ветроэлектрический агрегат

Формула изобретения

1. ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ, содержащий многоярусное лопастное ветровое колесо с вертикальным валом, кинематически связанным с электрогенератором, нижнюю опору, фундамент и оттяжки, отличающийся тем, что фундамент выполнен с выступающей цилиндрической частью, а ветроагрегат снабжен бетонной опорной цилиндрической плитой, маховиком из магнитопроводного бетона, обмотками возбуждения, коаксиально установленными в маховике и в выступающей цилиндрической части фундамента, и накопителем энергии, при этом верхний конец вала установлен с возможностью вращения в бетонной опорной плите, соединенной оттяжками с фундаментом, а нижний конец вала закреплен в теле маховика, который размещен с возможностью вращения на фундаменте, а каждый ярус ветроколеса выполнен из четырех лопастей с тягами, последовательно соединенных между собой, и жесткой рамы, к каждому боковому ребру которой прикреплены тяги с образованием угла между плоскостью лопасти и радиусом, соединяющим центр вращения с точкой крепления тяги к раме, равного 120^o.

2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что рама каждого яруса башни и ветроколеса состоит из двух горизонтальных квадратных оснований из профиля швеллерного сечения из алюминиевого сплава, соединенных по углам четырьмя вертикальными стержнями, имеющими ушки для крепления тяг и оттяжек.

3. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что каждая лопасть ветроколеса выполнена в виде панели, состоящей из рамы прямоугольной формы, верхнее и нижнее основания каждой из которых образованы профилем швеллерного сечения, а боковые стороны и параллельное им ребро жесткости трубами обшивки и наполнителя, при этом углы рамы усилены косынками, а на основаниях рамы и одной из боковых труб закреплены ушки для тяг и на основаниях сделаны отверстия для болтовых креплений к лопастям соседних ярусов.

4. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что каждая из лопастей ветроколеса выполнена из бетона с малым удельным весом и заармированными в ее тело ушками для тяг, фланцами с отверстиями на основаниях для болтовых креплений к лопастям соседних ярусов.

5. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что снабжен ветрозащитными экранами, выполненными из бетона с малым удельным весом, установленными на боковых торцах каждого яруса, закрывающими половину плоскости каждого торца яруса и закрепленными на раме посредством боковых креплений.

6. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что углы рамы каждого третьего яруса связаны оттяжками с фундаментом.

7. Агрегат по пп.1 и 5, отличающийся тем, что снабжен направляющими рельсами, расположенными на основаниях рамы каждого яруса, и дополнительными ветрозащитными экранами, установленными на рельсах с обеспечением их возвратно-поступательного движения.

8. Агрегат по пп. 1 и 7, отличающийся тем, что снабжен дистанционным управлением для перемещения дополнительных ветрозащитных экранов и механизмом для его осуществления.

9. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что маховик выполнен в виде стакана и установлен днищем кверху коаксиально фундаменту с обмоткой возбуждения, заармированной в его тело, и с короткозамыкающими кольцами, открытыми для подвода тока.

10. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что фундамент выполнен из магнитопроводного бетона, в тело которого заармирована обмотка с короткозамыкающими кольцами, открытыми для подвода тока от внешнего источника, отвода выработанной электроэнергии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ветряным установкам для производства электрической энергии и наиболее эффективно может быть использовано для создания на протяжении всей береговой полосы Северного Ледовитого и Тихого Океанов и в полосе Джунгарских ворот (Казахская ССР) энергетических систем, составленных из агрегатов предложенного типа.

Наряду с широкоизвестными ветроагрегатами пропеллерного типа известен новейший ветроагрегат В. Е. Галкина с многоярусным ветроколесом, имеющим вертикальную ось вращения, на магнитной подушке, принцип действия которого основан на использовании комбинированного действия 3-х видов энергии энергии ветра, энергии магнитного поля, заключенной в магнитной подушке, и энергии вращающейся массы. Последний следует рассматривать как ближайший прототип предложенного технического решения.

Недостатками прототипа являются:

1. Неполное использование энергии ветрового напора, так как не нейтрализовано действие ветрового потока на неработающие в каждый отдельный момент лопасти, создающего тормозной крутящий момент, и не использовано действие сходящего с работающей лопасти ветрового потока на впереди идущую лопасть;

2. Потеря энергии при передаче крутящего момента с периферии маховика на валы электрогенераторов, снабженные катками;

3. Недостаточно надежная устойчивость башни, внутри которой помещено ветроколесо при большой ее высоте;

4. Отсутствие антиобледенительной защиты лопастей.

