1463
.pdfкоторые используются в качестве рабочих. В дополнение к существующему комплекту устанавливаются поперечные магнитопроводы, набранные из полос электротехнической стали.
Данная конфигурация стягивается болтами 9 вместе с возбуждающими элементами – постоянными магнитами или обмотками возбуждения с сердечниками. Боковые участки 13 могут иметь запилы, приближающие их форму к цилиндрической, для лучшего магнитного контакта с роторными вставка-
ми 11.
Достоинством данного генератора является высокая технологичность, обусловленная использованием штатного статора с обмотками, а также простых и технологичных элементов – магнитопроводов 7 и постоянных магнитов.
41
Ветроэлектрогенераторная установка работает следующим образом. Под воздействием набегающего потока воздуха ветроколеса с лопастями 1 приходят во вращение 5. Установка на ветер осуществляется с помощью хвоста (стабилизатора) 7. При вращении роторные элементы 4 периодически вступают в магнитную связь со статорным элементом 5 с левой и правой его сторон. При этом периодически коммутируется магнитная цепь: постоянный магнит 8 – скоба 9 – горизонтальные участки 11 – вертикальный участок 12 – сердечник 14 –наконечник 16. Колебания магнитного потока при этом воспринимаются катушкой В. Наведенная ЭДС передается далее по проводам к выпрямительной или преобразовательной установкам (на чертеже не показаны). Для минимизации воздушного зазора и соответственно уменьшения массы и габаритов статорного и роторных элементов крепящий постоянный магниты 8, бандаж 10 (выполненный в виде проволочной обмотки или П- образной стяжки с резьбой на концах) при вращении попадает в прорезь 15, ориентированную вдоль горизонтального участка бандажа (рис. 2.2.8). Такое исполнение позволяет исключить выступающий участок бандажа из активного воздушного зазора между статорным и роторным элементами.
Уменьшенный воздушный зазор, кроме уменьшения массы и габаритов, обеспечивает минимизацию стоимости ветроэлектрогенераторной установки, а возможность использования усиленного бандажа повышает надежность устройства.
Имеется надобность в разработках, направленных на уменьшение массы и габаритов ветрогенератора, обеспечение устойчивости к порывам ветра.
Это достигается тем, что сегментные элементы снабжены двумя вращательными парами, причем первая вращательная пара каждого элемента установлена на торце лопасти, а вторая пара – на дополнительном стержне, а последний расположен в продольном канале лопасти и закреплен на валу, а между сег-
42
ментным элементом и лопастью установлена замыкающая пружина.
Достижение технического результата обусловлено созданием силового параллелограмма, обеспечивающего параллельное относительно потока перемещение сегментного элемента, что исключает задевание о сегментный статор.
Сущность предложения иллюстрируется чертежом, на рис. 2.2.9, 2.2.10, 2.2.11, 2.2.12, 2.2.13: рис. 2.2.9 – ветроагрегат (вид спереди); рис. 2.2.10 – лопасть с концевым сегментным элементом в увеличенном масштабе (вид сверху), при минимальной скорости ветра, направление ветра - снизу вверх; рис. 2.2.11 – лопасть с концевым сегментным элементом в увеличенном масштабе (вид сверху), но отклоненная под воздействием ветрового потока; рис. 2.2.12 – вид в торец лопасти с сегментным элементом, основные детали изображены пунктиром; рис. 2.2.13 – увеличенный размер лопасти с продольным каналом.
2.3. ВЕТРОВЫЕ ПЛОТИНЫ С САМООРИЕНТАЦИЕЙ НА ВЕТЕР И БУРЕВОЙ ЗАЩИТОЙ
Рассмотрим две установки: базовую и адаптивную. Ветроэнергетических установок создано великое множество. ВЭС, изобретенная сравнительно недавно (по а.с. № 1409774, приоритет от 08.12.86) отличается широким диапазоном скоростей используемого ветра. Дело в том, что спроектировать ветрогенератор на определенную скорость ветра несложно, но ветер, как известно, отличается большим непостоянством, как скоростей, так и направлений. Кроме того, требуется защита установки от редко, бывающих, хотя и редко, сильных порывов ветра. Данные условия учтены в новой конструкции. Для снижения минимальной скорости ветра, при которой ветрогенераторы дают энергию, установка выполнена модульной, т. е. состоящей из нескольких ветрогенераторов сравнительно малой мощности. Минимальный «Квант» мощности (5 Вт) получается при использовании самого малого генератора. Если их, на-
43
пример, 100 штук, то общая мощность составит половину киловатта. Таким образом заказчик может сам выбрать то значение мощности установки, которое ему необходимо, т.е. количество генераторов. Все генераторы разделены на две группы, каждая из которых установлена на своей раме. Рамы соединены между собой под углом и связаны с опорой в месте соединения. Таким образом достигается выполнение сразу двух дополнительных функций. Первая – обеспечивается самоориентирование установки на ветер без применения каких-либо направляющих устройств типа рулей. Вторая – обеспечивается «складывание» установки, т.е. каждой скорости ветра теоретически соответствует «свой» угол установки рам. Установка приобретает свойство саморегуляции своей ометаемой поверхности. При больших (аварийных) порывах ветра угол установки рам минимален, ометаемая площадь минимальна, что обеспечивает пропуск аварийного порыва с сохранением работоспособности. При слабых ветрах «крылья» установки распускаются во всю ширь, увеличивая тем самым площадь лобовой поверхности, ветра улавливается больше, производительность установки не снижается.
