Ветроэнергетическая модульная установка комбинированного типа с применением молекулярных накопителей энергии и магнитных подшипников

Предлагаемая полезная модель относится к возобновляемым источникам энергии и предназначена для круглогодичного бесперебойного использования в индивидуальных фермерских хозяйствах и различных системах автономного электропитания объектов специального назначения. Основной задачей предлагаемой полезной модели является экономическая эффективность и надежность работы за счет унификации модулей-ветрогенератов, наращиваемых до трех блоков каждый по 5 кВт на одну опору (Фиг.2), что позволяет наращивать выходные характеристики простым увеличением числа модулей.

Диапазон рабочих оборотов ветродвигателя расширяется за счет переключения схем соединения обмоток статора генератора «звезда» и «треугольник».

Высокая надежность обеспечивается за счет повышения ресурса работы унифицированных модулей-ветрогенераторов, работающих на магнитных подшипниках при одновременном снижении шумности.

Применение молекулярных накопителей энергии (МНЭ) фарадного диапазона позволяет снизить энергоемкость аккумуляторных батарей (АБ) и продлить срок службы их в 2-3 раза за счет демпфирования импульсных нагрузок, которые «берет» на себя МНЭ, т.к. внутреннее сопротивление последнего на порядок меньше АБ. Особенно важным условием при этом становится режим бесперебойного электропитания ответственных потребителей.

При отсутствии ветра (скорость менее чем 1,5 м/сек) и наличии солнечной радиации подзаряд аккумуляторных батарей (АБ) осуществляется фотовольтаическими солнечными батареями (СБ).

С помощью оригинальных конструктивных решений обеспечивается повышение КПД вертикально-осевого ветродвигателя за счет применения внешнего направляющего каркаса, устраняющего вращающий момент в направлении, обратном рабочему, а также увеличивающего скорость ветра в зоне действия ротора ветродвигателя. (Фиг.1)

Область техники, к которой относится полезная модель

Предлагаемая полезная модель ветроэнергетической модульной установки комбинированного типа с применением молекулярных накопителей энергии (МНЭ) и магнитных подшипников относится к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) и переназначена для круглогодичного бесперебойного использования в индивидуальных фермерских хозяйствах и различных системах автономного электропитания объектов специального назначения.

Краткое описание чертежей

Устройство унифицированного модуля представлено на Фиг.1.

Обозначения к Фиг.1:

1 - ротор ветродвигателя;

2 - лопасти ротора;

3 - неподвижная внешняя направляющая.

На Фиг.2 схематично представлен общий вид ветроустановки.

Обозначения к Фиг.2:

1 - несущая опора установки;

2, 3, 4 - унифицированные модули.

На Фиг.3 представлена принципиальная схема электрической части ветроустановки.

На Фиг.4 представлена схема переключения режимов работы генератора.

Обозначения к Фиг.4:

Г - генератор;

U1, U2 - соответственно, начало и конец первой обмотки;

V1, V2 - соответственно, начало и конец второй обмотки;

W1, W2 - соответственно, начало и конец третьей обмотки;

K1, K2 - выключатели, управляемые контроллером;

А, В, С - выходные фазы электрической цепи.

Уровень техники

В модели используется вертикально-осевой ветродвигатель (Фиг.1) с повышенным КПД, благодаря применению неподвижной внешней направляющей (3), которая устраняет вращающий момент аэродинамических сил в направлении, обратном рабочему направлению вращения ротора (1), а также увеличивает скорость ветра в зоне действия ротора, одновременно выполняя роль силового каркаса модуля. Известно множество (RU2006669; RU 2006662) вертикально-осевых устройств (роторы Савониуса, Дарье, их производные и модификации и др.), но все они используют либо момент вращения, возникающий из-за разности коэффициентов сопротивления лопастей при их развороте по потоку или против него, либо момент вращения, возникающий при обтекании лопастей, имеющих в сечении форму крыла. В обоих приведенных принципах существует вращающий момент, направленный обратно основному направлению (отрицательный вращающий момент, снижающий КПД). Также известны конструкции, предназначенные для направления и ускорения воздушного потока, однако они либо не экранируют элементы ротора, при обтекании которых возникает отрицательный вращающий момент, либо работают по принципу флюгера, разворачиваясь по направлению движения потока, что нейтрализует основные преимущества вертикально-осевых устройств - отсутствие необходимости ориентации и утилизация порывов потока с любых направлений.

