ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2015 года по МПК F03D9/02 

Изобретение относится к ветроэнергетике, именно к устройствам, работающим в условиях нестабильных ветровых потоков.

Известна ветроэнергетическая установка, включающая воздушный компрессор и резервуар (ресивер) как аккумулятор накопленной энергии сжатого воздуха с возможностью ее последующего использования. (Патент на изобретение RU, МПК F03D 9/02, №2010106, опубликовано 30.03.1994 г.)

Известна ветроэнергетическая установка, принятая за прототип, работающая в условиях нестабильного ветрового потока, включающая ветродвигатель (лопасти) на валу с узлом соединения с рабочей машиной, электропривод (пусковой двигатель) с изменяемой частотой вращения, электрогенератор, муфту свободного хода (обгонную муфту), блок управления (контроллер) с датчиками частоты вращения. (Патент на изобретение RU, МПК F03D 9/02, №2133873, опубликовано 27.07.1999 г.)

Недостатком всех известных устройств является невозможность отбора потенциально имеющейся ветровой энергии при малых скоростях потока, когда вращение лопастей и рабочей машины прекращается по причине равенства сил воздействия потока на лопасти и противодействия момента сопротивления рабочей машины.

Техническим результатом, на достижение которого ориентировано изобретение, является повышение коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки в условиях нестабильных ветровых потоков.

Технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей лопасти на валу с узлом соединения с рабочей машиной, электропривод с изменяемой частотой вращения, электрогенератор, обгонную муфту, контроллер, датчик частоты вращения лопастей, новым является то, что узел соединения вала лопастей с рабочей машиной выполнен в виде механического сцепления, автоматически управляемого контроллером, а электропривод выполнен как пусковой двигатель, оснащенный датчиком частоты вращения и соединенный через обгонную муфту с валом рабочей машины, причем контроллер обеспечивает включение и синхронизацию частоты вращения пускового двигателя с частотой вращения лопастей по достижении эмпирически заданной величины в режиме импульсного режима работы установки, а электрогенератор постоянно соединен с валом лопастей.

Ветроэнергетическая установка состоит из лопастей 1, соединенных через вал с рабочей машиной, выполненной в гондоле 2, поворотного механизма 3, соединяющего гондолу с мачтой 4, воздухопровода 5, соединенного через запорно-регулирующие элементы 6 с ресиверами 7 и пневмоэлектрогенератором 8. Рабочая машина представляет собой автоматизированный комплекс узлов и механизмов, позволяющий поддерживать работоспособность установки в непрерывном и импульсном режимах, она включает в себя соединенный с валом электрогенератор 9, связанный с аккумулятором 10 и пусковым двигателем 11, обгонную муфту 12, соединяющую пусковой двигатель с маховиком 13 и компрессорным элементом 14, который, в свою очередь, соединен с узлом механического сцепления 15, передающего вращение от лопастей. Установка оснащена датчиком направления ветра, датчиком частоты вращения лопастей и датчиком частоты вращения пускового двигателя. Автоматическое управление и переключение режимов работы осуществляется с помощью электро- и (или) пневмоприводов, управляемых контроллером с соответствующим программным обеспечением. Установка может быть оснащена известными механизмами поворота лопастей и торможения.

При этом конфигурация узлов установки в зависимости от конструкторской комплектации и решаемых задач может иметь различные решения, например параллельное выполнение вала лопастей с валом рабочей машины и (или) параллельное выполнение вала пускового двигателя.

Установка работает следующим образом. Гондола 2 за счет датчика направления ветра (не показано) и поворотного механизма 3 всегда ориентирована навстречу потоку. При этом лопасти 1 передают момент вращения через включенный узел механического сцепления 15 к компрессорному элементу 14 и маховику 13. Электрогенератор 9 через соответствующий электронный блок управления (не показан) поддерживает аккумулятор 10 в полностью заряженном состоянии, при этом аккумулятор кроме основной задачи может обеспечивать питание слаботочных блоков датчиков контроллера, заградительных огней, подсветки и т.п. От компрессорного элемента, который может быть выполнен как компрессорная пара, поршневой компрессор или иное техническое решение, сжатый воздух по воздухопроводу 5 в зависимости от решаемых задач путем коммутации запорно-регулирующих элементов 6 подается потребителю, нагнетается в ресиверы 7, направляется в пневмоэлектрогенератор 8. При критически высокой скорости ветра срабатывают защитные механизмы поворота лопастей и торможения (не показано). При уменьшении скорости потока и приближении ее к точке остановки вращения лопастей (определяется датчиком и соответствующим алгоритмом обработки информации) происходит размыкание механического сцепления 15. Нагрузка на валу с лопастей 1 снимается, и частота их вращения на холостом ходу увеличивается после стабилизации частоты, что также определяется датчиком и обрабатывается контроллером, включается пусковой двигатель 11, обгонная муфта 12 обеспечивает передачу вращения на вал с маховиком 13 и компрессорным элементом 14. После достижения частоты вращения на валу двигателя 11 равной, в данный момент, частоте вращения лопастей 1 срабатывает механизм сцепления 15, и сразу после этого отключается пусковой двигатель 11. Обгонная муфта 12 автоматически обеспечивает механическое отсоединение вала двигателя от вала компрессорного элемента.