Таким образом, конечно в определенных пределах, стабилизируется мощность установки благодаря самоприспосабливаемости ее лобовой поверхности к скорости ветрового потока.
На рис. 2.2.14 представлена базовая ветроэнергетическая установка, вид спереди; на рис. 2.2.15 – (вид сверху).
Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо1, установленные на основании шарнирную опору 2 и круговую рельсовую направляющую 3 и расположенную на последней тележку 4. Установка дополнительно содержит две рамы 5 и 6, соединенные между собой под углом и связанные с опорой в месте соединения, дополнительные ветроколеса 7 и вторую тележку 8, причем все ветроколеса 1, 7 установлены на рамах 5, 6, а последние закреплены на тележках 4 и 8.
Установка работает следующим образом. При направлении ветра, отличном от направления оси симметрии установки,
44
на одну из рам действует большая фронтальная сила давления ветра, чем на другую. Неравенство сил вызывает появление вращающего момента относительно шарнирной опоры 2. Вся установка поворачивается до тех пор, пока не займет симметричное положение относительно потока.
На базе этой установки можно самостоятельно изготовить простейший трехмодульный ветроагрегат 30 Вт, 12 В.
Ветровая плотина может выполнять роль ветрозащитных полос и использоваться вместо них.
2.4. ГЕНЕРАТОРЫ С КОНТРРОТОРНЫМ ПРИВОДОМ
Рассмотрим три конструкции: две с разнесѐнными ветроколѐсами и одна с соосными.
Разработка направлена на уменьшение массы и габаритов ветрогенератора. Это достигается тем, что сегменты роторов генератора выполнены в виде возбуждающих элементов, которые установлены на концах штанг, а последние закреплены на концах лопастей двух ветроколѐс, которые расположены на одном основании, а между ними расположено третье ветроколесо с контрротором, который магнитосвязан с сегментами роторов, при этом на валах ветроколѐс установлены шкивы с гибкими связями.
Достижение технического результата обусловлено взаимно противоположным перемещением магнитопроводов роторов и контрроторов, что приводит к увеличению окружной скорости, кроме этого, поскольку имеется два комплекта роторов, энергоотдача соответственно увеличивается в два раза.
Сущность схемы иллюстрируется чертежом, на рис.
2.2.24, 2.2.25, 2.2.26, 2.2.27, 2.2.28, 2.2.29, 2.2.30: рис. 2.2.24 –
контрроторный ветрогенератор (вид спереди); рис. 2.2.25 – контрроторный ветрогенератор (вид сверху); 2.2.26 – возбуждающий элемент (вид спереди); рис. 2.2.27 – возбуждающий элемент (вид сверху); рис. 2.2.28 – вид на магнитную систему
45
контрротора спереди; рис. 2.2.29 – разрез по катушке; рис.2.2.30 – контрротор (вид сверху).
Ветроколѐса 4 (крайние) и 9 (центральные) снабжены шкивами, которые охватывают гибкие элементы 10 (цепи или зубчатые ремни). Крайние ветроколѐса закреплены во вращающихся узлах 11, а центральное - во вращающимся узле 12, который, кроме этого снабжѐн вращающемся токосъѐмом 13 типа ―токоотводящее кольцо - щѐтки‖, который известен и широко применяется для питания роторов асинхронных электродвигателей с фазным ротором. На валу центрального ветроколеса установлены шкивы 14, которые через гибкий элемент 10 связаны со шкивами 5 крайних ветроколѐс. Контрротор 15 более подробно представлен на рис. 2.2.28, 2.2.29, 2.2.30. На рис. 2.2.26, 2.2.27 подробно показана конструкция возбуждающих элементов 7 (роторов), которые укреплены на концах лопастей крайних ветроколѐс. В конце лопасти проделывается отверстие, в которое вставляется стер жень 16 с двумя диаметральными отверстиями. Собственно сам возбуждающий элемент представляет собой постоянный магнит 17, намагниченный по оси лопасти (рис. 2.2.34). К магниту примыкают: внутренний наконечник 18 и внешний наконечник 19. Оба наконечника и магнит стянуты подковообразной немагнитной стяжкой 20, концы которой проходят через диаметральные отверстия в стержне 16, на концах стяжки нарезана резьба и завинчены гайки 21. Для уменьшения аэродинамического сопротивления гайки частично утопленной в выполненных в лопасти гнѐздах 22. Аналогичная конструкция может быть выполнена и с электромагнитным возбуждением.
