г., №4.

4. Заявка Франции №2396878, кл. F03D 3/06, 1979 г.

5. Электрические машины ч.II, М.П.Костенко и Л.М.Пиотровский, Энергия, 1965 г.

6. Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные синхронные машины. Москва, Энергоатомиздат, 1984 г.

7. Патент РФ №2119708, кл. 6 H02J 3/30, 15/00, H02K 31/00, 13/00, 25/00, 1997 г.

Изобретение относится к области ветро- и гидроэнергетики и может быть использовано для гарантированного автономного энергоснабжения потребителей. Преобразователь энергии ветра или воды выполнен в виде приемников энергии, жестко закрепленных на подвижных стержнях, которые вращают силовую ось, соединенную с электрогенератором. Синхронизация вращения приемников энергии и силовой оси осуществляется планетарной передачей в соотношении 2:1. В качестве электрогенератора применена асинхронизированная синхронная машина, в которой возбудителем служит выравниватель нагрузки в виде безобмоточной системы генератор-двигатель с супермаховиком, совмещенной с трехэлектродной электронной лампой. Технический результат: повышение эффективности преобразования энергии ветра и воды, упрощение конструкции гидро- и ветроэнергетических станций и снижение их себестоимости, обеспечение гарантированного энергоснабжения потребителей в рамках расчетной энергоемкости установки. 3 ил.

Преобразователь энергии потока, содержащий приемники энергии, надетые на подвижные стержни, которые вращают силовую ось, соединенную с электрогенератором, отличающийся тем, что синхронизация вращения приемников энергии и силовой оси выполнена планетарной передачей соотношением 2:1, а в качестве электрогенератора применена асинхронизированная синхронная машина, в которой возбудителем служит выравниватель нагрузки в виде безобмоточной системы генератор-двигатель с супермаховиком, совмещенной с трехэлектродной электронной лампой.