Изобретението се отнася до производство на електроенергия, по-специално до използване на вятърна енергия за генериране на електрическа енергия за отдалечен регион и за енергоснабдяване на местни и централизирани енергийни системи.

сергей

Няколко вида вятърни електроцентрали с хоризонтални и вертикални оси на въртене на ротори от витло, драм и роторен тип (

Робърт Гаш (Harsg.), Windkraftanlagen - B.G. Teubner, Щутгарт, 1993

). Въпреки това на практика се използват само винтови установки с три лопатки. Такива инсталации имат лопатки със сложен дизайн, скъп редуктор с голямо съотношение на редукция между вятърното колело и електрически генератор, самият генератор, компютър за управление на положението на лопатките и позициониране на колелото според посоката на въздушния поток. Поради голямото тегло на главата на вятърната електроцентрала, вятърното колело и лопатките, системата за управление не може да осигури правилна ориентация на колелото, когато вятърът бързо променя скоростта и посоката си. Постоянното несъответствие на позицията на острието и колелото и посоката и скоростта на вятъра води до коефициент на използване на вятърната електроцентрала не по-висок от 10-23%. Проекти на вятърни електроцентрали за използване на ветрове от всяка посока с вертикално положение на оси на въртене и лопатки на Дариеус (Robert Gash (Harsg.), Windkraftanlagen - B.G. Teubner, Stutgart, 1993) или лопатки Savonius ((

) са известни, но практически не се използват, тъй като е трудно да се зададе режимът им на работа.

Вятърна роторна електроцентрала е известна от патента

. Блоковете на централата включват модули, съдържащи цилиндрични ротори с обемно профилирани лопатки и подвижни насочващи устройства, регулирани спрямо посоката на вятъра от метеорологични лопатки. Два или повече генератора се използват за генериране на енергия, като споменатите генератори са свързани с вала на ротора чрез стартов съединител и механична трансмисия. Въпреки това е практически невъзможно оперативното управление на направляващия блок в многомодулния завод поради голямото му тегло. Следователно също така е невъзможно да се постигне висок коефициент на използване на вятърната енергия. Стартовият съединител и механичната трансмисия намаляват ефективността и правят станцията сложна и скъпа.

Вятърна роторна електроцентрала е известна от патента

. Растенията на електроцентралата се състоят от вятърни роторни блокове или модули, съдържащи цилиндрични направляващи апарати и вятърни ротори с вертикални лопатки, проектирани по формулата на Хелман и свързани към генераторна група. Такава централа обаче има и недостатъци. Диаметрите на направляващите апарати и роторите на модулите, както и броят на лопатките в роторите на модулите се променят съгласно формулата на Хелман, която не дава достатъчни резултати в реални условия и не включва множество условия на работа на вятърни електроцентрали в повърхностния слой въздушен поток.

Вятърна електроцентрала и вятърна електроцентрала са известни от патента

. Вятърната електроцентрала включва един или повече цилиндрични блока, разположени вертикално един след друг; всяка единица включва статор с вдлъбнато-изпъкнали пластини и ротор с вдлъбнато-изпъкнали лопатки, прикрепени към вертикалния вал, общ за всички възли; долният край на вала е свързан с ротора на генератор. Роторите имат постоянен външен диаметър във всички единици. Броят на блоковете във вятърна електроцентрала е от 1 до 50 в зависимост от височината на агрегата и условията на вятъра. Има пропуски с пръстеновидни конични екрани между блоковете на вятърна електроцентрала. Роторите на всички агрегати включват подобен брой лопатки.

Това техническо решение обаче има и някои недостатъци. Тъй като скоростта на вятъра е различна на различна височина над земята, мощността на агрегатите на вятърна електроцентрала на различни височини е различна. Мощността на блоковете, разположени в любовната част на централата, е любов и такива единици, свързани към общата шахта, могат да се въртят като вентилатори, задвижвани от горните блокове, намаляващи общата мощност на вятърната електроцентрала. Този недостатък не може да бъде преодолян чрез промяна само на дизайна на блоковете. Когато е необходимо да се увеличи мощността на вятърна електроцентрала, диаметърът на статора и ротора трябва да се увеличи. Това води до намаляване на скоростта на въртене на ротора, въпреки че скоростта на вятъра остава същата. Бавните електрически генератори го използват, като такова състояние трябва да има големи размери и тегло.

Целта на настоящото изобретение е да се разработи вятърна електроцентрала от модулен тип с висок коефициент на използване на вятърната енергия и увеличено специфично производство на електроенергия на 1 kW определена мощност, и в същото време да се опрости процесът на сглобяване на агрегати в колона и за намаляване на теглото и размера на електрическите генератори за постигане на тяхната по-висока специфична мощност, когато шахтата на генератора е свързана директно (без редукторна единица) към вала на блоковете.

