RU2064082C1

RU2064082C1 - Wind-electric power plant

Info

Publication number: RU2064082C1
Application number: RU93008904A
Authority: RU
Inventors: Г.С. Николаев; В.П. Филиппов
Original assignee: Московский Инженерно-Физический Институт
Priority date: 1993-02-16
Filing date: 1993-02-16
Publication date: 1996-07-20

Abstract

FIELD: winnd-electric power engineering. SUBSTANCE: plant has vertical shaft carrying horizontal rods joined at ends and center by vertical connections, shields attached to upper rod for turning, shock dampers attached to connections and to lower rod, fastening, generator that has rotor disk whose slots accommodate windings, stator electromagnets, slip rings mounted on shaft, conductor connecting winding leads running towards shaft with slip ring, second slip ring, conductor connecting winding leads running towards disk periphery to slip ring and passed through magnetically impermeable sheath. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для преобразования ветровой энергии в электрическую. The invention relates to the field of energy and can be used to convert wind energy into electrical energy.

Известны ветросиловые установки, которые содержат ветряной двигатель с горизонтальной осью вращения лопастей, закрепленных на горизонтальном валу, установленном на вертикальной мачте, а также генератор электрического тона, соединенный с валом, и состоящий из ротора, статора, токосъемного коллектора (см. патент N 2097864 А кл. F 03 D 3/00 1982 ). Known wind power plants that contain a wind turbine with a horizontal axis of rotation of the blades mounted on a horizontal shaft mounted on a vertical mast, as well as an electric tone generator connected to the shaft, and consisting of a rotor, stator, collector collector (see patent N 2097864 A C. F 03 D 3/00 1982).

Недостатками указанных установок являются невозможность получения больших мощностей при малых габаритах, сложность изготовления лопастей и специальной системы слежения за направлением ветра, а также сложность монтажа генератора и его обслуживания при установке на одной высоте с лопастями, а при передаче момента сил на более низкие высоты возникает необходимость введения дополнительных малонадежных узлов, изменяющих направление передачи углового момента сил. The disadvantages of these installations are the impossibility of obtaining large capacities with small dimensions, the complexity of manufacturing the blades and a special tracking system for monitoring the direction of the wind, as well as the difficulty of mounting the generator and its maintenance when installed at the same height with the blades, and when transmitting torque to lower heights introducing additional unreliable nodes that change the direction of transmission of the angular momentum.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является патент Великобритании N 2119025 А от 17.04.83, кл. F 03 D/00. The closest technical solution, taken as a prototype, is a UK patent N 2119025 A from 04.17.83, class. F 03 D / 00.

Ветросиловая установка, состоящая из ветряного двигателя с вертикальным валом, соединенным с генератором электрического тока, причем ветряной двигатель содержит горизонтальные штанги, укрепленные на валу и скрепленные на концах вертикальными перемычками, шиты из легкого сплава, укрепленные на верхних горизонтальных штангах, с возможностью поворота на 90 градусов вокруг верхней штанги относительно вертикального положения, гасители ударов, укрепленные на штангах, при этом генератор содержит ротор с обмотками, статор с электромагнитами, токоремные кольца и щетки. A wind power installation consisting of a wind turbine with a vertical shaft connected to an electric current generator, wherein the wind turbine contains horizontal rods mounted on the shaft and fastened at the ends with vertical jumpers, light alloy shields mounted on the upper horizontal rods, rotatable by 90 degrees around the upper rod relative to the vertical position, shock absorbers mounted on the rods, while the generator contains a rotor with windings, a stator with electromagnets, tokore rings and brushes.

В установке, взятой за прототип, не достигается технический результат, касающийся невозможности получения максимальных мощностей при тех же размерах установки, необходимости введения редуктора для получения требуемой величины напряжения на выходе генератора электрического тока. Это вызвано тем, что при увеличении размеров щитов для повышения моментов сил давления ветра, возрастает их вес и момент инерции и при движении против ветра не полностью отклоняются от вертикального положения, что увеличивает момент сил сопротивления и уменьшает мощность установки, в то же время щиты, расположенные вблизи вала вращения, мало влияют на увеличение момента сил давления ветра. In the installation, taken as a prototype, the technical result is not achieved, regarding the impossibility of obtaining maximum power with the same installation dimensions, the need to introduce a gearbox to obtain the required voltage at the output of the electric current generator. This is because with an increase in the size of shields to increase the moments of wind pressure forces, their weight and moment of inertia increase and when moving against the wind they do not completely deviate from the vertical position, which increases the moment of resistance forces and reduces the power of the installation, at the same time, the shields located near the rotation shaft, little effect on the increase in the moment of wind pressure forces.