Раскрытие полезной модели

Предлагаемое устройство модуля ветроустановки (Фиг.1) позволяет одновременно использовать вращающие моменты:

1) от давления набегающего потока на лопасть (2) ротора (1) при наибольших углах атаки;

2) от подъемной силы, возникающей при обтекании лопасти ротора при наименьших углах атаки.

Ротор оснащен механизмом изменения угла атаки лопастей для ориентации их в потоке.

Предлагаемая полезная модель решает ряд задач:

- повышение срока эксплуатации основных изнашиваемых элементов;

- увеличение наработки на отказ / повышение надежность системы;

- улучшение экологической безопасности установки;

- увеличение эффективности использования энергии среды;

Техническим результатом является снижение себестоимости вырабатываемой энергии.

Применение внешней направляющей статической крыльчатки (Фиг.1) позволяет увеличить скорость протекания потока в рабочей области ветродвигателя и увеличить таким образом эффективность работы ротора с учетом увеличения суммарной сметаемой потоком площади. Одновременно, направляющая крыльчатка выполняет роль силового каркаса, позволяя соединять модули между собой, экранирует большую часть инфразвуковых колебаний, возникающих на кромках лопастей ротора от срыва потока, а также благодаря отсутствию сквозных просветов предотвращает возникновение мерцающей тени от вращающегося ротора - одного из препятствий размещения ветроустановок вблизи места жительства человека.

Применение магнитных подшипников в качестве опор вращающихся деталей позволяет увеличить безремонтный промежуток и срок эксплуатации механической части установки за счет отсутствия прогрессирующих механических разрушений при работе. Одновременно, применение магнитных подшипников снижает требования к точности установки ротора, снижая стоимость производства. Отсутствие механического контакта снижает шумность при работе установки и, следовательно, снижает шумовое загрязнение окружающей среды.

При отсутствии ветра (скорость менее, чем 1,5 м/сек) и наличии солнечной радиации подзаряд АБ осуществляется фотовольтаическими солнечными батареями (СБ), предотвращая глубокий разряд АБ.

Применение МНЭ фарадного диапазона (ПАТЕНТ 2182383) позволяет снизить потребную энергоемкость аккумуляторных батарей (АБ) и продлить срок службы их в 2-3 раза за счет демпфирования импульсных нагрузок. Особенно важным условием при этом становится режим бесперебойного электропитания ответственных потребителей.

МНЭ представляет собой «суперконденсатор», обладающий более низким внутренним сопротивлением и большей моментальной энергоотдачей, чем АБ, в следствие чего он принимает на себя пиковые нагрузки, защищая АБ от глубокого разряда и превышения допустимой максимальной силы тока. Таким образом, для питания приборов повышенной энергоемкости (например, повышенные токи на стартовых режимах трехфазных электродвигателей) при использовании МНЭ и СБ можно применять АБ более низкой емкости.

Для увеличения безремонтного срока службы генератора применяется безщеточный трехфазный генератор с возбуждением от постоянных редкоземельных «сильных» магнитов. В производстве трехфазных электрических машин применяются две основные схемы соединения фаз обмоток - «звезда» и «треугольник». При равной мощности, приложенной к валу генератора, статор, соединенный по схеме «треугольник», вырабатывает более высокую силу тока, но с меньшим, напряжением, а статор, соединенный по схеме «звезда», вырабатывает более низкую силу тока, но более высокое напряжение. Учитывая, что диапазон зарядных напряжений ограничен характеристиками АБ, при соединении по схеме «звезда» заряд АБ начнется при более низких оборотах вала генератора, когда напряжение, вырабатываемое генератором достигнет нижней границы зарядного диапазона напряжений АБ. Таким образом, применение схемы переключения обмоток генератора со «звезды» на «треугольник» позволяет расширить диапазон рабочих оборотов ветроустановки.

