УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРО- И ГИДРОГЕНЕРАТОРА Российский патент 2025 года по МПК F03D7/00 F03D9/25 H02P9/48 

Изобретение относится к ветроэнергетике и гидроэнергетике и предназначено для увеличения эффективности преобразования энергии вращения в электрическую энергию.

Устройство для повышения эффективности ветро- и гидрогенератора может быть использовано совместно с малооборотными генераторами в энергоустановках преобразования энергии ветра, течения воды, где необходимо наиболее полно и эффективно использовать энергию потоков небольших скоростей.

Из уровня техники известны изобретения, направленные на повышение эффективности использования ветрового потока за счет конструктивных изменений самих ветроэнергетических установок (ВЭУ). Это и установки ВЭУ на высоких дорогих матчах, и плавучая роторная ВЭУ, использование лопастей определенного типа (RU 2752748 C1, RU 2673021 С2) и прочие. Принцип действия таких изобретений основан на использовании естественного ветрового потока, основным недостатком которого является его нестабильность, а значит и нестабильность получаемой электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ.

Известен способ максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразования ее в электрическую энергию и устройство для его осуществления по патенту RU 2297549 С2, который реализуется торможением воздушного потока, с целью повышения потенциала напора воздуха в кинетическую энергию струй и приведения во вращение ротора электрогенератора, снабженного устройством управления внешней нагрузкой на генератор, а также совершением работы по преобразованию энергии потока в электрическую энергию, при этом отбор кинетической энергии потока воздуха осуществляют реактивной турбиной, а в качестве электрогенератора используют осевой синхронный многополюсный генератор электрического тока с внешним возбуждением, который выполнен осевым, синхронным и многополюсным с внешним возбуждением, установленным на платформе и кинематически связанным с турбиной через шкив ременной передачей, при этом устройство управления внешней нагрузкой на генератор снабжено датчиком измерения величины аэродинамического давления перед турбиной.

Недостатком данного способа является структурная неоднородность потока с переменными аэродинамическими характеристиками, поскольку движение воздуха в узком межлопаточном просвете становится вынужденно ламинарным, что приводит к потере мощности потока и естественно к снижению эффективности передачи мощности на вал турбины.

Недостатком устройства, реализующего данный способ является создание механического узла турбулизации потока в виде, например, перфорированной перегородки, сетки и т.п.после которой достигается турбулизация, что приводит к потери мощности потока через его прохождение через искусственный источник сопротивления, что также снижает эффективность отбора мощности из потока.

Из уровня техники известна ветроэлектростанция (RU 2231679 С2), содержащая энергоагрегат, имеющая воздушную турбину, механически связанную с генератором, турбинный конфузор, внешнюю оболочку, диффузор. Энергоагрегат снабжен, по крайней мере, двумя дополнительными радиально расположенными конфузорами, имеющими сужающиеся по ходу воздушного потока камеры его сжатия с образованием на выходе каждой из них кольцевого щелевого эжектора, а по оси энергоагрегата в его затурбинном пространстве расположен отражатель эжектирующих потоков, при этом лопасти турбины выполнены расширяющимися в сторону максимального диаметра турбины. Технический результат изобретения заключается в повышении мощности ветроэлектростанции, обеспечении независимости частоты вращения вала турбины от изменения скорости ветрового потока, обеспечении самоориентации ветроагрегата к ветру.

Известна свободнопоточная микрогидроэлектростанция (RU 105949 U1), содержащая несущую раму, на концах которой установлены конфузор и диффузор, электрогенератор, вал которого соединен непосредственно с секционированной гидротурбиной, чьи лопасти противоположно направлены, согласно полезной модели, лопасти и траверсы секционированной гидротурбины выполнены по гидродинамическим профилям, лопасти ориентированы по касательным к траектории движения, конфузор и диффузор выполнены двухступенчатыми таким образом, что угол внешнего конуса больше угла внутреннего конуса, а на несущей раме, имеющей жесткий замкнутый контур и аутригеры, размещено защитное устройство. Защитное устройство может быть выполнено в виде группы параллельных стержневых элементов, наклонно ориентированных и закрепленных на передней кромке несущей рамы. Технический результат заключается в повышении энергетических характеристик, а также обеспечении эффективной работы свободнопоточной микрогидроэлектростанции при малых скоростях водных потоков.

Недостатком предлагаемых решений является сложность конструкции и недостаточно высокий уровень выработки электроэнергии за счет использования энергии потоков небольших скоростей.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования энергии вращения в электрическую энергию. Технический результат достигается путем применения устройства, содержащего обмотку генератора, диоды, трансформатор, транзисторные ключи, подстроечный резистор, трансформатор тока, диодный мост, фильтр на конденсаторе, два подстроенных резистора, при этом обмотки генератора выполнены с возможностью выпрямления напряжения обмоток диодами и подачей на входы сигнального процессора, трансформатор коммутируется транзисторными ключами, через первый подстроечный резистор осуществляется обратная связь по напряжению, обратная связь по току, реализованная на трансформаторе тока, диодном мосте и фильтре на конденсаторе через второй подстроечный резистор поступает на вход сигнального процессора, где сигнал, соответствующий напряжению на генераторе, формируемый на входе, и сигнал, соответствующий току в нагрузке на другом входе, преобразуются в широтно-импульсный сигнал, осуществляющий управление транзиторными ключами.