Цель изобретения увеличение KПД установки, повышение надежности в работе, обеспечение антиобледенительной защиты, что особенно важно при ее использовании в условиях Заполярья, и обеспечение возможности остановки агрегата в любой заданный момент.

Сущность изобретения состоит в следующем:

1. Каждая лопасть ветроколеса шарнирно установлена на колонке каркаса яруса таким образом, что поверхность колонны является головкой ее (лопасти) и выставлена под углом 120^о к радиусу, соединяющему центр вращения с точкой подвески;

2. Левая половина каждой стороны яруса башни при правом направлении вращения ветроколеса закрыта экранирующей панелью из легкого бетона; панели смежных ярусов состыкованы на строительном растворе и закреплены с помощью болтовых соединений на каркасе яруса; верхние углы каркаса каждого третьего яруса башни связаны с фундаментом обтяжками; на каждой стороне яруса предусмотрена дистанционно управляемая сдвижная створка;

3. Маховик ветроколеса, выполняющий назначение ротора электрогенератора и сердечника электромагнита имеет чашеобразную форму и установлен днищем кверху;

маховик содержит обмотку возбуждения типа "беличья клетка", заармированную в его массу таким образом, что короткозамыкающие кольца открыты для подвода тока от внешнего источника;

4. В основании башни содержится статор в виде цоколя из магнитопроводного бетона, выполняющий также назначение сердечника электромагнита, в котором установлены вращающийся центр и статорная обмотка типа "беличья клетка"; стержни обмотки могут быть заармированы в бетонной массе сердечника статора, а короткозамыкающие кольца открыты как для подвода тока от внешнего источника при пуске агрегата, так и для отдачи выработанной электроэнергии на супермаховик или непосредственно в энергосистему;

5. Лопасти ветроколеса покрыты токопроводящей краской с отрицательным температурным коэффициентом электросопротивления, красочная пленка может быть подключена к источнику электрического тока.

На фиг.1 изображена фронтальная проекция общего вида ветроэлектрического агрегата; на фиг.2 вид по стрелке А на фиг.1 на ветроэлектрический агрегат (в плане); на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1 ветроэлектрического агрегата; на фиг. 4 ярус ветроколеса в двух проекциях; на фиг.5 ярус башни в двух проекциях; на фиг.6 поперечное сечение В-В на фиг.5 яруса башни; на фиг.7 каркас яруса ветроколеса (фронтальная проекция); на фиг.8 поперечное сечение Г-Г на фиг. 7 каркаса яруса ветроколеса; на фиг.9 лопасть яруса ветроколеса в двух проекциях; на фиг.10 сечение Д-Д на фиг.9 лопасти яруса ветроколеса; на фиг. 11 выдвижная створка яруса башни в двух проекциях.

Ветроколесо агрегата содержит:

башню 1, установленную на бетонном фундаменте 2 и составленную из ряда установленных друг на друга и скрепленных между собой ярусов 3; левая половина каждой стороны яруса закрыта экранирующей бетонной панелью 4; устойчивость башни обеспечена оттяжками 5; в верхней части башни установлена балка 6, содержащая вращающийся центр 7;

ветроколесо 8 с вертикальной осью вращения, составленное из ярусов 9, установленных на маховике 10, изготовленном из магнитопроводного бетона и содержащем центровое гнездо 11 и обмотку возбуждения 12 типа "беличья клетка"; короткозамыкающие кольца 13 обмотки открыты для подведения электрического тока от внешнего источника; на верхнем ярусе ветроколеса установлена бетонная лита 14 с центровым гнездом 15;

сердечник статора 16 в виде цоколя, выполненный из магнитопроводного бетона, в массе которого заармирована обмотка 17 типа "беличья клетка", содержит вращающийся центр 18; короткозамыкающие кольца 19 обмотки открыты для подведения электрического тока от внешнего источника в момент пуска агрегата и отвода выработанной электроэнергии на супермаховик 20 или непосредственно в энергосистему; супермаховик установлен отдельно вблизи башни 1 и электрически связан с обмоткой 17 статора.

Башня 1 может состоять из одного или нескольких ярусов 3 в зависимости от ярусности ветроколеса 8.

Ярус башни состоит из сварного каркаса 21 и закрепленных на нем с помощью болтовых соединений четырех панелей 4; панели смежных ярусов состыкованы на строительном растворе (место стыка 22 см. на фиг.1). Каркас яруса собран из двух рам 23, состыкованных из стальных швеллеров трубчатых колонн 24, стальных косынок 25 и ребер жесткости 26. На верхней части каждой из колонн предусмотрены ушки 27 для крепления оттяжек 5.