Заявленный технический результат достигается тем, что в конструкции применены: неподвижная внешняя направляющая, увеличивающая эффективность работы ротора модуля-ветродвигателя, МНЭ, магнитные подшипники, генератор с применением материалов, экранирующих магнитное поле, оснащенный механизмом переключения схем соединения обмоток «звезда»-«треугольник».

Осуществление полезной модели

Устройство унифицированного модуля в статическом состоянии представлено на Фиг.1.

Во время работы, неподвижная внешняя направляющая концентрирует поток в рабочей зоне, увеличивая скорость протекания в рабочей зоне (в соответствии с законом Бернулли) за счет сжатия струи, одновременно отклоняя струю в сторону той части лопастей, обтекание которых в текущий момент дает полезный крутящий момент. Ротор модуля под действием возникающих аэродинамических сил вращается, отнимая часть энергии у потока и передает крутящий момент на вал генератора.

Принцип работы электрической части предлагаемой полезной модели представлен на Фиг.3. Генератор преобразует энергию вращения вала в переменный электрический ток, который затем посредством выпрямителя преобразуется в постоянный ток и аккумулируется в АБ. За процессом зарядки и состоянием АБ следит контроллер заряда, при отсутствии ветра, использующий энергию, поступающую от СБ. Также, контроллер в зависимости от вырабатываемого генератором напряжения переключает схему соединения его обмоток «звезда»-«треугольник». Потребитель использует аккумулированную в АБ энергию через инвертор, преобразующий постоянное напряжение в переменное напряжение бытовой сети. При включении энергоемких потребителей, возникающие пиковые нагрузки обеспечиваются зарядом МНЭ, что предохраняет АБ от глубокого разряда, предотвращая ее преждевременный выход из строя.

1. Ветроэнергетическая модульная установка комбинированного типа, преобразующая горизонтальное движение воздушного потока во вращательное движение ротора для получения электрической или механической энергии из кинетической энергии потока и аккумулирующая полученную энергию для обеспечения бесперебойного питания потребителей, включающая батарею аккумуляторов с использованием молекулярных накопителей энергии, один или несколько унифицированных модулей, расположенных соосно на общей опоре в виде ротора, удерживаемого магнитными подшипниками, состоящего из множества расположенных по окружности лопастей постоянной толщины или имеющих в горизонтальном сечении форму крыла, установленных вертикально, изогнутых в сторону вращения, жестко закрепленных или оснащенных механизмом изменения угла атаки, генератора электрического тока, направляющей крыльчатки, состоящей из множества лопастей, плоских или изогнутых, установленных вертикально под некоторым углом к радиусу, предназначенной для увеличения скорости протекания среды через ротор и экранирования частей ротора, давление потока на которые создает тормозящий вращающий момент, а также несущей функции силового каркаса для установки в нем ротора и наращивания дополнительных модулей.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в конструкции применен генератор электрического тока, состоящий из статора с закрепленными на нем трехфазной системой обмоток и выпрямителем, ротора с постоянными редкоземельными магнитами, с применением магнитонепроницаемых материалов для концентрации магнитного потока, пересекающего обмотки статора.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что преобразование движения воздушной среды во вращательное движение вала генератора электрического тока происходит за счет аэродинамических сил, возникающих при обтекании потоком ротора модуля, состоящего из жесткого каркаса, множества лопастей, имеющих в сечении форму крыла, расположенных вокруг общей вертикальной оси, оснащенных механизмом изменения угла атаки в зависимости от направления потока относительно лопасти.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что для увеличения срока службы и уменьшения емкости аккумуляторных батарей применен молекулярный накопитель энергии фарадного диапазона, также обеспечивающий бесперебойное питание ответственных объектов.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что для повышения КПД и снижения шума применены магнитные подшипники.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что электронная автоматическая система управления позволяет осуществлять переключение обмоток электрического генератора от схемы «звезда» в более высоком напряжении при более низких оборотах к схеме «треугольник» при высоких оборотах.