Технический результат, который достигается в предлагаемой установке, заключается в повышении мощности и надежности работы установки и упрощении ее изготовления и эксплуатации. Это достигается тем, что ветросиловая установка, состоящая из ветряного двигателя с вертикальным валом, соединенным с генератором электрического тока, причем ветряной двигатель содержит горизонтальные штанги, укрепленные на валу, и скрепленные на концах вертикальными перемычками, щиты из легкого сплава, укрепленные на верхних горизонтальных штангах, с возможностью поворота на 90 градусов вокруг верхней штанги относительно вертикального положения, гасители ударов, укрепленные на штангах, при этом генератор содержит ротор с обмотками, статор с электромагнитами, токосъемные кольца и щетки, отличается тем, что ветряной двигатель содержит 4-6 щитов, ограниченных перемычками, установленными на середине штанг и на их концах, расположенных на равных угловых расстояниях друг от друга в горизонтальной плоскости и укрепленных на верхних штангах, а в местах касания щитов с нижней штангой и перемычками установлены гасители ударов, выполненные в виде упругих пластин; ротор генератора выполнен в виде диска из непроводящего материала, на периферии которого выполнены прямоугольные пазы с размерами, соответствующими размерам обмоток ротора, уложенных в эти пазы; обмотки состоят из электрически соединенных изолированных проводников, причем концы, направленные к валу, соединены между собой и с токосъемным кольцом, расположенным на валу, а концы, направленные к периферии диска, соединены также между собой и со вторым токосъемным кольцом, расположенным на валу, посредством проводника, помещенного в магнитонепроницаемую оболочку в месте расположения магнитов статора, а обмотки ротора охвачены электромагнитами статора. The technical result that is achieved in the proposed installation is to increase the power and reliability of the installation and simplify its manufacture and operation. This is achieved by the fact that the wind power installation, consisting of a wind turbine with a vertical shaft connected to an electric current generator, moreover, the wind turbine contains horizontal rods mounted on the shaft and fastened at the ends by vertical jumpers, light alloy shields mounted on the upper horizontal rods , with the possibility of rotation 90 degrees around the upper rod relative to the vertical position, shock absorbers mounted on the rods, while the generator contains a rotor with windings, with an ator with electromagnets, slip rings and brushes, characterized in that the wind turbine contains 4-6 shields bounded by jumpers installed in the middle of the rods and at their ends, located at equal angular distances from each other in the horizontal plane and mounted on the upper rods, and in places where the shields touch the lower bar and jumpers, shock absorbers are installed in the form of elastic plates; the generator rotor is made in the form of a disk of non-conductive material, on the periphery of which are made rectangular grooves with dimensions corresponding to the sizes of the rotor windings laid in these grooves; the windings consist of electrically connected insulated conductors, the ends directed to the shaft being connected to each other and to the slip ring located on the shaft, and the ends directed to the periphery of the disk are also connected to each other and to the second slip ring located on the shaft, a conductor placed in a magnetically tight shell at the location of the stator magnets, and the rotor windings are covered by stator electromagnets.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема установки. Установка содержит вертикальный вал 1, на котором укреплены горизонтальные штанги 2, скрепленные по краям и на середине вертикальными перемычками 3, щиты 4, прикрепленные и верхней штанге 2 с возможностью поворота относительно ее, гасители ударов 5, прикрепленные к перемычкам и к нижней штанге, устройство крепления 6, генератор 7, содержащий диск ротора 8, в пазах которого уложены обмотки 9, электромагниты 10 статора, токосъемное кольцо 11, укрепленное на валу 1, проводник 12, соединяющий концы обмоток, направленных в сторону вала с токосъемным кольцом 11, второе токосъемное кольцо 13, проводник 14, соединяющий концы обмоток, направленных в сторону периферии диска 8, с токосъемным кольцом 13, и проходящий через магнитонепроницаемую оболочку 15. The invention is illustrated in the drawing, where figure 1 shows the installation diagram. The installation comprises a vertical shaft 1, on which horizontal rods 2 are fastened, fastened around the edges and in the middle by vertical jumpers 3, shields 4 attached to the upper rod 2 with the possibility of rotation relative to it, shock absorbers 5 attached to the jumpers and to the lower rod, device mounting 6, a generator 7, containing the rotor disk 8, in the grooves of which are placed the windings 9, the stator electromagnets 10, the slip ring 11 mounted on the shaft 1, the conductor 12 connecting the ends of the windings directed towards the shaft with the slip ring 11 ohm, the second slip ring 13, the conductor 14 connecting the winding ends directed towards the periphery of the disk 8 with the slip ring 13, and extending through the shell 15 magnitonepronitsaemuyu.