На каждой стороне яруса башни установлена выдвижная створка 29, содержащая два плунжерных гидроцилиндра, которые могут быть подключены к гидросистеме и сообщать створке перемещения по направляющим рельсам, необходимые либо для открытия доступа ветровому потоку на лопасти ветроколеса, либо для укрытия доступа от воздействия ветрового потока. Подвод рабочей жидкости в рабочую полость гидроцилиндра предусмотрен через шток его посредством гидравлического шарнира. Выдвижная створка представляет собой раму, собранную из стальных профилей 30 швеллерного сечения; косынки 31 по углам рамы, придающие ей жесткость, кроме того образуют вилки для установки коле 32 для перемещения створки по направляющим рельсам 33, которые могут быть установлены на каркасе яруса. В средней части рамы параллельно большей ее стороне установлены и закреплены с помощью сварки две трубы 34. Конец верхней выступает из рамы справа, а конец нижней трубы слева. Трубы служат гильзами гидроцилиндров, штоки 35 которых шарнирно закреплены на ушках 28 колонн 24 каркаса башни. С наружной стороны рама зашита обшивкой 35. Трубы 34 и профили 20 связаны с обшивкой ребрами жесткости 38 и 36.

Ярус ветроколеса состоит из сварного каркаса 39 и четырех шарнирно установленных на последнем лопастей 40. Каркас яруса ветроколеса собран из двух рам 41, составленных из профилей алюминиевого сплава, трубчатых колонн 42, косынок 43 и ребер жесткости 44. Для шарнирного присоединения лопастей 40 к каждой колонне каркаса предусмотрено по два ушка 45; для шарнирного присоединения тяг 46 предусмотрены ушки 47. Лопасть яруса ветроколеса выполнена в виде панели, составленной из рамы заполнителя 48 и обшивки 49; рама в свою очередь составлена из двух профилей 50 швеллерного сечения и двух труб 51, образующих противоположные ее стоpоны, усилена промежуточной трубой 52, косынками и содержит ушки 54 на крайней левой трубе для присоединения к каркасу непосредственно и ушки 55 на верхнем и нижнем швеллерах 50 для присоединения к каркасу 39 через посредство тяги 45 (фиг.4). Не исключена возможность выполнения панели из легкого бетона с заармированными в его массу ушками для шарнирного присоединения к каркасу яруса ветроколеса и фланцами для присоединения к лопастям нижнего и верхнего ярусов. В целях обеспечения противообледенительной защиты лопастей ветроколеса, последние покрыты токопроводящей краской с отрицательным температурным коэффициентом электросопротивления. Красочная пленка может быть подключена к источнику электрической энергии. При прохождении тока через пленку красочного покрытия в нем вырабатывается тепло, которое нагревает поверхность лопасти и не позволяет образовываться на ней ледяному наросту.

В качестве токопроводящй краски применена термостойкая токопроводящая композиция ТТПК-4 по ТУ N 245-35, рецептура которой разработана в Проблемной лаборатории кафедры полимеров Института прикладной биотехнологии под руководством профессора В.E.Гуля.

Ветроэлектрический агрегат предложенной конструкции работает следующим образом.

В исходном положении агрегата ветроколесо 8 полностью закрыто от действия ветрового потока, вследствие того, что створка 29 полностью выдвинута из-за экранирующих панелей 4 ярусов башни.

Для пуска ветроэлектрического агрегата необходимо создать магнитную подушку между торцевыми поверхностями маховика 10 и цоколя 16 статора, что достигается путем подключения обмотки 12 (ротора) и 17 (статора) к внешнему источнику электроэнергии. Вслед за этим необходимо вывести монтажные брусья из-под маховика 10.

Включением насосной станции гидросистемы, обслуживающей ветроэлектрический агрегат, обеспечивается подача рабочей жидкости в полости нижних гидроцилиндров выдвижных створок 29, за счет чего последние будут отведены на экранирующие панели 4, что открывает доступ ветрового потока к лопастям 40 ветроколеса 8. Воздействуя на лопасти и отдавая им свою кинетическую энергию, ветровой поток приведет ветроколесо во вращение, за счет чего будет задействована энергия вращающейся массы маховика 10, установленного на магнитной подушке. Эта энергия имеет значительно большую величину, чем та, которая получена от ветрового потока. Выработанная при вращении ветроколеса электрическая энергия с короткозамыкающих колец 19 обмотки 17 сердечника статора 16 может быть отведена на супермаховик 20 или непосредственно в энергосистему. Для остановки ветроэлектрического агрегата необходимо выдвинуть створки 29, что обеспечит экранирование ветроколеса от ветрового потока. При этом монтажные брусья должны быть подведены под маховик 10, чтобы предохранить нижний вращающийся центр 18 от разрушения.