Целта се постига чрез осигуряване на независимо въртене на единичните ротори, когато те могат да се въртят с различни скорости на въртене и да произвеждат мощност според местната скорост на вятъра и могат да задвижват статора и ротора на генератор в противоположни посоки, като по този начин позволяват да се проектират генератори на по-малък размер и тегло в сравнение с традиционните генератори със същата мощност, при които само роторът се върти, но статорът остава стабилен. Това се дължи на увеличаване на резултантната скорост на магнитната система на генератора по отношение на намотката на генератора, което води до увеличаване на специфичната мощност на генераторите или по-ниския им разход на материали на 1 kW от мощността на генератора.

Целта се постига и чрез проектиране на вятърна електроцентрала, състояща се от няколко коаксиални цилиндрични блока на вятърна турбина, като всяка единица включва статор с вдлъбнати изпъкнали пластини и ротор с вдлъбнати изпъкнали лопатки и електрически генератор с ротор механично свързан към поне един ротор на вятърната турбина, където задвижваната от вятъра електроцентрала съгласно настоящото изобретение включва поне един електрически генератор, разположен между блоковете на вятърната турбина. Роторът на този генератор е механично свързан с ротора на поне една вятърна турбина, разположена от едната страна на генератора, а статорът е свързан с ротора на поне една вятърна турбина, разположена от другата страна на генератора. Статорните плочи и роторните лопатки на поне една вятърна турбина, разположени от едната страна на генератора, и статорните плочи и роторните лопатки на поне една вятърна турбина, разположени от другата страна на генератора, са разположени така, че роторите от споменатите единици се въртят в противоположни посоки под вятър.

За предпочитане е статорът на генератора да е снабден с вдлъбнати изпъкнали лопатки, така че под вятър да произвеждат допълнителен въртящ момент в същата посока като ротора на вятърната турбина, свързан към този статор.

Електрическият генератор за предпочитане е хетерополярен генератор на клапани със система за автоматично управление на свързващите кабели и полево управление. Вятърната електроцентрала може да бъде снабдена с реле за включване на възбуждането на генератора, когато има вятър, и изключване за времето, когато във въздуха няма разбъркване.

Освен това, вятърната електроцентрала може допълнително да бъде снабдена със средство за управление на изходната мощност за осигуряване на номинална скорост на въртене на роторния агрегат в диапазона от 0,5 до 0,6 на скоростта на въртене на роторните агрегати по време на празен ход, когато вятърът духа в реални условия.

Вятърната електроцентрала се състои от няколко генератора, които могат да бъдат свързани паралелно към общ товар или всеки от тях може да има свой собствен товар.

За предпочитане е да се разположат повече от една вятърна турбина от всяка страна на генератора, при което мощността на блоковете, въртящи статора и ротора на генератора, е еднаква.

За предпочитане е да се разположат повече от една вятърна турбина от всяка страна на генератора, при което мощността Nst на блоковете, въртящи статора, и мощността Nrt на блоковете, въртящи ротора, съответстват на уравнението: N st = k ⋅ N rt
където k е съотношението на инерционния момент на статора към инерционния момент на ротора.

Блоковете на вятърната електроцентрала могат да бъдат разположени както вертикално, така и хоризонтално, например на плаваща платформа. Когато единиците са разположени вертикално, броят на лопатките в горните единици е еднакъв или по-малък от броя на лопатките в долните единици с 2 до 50%, а плочите на статорите са разположени равномерно по обиколката в 0.6- 60 ° в зависимост от диаметъра на статора. Когато агрегатите са разположени хоризонтално, централата е допълнително снабдена с рулеви колела, които го държат перпендикулярно на посоката на вятъра. Освен това единиците могат да бъдат разположени хоризонтално през хълмове, проходи и клисури.

За предпочитане опорните статорни капаци с лагери са фиксирани от всяка страна на вятърната турбина. Всеки ротор на вятърна турбина включва вал, разположен в посочените лагери.

Статорът на всеки генератор може да съдържа твърдо закрепен в него вал, докато инсталацията може да бъде снабдена с гъвкави съединители за свързване на валовете на роторите на вятърните турбини, разположени от различни страни на генератора, към вала на ротора и статорния вал на генератора поставени между тях.

За свързване един към друг валовете на роторите на вятърната турбина, разположени от едната страна на генератора, могат да бъдат осигурени гъвкави съединители. Съединителите помагат за предотвратяване на отрицателното действие на внезапни вятърни взривове върху елементите на вятърната електроцентрала.