Достоинством ветроэлектрогенератора является наличие штанг, установленных на концах лопастей крайних ветроколѐс. Их применение позволяет увеличить окружную скорость взаимоперемещения активных элементов, но при этом сохраняется увеличенная угловая скорость свойственная ветроколѐсам уменьшенного диаметра. Применение шкивов с гибкими
46
связями незначительно утяжеляет агрегат, поскольку эти связи не носят силового характера, а предназначены только для синхронизации перемещения магнитопроводов контрротора и возбуждающих элементов сегментного электрогенератора контрроторного типа.
Вторая конструкция направлена на уменьшение массы и габаритов ветрогенератора.
Это достигается тем, что ротор и статор генератора выполнены в виде сегментов и установлены на концах лопастей двух ветроколѐс, а последние расположены на одном основании и снабжены гибкой связью, причем зона взаимодействия сегментов расположена между центрами вращения ветроколѐс.
Достижение технического результата обусловлено увеличением в два раза окружной скорости каждого ротора и статора за счет взаимодействия двух подвижных частей, каждая из которых укреплена на торцах лопастей, осуществляющих перемещение во взаимно противоположных направлениях.
Сущность разработки иллюстрируется чертежом, на рис. 2.2.31, 2.2.32, 2.2.33, 2.2.34, 2.2.35, 2.2.37: рис. 2.2.31 – ветро-
электрогенератор с находящимися друг напротив друга двумя подвижными парами полюсов; рис. 2.2.32 – вид сверху подвижных пар полюсов; рис. 2.2.33 – общий вид установки (вид спереди); рис. 2.2.34 – общий вид установки (вид сверху); рис. 2.2.35 и 2.2.36 показан вариант без промежуточных магнитопроводов с одним воздушным зазором, соответственно вид сверху и вид спереди.
Ветроэлектрогенератор содержит установленные на концах лопастей 1 двухсекционные катушки 2 с сердечниками 3, на торцах сердечников укреплены сегментные полюсные наконечники 4. Между взаимодействующими электромеханическими элементами (условно статором и ротором) расположены промежуточные магнитопроводы 5. Крепление элементов осуществляется болтом 6, проходящим в канале между секциями катушки и в магнитопроводе 3, который взаимодействует с гайкой 7, установленной в отверстии на конце лопасти.
47
Для лучшего замыкания потока имеется два сегмента 4 на каждом из торцов сердечника 3, которые соединены перемычкой
8.
48
Первый вариант ветроэлектрогенератора с двумя воздушными зазорами (рис.2.2.31, 2.2.32) предназначен для лопастей обычного типа, допускающих изгиб в плоскости вращения.
Второй вариант с одним зазором (рис. 2.2.35, 2.2.36) может быть использован с лопастями повышенной жесткости, когда изгиб не превышает величины зазора.
В качестве гибкой связи применяется или цепь, или зубчатый ремень, чтобы исключить проскальзывание ветроколѐс и стабилизировать зону взаимодействия сегментов ротора и статора, расположенную по середине между центрами вращения ветроколѐс (рис. 2.2.41, 2.2.42) зона полюсных наконечников 5.
Во втором варианте крепления (рис. 2.2.35, 2.2.36) болты 6 целесообразно выполнять немагнитными, или же выполнять немагнитным стержень 19. В первом варианте крепления (рис. 2.2.39, 2.2.40) этого не требуется, но катушку 2 необходимо выполнять двухсекционной для прохода крепѐжного болта
2.5. НЕКОТОРЫЕ АЭРОСТАТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
На чертеже (рис. 2.2.42) изображена схема ветроэлектрической установки. Ветроэлектрическая установка содержит аэростат 1, расположенный на основании генератор 2, торсионный трос 3, один конец которого шарнирно связан с аэростатом 1, а другой – с валом 4 генератора 2 и последовательно закрепленные на тросе 3 ветроколеса. Установка дополнительно содержит установленную на основании с возможностью горизонтального перемещения стойку 6 с цилиндрическим шарниром 7, охватывающим трос 3.
Ветроколеса 5 последовательно соединены между собой карданными шарнирами 8, причем вал верхнего ветроколеса 5 соединен с аэростатом 1 шарниром 9.
49
Работа ветроэлектрической установки происходит следующим образом.
Ветроколеса 5 соединяют между собой шарнирами 8, а также тросом 3 и шарниром 9 аэростата 1. Трос 3 разматывают и растягивают в прямую линию, свободный конец его пропускают через шарнир 7 и соединяют с валом 4 генератора 2 или мультипликатора. По окончании сборки оболочку аэростата 1 подключают к баллону со сжатым газом. После наполнения газом аэростат поднимается в воздух, увлекая за собой ветроколеса 5 и трос 3. достигнув горизонта с верхним течением, ветроколеса 5 начинают вращаться в потоке. Это вращение посредством троса 3 передается на вал 4 электрогенератора 2. Изменение высоты подъема и спуск конструкции на землю по окончании работы осуществляется посредством перемещения стойки 6 с цилиндрическим шарниром 7 вдоль троса 3 по горизонтали.
50