В качестве пускового двигателя целесообразно применение коллекторного двигателя постоянного тока с высоким пусковым моментом, обеспечивающим набор необходимой частоты вращения в период одного или нескольких оборотов. В отдельных случаях оптимальным решением: пусковой двигатель - обгонная муфта, является применение готового автомобильного узла стартер - бендикс. Алгоритм синхронизации частот вращения лопастей и двигателя может быть осуществлен различными способами, например плавное увеличение частоты вращения двигателя до достижения частоты вращения лопастей или же пуск двигателя на эмпирически известной электрической мощности в зависимости от частоты их вращения.

Задачей работы установки в импульсном режиме является преобразование и накопление энергии, в сумме превышающей затраты на ее получение. При полном штиле или скорости ветрового потока, недостаточной для решения поставленной задачи, сцепление 15 находится в разомкнутом состоянии и лопасти имеют свободу вращения, на холостом ходу, без нагрузки на машину, по достижении интегрально приемлемой частоты вращения лопастей, определяемой датчиком и контроллером, включается пусковой двигатель, разгоняющий рабочую машину с маховиком до этой частоты, затем включается сцепление, и сразу же выключается двигатель, после чего установка некоторое время работает в активном режиме благодаря ветровому потоку и накопленной энергии момента инерции лопастей 1 и маховика 13. При снижении частоты вращения ниже расчетной цикл повторяется. Если же скорость потока увеличивается и интегрально достигает крейсерского уровня, установка автоматически переходит в непрерывный режим работы.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность работы ветроэнергетических установок в условиях нестабильных ветровых потоков, частично или полностью отказаться от использования экологически опасных и дорогих электрических аккумуляторных батарей, снизить себестоимость получаемой энергии.

Изобретение относится к ветроэнергетике, именно к устройствам, работающим в условиях нестабильных ветровых потоков. Ветроэнергетическая установка содержит лопасти на валу с узлом соединения с рабочей машиной, электропривод с изменяемой частотой вращения, электрогенератор, обгонную муфту, контроллер, датчик частоты вращения лопастей. Узел соединения вала лопастей с рабочей машиной выполнен в виде механического сцепления, автоматически управляемого контроллером. Электропривод выполнен как пусковой двигатель, оснащенный датчиком частоты вращения и соединенный через обгонную муфту с валом рабочей машины. Контроллер обеспечивает включение и синхронизацию частоты вращения пускового двигателя с частотой вращения лопастей по достижении эмпирически заданной величины в режиме импульсной работы установки, а электрогенератор постоянно соединен с валом лопастей. Техническое решение позволяет повысить эффективность работы ветроэнергетических установок в условиях нестабильных ветровых потоков, частично или полностью отказаться от использования экологически опасных и дорогих электрических аккумуляторных батарей, снизить себестоимость получаемой энергии. 1 ил.

Ветроэнергетическая установка, включающая лопасти на валу с узлом соединения с рабочей машиной, электропривод с изменяемой частотой вращения, электрогенератор, обгонную муфту, контроллер с датчиками частоты вращения лопастей, отличающаяся тем, что узел соединения вала лопастей с рабочей машиной выполнен в виде механического сцепления, автоматически управляемого контроллером, а электропривод выполнен как пусковой двигатель, оснащенный датчиком частоты вращения, и соединен через обгонную муфту с валом рабочей машины, причем контроллер обеспечивает включение и синхронизацию частоты вращения пускового двигателя с частотой вращения лопастей по достижении эмпирически заданной величины в режиме импульсного режима работы установки, а электрогенератор постоянно соединен с валом лопастей.