Устройство генерации электрической энергии с использованием механических вибраций ротора ветроэнергетической установки - RU187037U1

Чертежи

Описание

Настоящая полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована в ветроэнергетической установке (ВЭУ) любого типа, мощности и размера для генерации электроэнергии.

Ротор любой ВЭУ имеет дисбаланс. Несмотря на разнообразие методик балансировки компонентов рабочих органов ветроэнергетических установок, статический дисбаланс ротора ВЭУ устранить полностью невозможно. Соответственно, при вращении ротора ВЭУ возникает динамический дисбаланс, обусловленный массивом внутренних и внешних возмущений (пульсациями инерционных и аэродинамических сил и моментов). Проявлением динамического дисбаланса являются механические вибрации ротора, передающиеся на верхний сегмент мачты (башни) и имеющие ряд высокочастотных и низкочастотных гармоник, как правило, представляющих собой прецессии в горизонтальной плоскости. Вибрационные колебания являются, по сути, результатом взаимодействия всех возмущающих воздействий, или резонансами собственных колебаний механических компонентов ВЭУ, пульсаций переменных аэродинамических и инерционных сил и моментов, а также пульсаций электрических моментов. Данные колебания являются опасными для компонентов ВЭУ, и представляют собой объект исследований для снижения их амплитуды и регулирования частоты.

Таким образом, может быть рассмотрено устройство преобразования механической энергии виброперемещений в электрическую энергию (режим генератора), которое в то же время будет демпфирующим элементом, поскольку поглощает энергию колебаний. Объем генерируемой за счет механических виброколебаний электроэнергии ничтожно мал по сравнению с основной генерацией ВЭУ. Однако, во-первых, такая система генерации может быть гальванически развязана с основной системой генерации и не подвержена ее влиянию, а во-вторых, она гальванически развязана и с мачтой, по которой в случае пробоя молнией пройдет ток разрушающей силы. Иначе говоря, выработанная за счет механических вибраций электроэнергия может быть использована для сохранения в отдельном накопителе (например, в электрохимической батарее) и далее использована основной или дополнительной системой управления для активного гашения вибраций или других целей (сигнальное освещение, диагностика, подогрев и т.д.).

Известны технические решения, целью которых является пассивное демпфирование вибраций ротора (RU 2446311 от 02.07.2010, RU 118694 от 08.02.2012, RU 2472987 от 14.07.2008), генерация электроэнергии за счет использования механической энергии вибраций (RU 2421629 от 13.08.2007), генерация электроэнергии за счет смещения генерирующего объекта в пространстве (RU 131094 от 28.01.2013).

Недостатками указанных технических решений является утилизация вибраций с одной степенью свободы (в одном направлении), отсутствие управления отбором механической энергии, отсутствие возможности работы преобразователя энергии в обратном режиме для активного гашения вибраций и т.д..

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для осуществления управления ветроэнергетической установкой (патент на изобретение RU 2421629 от 13.08.2007). Выбранный прототип «Демпфер машины (варианты) и система для использования энергии вибрации, содержащая такой демпфер» представляет собой электродвижущий модуль генерирования энергии, пьезоэлектрический модуль генерирования энергии и подключенное к ним аккумулирующее энергию устройство, а по другому варианту демпфер содержит устройство для генерирования электроэнергии на основе вибрации.

Основным недостатком прототипа является несовершенство конструкции на основе круглого магнита, пьезоэлектрического элемента, звуковой катушки и т.д., а также невозможность использования устройства в режиме отбора энергии.

Техническая задача заявляемой полезной модели заключается в генерации электроэнергии за счет использования механических вибрационных колебаний ротора ветроэнергетической установки с помощью устройства преобразования механической энергии в электрическую энергию.

Техническая задача достигается тем, что устройство генерации электроэнергии с использованием механических вибраций ротора и мачты ветроэнергетической установки реализовано на основе линейного генератора, представляющего собой постоянный магнит, имеющий одну степень свободы с возможностью движения по направляющей за счет механических вибрационных колебаний, и соосно охватывающую его катушку возбуждения, жестко связанную с мачтой.

Работа устройства основана на преобразовании вибрационных колебаний в горизонтальной плоскости в электродвижущую силу с помощью линейных генераторов и выполнения функции генерации электроэнергии.

Ниже подробно описана и иллюстрируется конструкция заявляемого устройства на фиг. 1 (вид сверху на верхний сегмент мачты) и фиг. 2 (горизонтальный разрез устройства).

Устройство генерации электрической энергии с использованием механических вибраций ротора ветроэнергетической установки находится на верхнем сегменте неподвижной мачты (башни) 7 ВЭУ и состоит из трех линейных генераторов, каждый из которых представляет собой электрическую машину, состоящую из магнитопроницаемого корпуса 1, крепящегося к верхнему сегменту мачты болтами 8, в котором находится одна катушка возбуждения 2 и один постоянный магнит 3 на линейном подшипнике 4, имеющий одну степень свободы с линейным перемещением вдоль направляющей, коммутирующих проводов 5, а также системы управления 6.

Устройство работает следующим образом:

При возникновении вибраций ротора и их передаче на верхний сегмент мачты 7 устройство воспринимает эти виброперемещения, при которых корпус 1 перемещается в пространстве с некоторой амплитудой линейной составляющей. При этом магнит 3, имеющий определенный момент инерции, совершает линейное относительное перемещение по отношению к катушке возбуждения 2. При пересечении линиями магнитного поля магнита 3 витков катушки 2 в них по закону Фарадея индуцируется электродвижущая сила, и в соответствии с правилом Ленца по коммутирующим проводам 5 течет ток при наличии замкнутого контура. Система управления 6 осуществляет отбор электроэнергии и последующую ее утилизацию в аккумуляторной батарее и/или нагрузке.

В зависимости от режима работы ВЭУ, текущих метеорологических условий, материалов ротора и мачты, состояния растяжек и многомерного массива других факторов, подлежащих соответствующему учету, система управления по определенному алгоритму может рассчитывать режимы демпфирования при отборе электроэнергии. Система управления может быть выполнена на основе реверсивного преобразователя напряжения, обеспечивающего двунаправленный обмен энергией между электромеханическим преобразователем демпфирующего устройства и накопителем энергии. Управление преобразователем напряжения может быть реализовано с помощью микроконтроллера, который обеспечит реализацию необходимых алгоритмов управления, в том числе с поиском и запоминанием резонансных частот колебаний.

Реферат

Настоящая полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована в ветроэнергетической установке (ВЭУ) любого типа, мощности и размера для генерации электроэнергии.Техническая задача достигается тем, что устройство генерации электроэнергии с использованием механических вибраций ротора и мачты ветроэнергетической установки реализовано на основе линейного генератора, представляющего собой постоянный магнит, имеющий одну степень свободы с возможностью движения по направляющей за счет механических вибрационных колебаний, и соосно охватывающую его катушку возбуждения, жестко связанную с мачтой.Устройство генерации электроэнергии с использованием механических вибраций ротора и мачты ветроэнергетической установки, включающее линейный генератор, представляющий собой постоянный магнит, имеющий одну степень свободы с возможностью движения по направляющей за счет механических вибрационных колебаний, и соосно охватывающую его катушку возбуждения, жестко связанную с мачтой. 2 фиг.

Формула