Валовете на генераторите и валовете на роторите на вятърната турбина, свързани към съответните шахти на генератора, за предпочитане имат канали за кабели от статорни и роторни окабелявания. Споменатите валове имат четни блокове с контактни пръстени за свързване на изходите на кабелите на генератора, контактните пръстени, разположени на шахтите на генератора или на краищата на валовете на роторите на вятърната турбина.

  • Фиг. 1 е общ изглед на централата с по една вятърна турбина от всяка страна на генератора;
  • Фиг. 2 е същият изглед, но с два блока на вятърни турбини при всеки s3 на генератора;
  • Фиг. 3 е изгледът на централата с няколко генератора и няколко вятърни турбини от всяка страна на генератора;
  • Фигура 4 е надлъжен разрез на фрагмент от вятърна турбина;
  • Фиг. 5 и 6 е изглед в напречно сечение на вятърните турбини, разположени от различни страни на генератора;
  • Фиг. 7 е страничен изглед на генератора с гъвкавата връзка и лопатките на статора;
  • Фиг. 8 е изглед отгоре на същия генератор, както е показано на Фиг. 7.

Вятърната електроцентрала, показана на фиг. 1, включва два коаксиални цилиндрични блока 1 и 1а на вятърната турбина и електрически генератор 6, поставен между блоковете. Както е показано на фиг. 4-6 всеки от цилиндричните блокове 1 и 1а включва статор 2 и 2а, съответно с вдлъбнати изпъкнали пластини 3 и 3а и ротор 4 и 4а с вдлъбнати изпъкнали лопатки 5 и 5а. Плочите 3 на статора 2 и лопатките 5 на ротора 4 на вятърната турбина са разположени от едната страна на генератора 6, например над него (фиг. 5), и плочите 3а на статора 2а и лопатките 5а на ротора 4а на поне една вятърна турбина 1а, разположена от другата страна на генератора 6 (фиг. 6), са разположени така, че роторите 4 и 4а на споменатите блокове 1 и 1а да се въртят в противоположни посоки под действието на вятър.

Капаците 7 са фиксирани от двете страни на всяка вятърна турбина, като капаците са свързани помежду си със стълбове 8. Лагерите 9 са монтирани в капаците 7, а роторите 4 на всяка вятърна турбина имат валове 10, закрепени в лагерите 9. Всеки вятър турбината е проектирана като независима единица. Той осигурява унифициране на елементи и следователно опростяване на производството и монтажа на вятърните електроцентрали.

Няколко блока 1 и 1а на вятърни турбини могат да бъдат разположени от всяка страна на генератора 6, например два от тях, както е показано на фиг.

Ако е необходимо да се увеличи мощността на вятърната електроцентрала, са монтирани няколко генератора, както е показано на фиг. 3, и от всяка страна на генератора са подредени няколко блока, при които броят и/или мощността на блоковете въртене на статора на генератора е по-голямо от броя и мощността на блоковете, въртящи ротора на генератора. Това е така, защото статорът има по-голямо тегло и диаметър от ротора и следователно неговият инерционен момент е по-голям от този на ротора и за преодоляване на момента е необходима по-висока стартова сила. Когато диаметърът на статора не е голям, стабилността на конструкцията се осигурява чрез скоби (не е показано).

Вятърната електроцентрала може да бъде монтирана вертикално на тръбни стълбове (фиг. 1), на опори, използвани за електропроводи, на стълбове на кули на ретранслатори, на конични (фиг. 2), цилиндрични или три или четири точки (фиг. 3) основи 19 върху земята или върху фундаментното легло. Когато необходимата мощност е висока, вятърните електроцентрали се комбинират в многостанционни вятърни електроцентрали и се позиционират според местната роза на вятъра. Когато са разположени близо един до друг, те са свързани с мостове.

На земята има много места с постоянен силен вятър с висока скорост близо до повърхността. Характерно е за планинските проходи и тесни клисури. Известната "Кримская Бора" е сред такива ветрове, когато вятърът се издига по хълм на хълм и след това духа до долината със скорост 40-60 m/s, а също и ветрове в Гренландия. При такива условия хоризонталното позициониране на задвижваните от вятъра електроцентрали през хълмовете и наклонените повърхности в тесни проходи и през дефилето върху опънати скоби е по-ефективно. Растението се държи перпендикулярно на посоката на вятъра от рулеви колела (не е показано).

В горните условия получената мощност се увеличава, което съответства на енергийните характеристики на вятърна електроцентрала от този тип. Енергията се извлича чрез четките 16 с контактните пръстени, разположени върху свободните краища на вала на генераторите или блоковете. В роторните шахти и блоковите валове има канали за полагане на кабели от генераторите към четните блокове. Когато скоростта на вятъра се промени, пътищата на навиване автоматично се комутират за поддържане на оптимална скорост на въртене под товар в диапазона 0,5-0,6 от скоростта на въртене без товар при определена скорост на вятъра.