Заявленное изобретение поясняется чертежами:

Фиг. 1. - Электрическая схема устройства

Фиг. 2. - Сравнительные характеристики коэффициента полезного действия генератора

Фиг. 3. - Сравнительные характеристики выходного напряжения генератора:

1 - обмотки генератора;

2 - диоды;

3 - сигнальный процессор;

4 - трансформатор;

5 - транзисторные ключи;

6 - подстроечный резистор R1;

7 - трансформатор тока;

8 - диодный мост;

9 - фильтр с конденсатором;

10 - подстроечный резистор R2.

Предложенное устройство включает обмотку генератора 1, напряжение которых выравниваются диодами 2, сигнальный процессор 3, трансформатор 4, транзисторные ключи 5, подстроечный резистор 6, трансформатор тока 7, диодный мост 8, фильтр на конденсаторе 9, два подстроенных резистора 10.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства.

Устройство работает следующим образом. Напряжение от обмоток генератора 1 выпрямляется диодами 2, поступает на сигнальный процессор 3 (вход 3.1 и 3.6), трансформатор 4, коммутируемый транзисторными ключами 5, а через подстроечный резистор 6 (вход 3.2) осуществляется обратная связь по напряжению. Обратная связь по току, реализованная на трансформаторе тока 7, диодном мосте 8 и фильтре на конденсаторе 9 через подстроечный резистор 10 поступает на сигнальный процессор 3 (вход 3.5), где сигнал, соответствующий напряжению на генераторе (вход 3.2), и сигнал, соответствующий току в нагрузке (вход 3.5) по определенному алгоритму преобразуются в широтно-импульсный сигнал. Управление транзисторными ключами (выходы 3.3 и 3.4) осуществляется сформированным широтно-импульсным сигналом.

Транзиторные ключи 5 осуществляют коммутацию цепи нагрузки. При размыкании цепи с катушкой, в которой проходит установившийся ток, такой ток в цепи с большой скоростью уменьшается до нуля и в катушке индуктируется большая ЭДС самоиндукции. ЭДС вызывает значительное увеличение электрического поля при переключении катушек индуктивности, а следовательно, и напряженности поля. В результате достигается увеличение коэффициента полезного действия генератора и выходного напряжения. Таким образом за счет устройства повышается эффективность преобразования энергии вращения в электрическую энергию путем использования эффекта самоиндукции электрического генератора.

Были проведены экспериментальные сравнительные исследования характеристик генератора с использованием устройства и без него.

Сам генератор подключался через выпрямитель к нагрузке, при этом в одном случае фазы, после выпрямления соединялись последовательно, в другом через предлагаемое устройство.

В качестве измерительных приборов использовался цифровой вольтметр и стрелочный амперметр. Велась видео фиксация испытаний так, чтобы в кадре одновременно находились приборы и вращающийся корпус генератора с меткой (для измерения скорости вращения). В дальнейшем каждый видеоролик обрабатывался, находились значения тока, напряжения и скорости вращения. По этим данным находились следующие параметры: механический момент на валу генератора, механическая мощность вращения, выходная электрическая мощность генератора, коэффициент полезного действия генератора. Результаты испытаний представлялись в виде графиков зависимости напряжения, коэффициента полезного действия от скорости вращения вала генератора (об/мин).

На фиг. 2 представлены графики, полученные по результатам испытаний. Графики представляют собой зависимость коэффициента полезного действия генератора от оборотов (об/мин) ротора генератора. В последнем случае также исследовались характеристики с использованием устройства и без него. Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что коэффициент полезного действия с использованием устройства существенно выше, нежели без него, но, в тоже время, отсутствовал эффект «залипания», хотя для страгивания требовалось большее усилие, так как коэффициент полезного действия существенно возрос.

На фиг. 3 представлены графики выходного напряжения генератора от оборотов ротора генератора. Видно, что использование устройства существенно увеличивается выходное напряжение генератора. Так, уже при достижении скорости вращения ротора генератора 51 об/мин, выходное напряжение равно 12 В., что достаточно для заряда аккумулятора (для варианта ВЭУ с 12-ти вольтовой аккумуляторной батареей).

Изобретение относится к ветро- и гидроэнергетике и предназначено для увеличения эффективности преобразования энергии вращения в электрическую энергию. Устройство содержит обмотку генератора, выполненную с возможностью выпрямления напряжения обмоток диодами и подачей на входы сигнального процессора. Диоды соединены со входом сигнального процессора и трансформатора. Первый подстроечный резистор подключен ко входам сигнального процессора. Трансформатор тока, диодный мост, фильтр подключены ко входу сигнального процессора через второй подстроечный резистор. Конденсатор, два выхода сигнального процессора соединены с транзисторными ключами. Техническим результатом является повышение эффективности преобразования энергии вращения в электрическую энергию. 3 ил.

Устройство для повышения эффективности ветро- и гидрогенератора, характеризующееся тем, что содержит обмотку генератора, выполненную с возможностью выпрямления напряжения обмоток диодами и подачей на входы сигнального процессора, диоды, соединенные со входом сигнального процессора и трансформатора, первый подстроечный резистор, подключенный ко входам сигнального процессора, трансформатор тока, диодный мост, фильтр, подключенный ко входу сигнального процессора через второй подстроечный резистор, конденсатор, два выхода сигнального процессора соединены с транзисторными ключами.