Установка работает следующим образом. При возникновении под действием силы давления, щит 4 (левая часть) прижимается к штангам 2 и вместе со штангами 2 будет поворачиваться, а щит 4 (на правой стороне) будет отклоняться от вертикального положения, что будет намного уменьшать сопротивление движению против ветра. Свободное пространство между валом и щитом позволяет передавать силу давления ветра на следующий щит, расположенный под углом 45^o или 30^o (при наличии 6 щитов). Ветер, проходящий через свободные пространства, увеличивает момент сил за счет сил давления ветра, приложенных к щитам, укрепленных на других штангах. С другой стороны уменьшение размеров щитов позволяет более полному открытию его при движении против ветра и уменьшению сопротивлении воздуха, т.е. повышению мощности установки. Применение 4-6 щитов дозволяет более эффективно использовать давление ветра на любом участке поворота штанг. Вращение щитов 4 вместе со штангами 2 через вал 1 передается на диск 8 ротора. При прохождении обмоток 9 ротора через магнитное поле магнитов 10 в обмотках индуцируется ЭДС и электрический ток будет передаваться с концов, направленных к валу, с помощью проводника 12 на токосъемное кольцо 11, а со стороны периферии диска с помощью проводника 14 на токосъемное кольцо 13. Во избежание индуцирования ЭДС в этом проводнике, он помещается в магнитонепроницаемую защитную оболочку 15. Поскольку размеры диска могут быть большими, то и при малых угловых скоростях вращения можно получать большие токи и напряжения.Installation works as follows. When a pressure force occurs, shield 4 (left side) is pressed against the rods 2 and together with the rods 2 will rotate, and shield 4 (on the right side) will deviate from the vertical position, which will greatly reduce resistance to movement against the wind. The free space between the shaft and the shield allows you to transfer the force of the wind pressure to the next shield, located at an angle of 45 ^o or 30 ^o (with 6 shields). The wind passing through the free spaces increases the moment of force due to wind pressure forces applied to the shields, mounted on other rods. On the other hand, reducing the size of the shields allows for a more complete opening when moving against the wind and reducing air resistance, i.e. increase the power of the installation. The use of 4-6 shields allows more efficient use of wind pressure at any part of the boom rotation. The rotation of the shields 4 together with the rods 2 through the shaft 1 is transmitted to the disk 8 of the rotor. When the windings of the rotor 9 pass through the magnetic field of the magnets 10, an EMF is induced in the windings and electric current will be transmitted from the ends directed to the shaft, using the conductor 12 to the collector ring 11, and from the periphery of the disk using the conductor 14 to the collector ring 13. To avoid induction of EMF in this conductor, it is placed in a magnetically tight protective sheath 15. Since the disk dimensions can be large, high currents and voltages can be obtained even at low angular rotational speeds.

Таким образом, предложенное техническое решение обладает более высокой мощностью и надежностью. Thus, the proposed technical solution has a higher power and reliability.

Кроме того, применение ротора, выполненного в виде диска, в этой установке дозволяет получать не только большие мощности или токи, но и повышать надежность работы установки, так как отпадает необходимость в использовании коллектора, который является наиболее уязвимой частью генератора и требует частых профилактических работ, что крайне затруднено, особенно при работе в условиях Крайнего Севера. Ко всему отпадает необходимость наличия редуктора для увеличения скорости вращения генератора. In addition, the use of a rotor made in the form of a disk in this installation allows not only to obtain high power or currents, but also to increase the reliability of the installation, since there is no need to use a collector, which is the most vulnerable part of the generator and requires frequent preventive maintenance, which is extremely difficult, especially when working in the Far North. To all this, there is no need for a gearbox to increase the rotation speed of the generator.

Claims

A wind power installation consisting of a wind turbine with a vertical shaft connected to an electric current generator, wherein the wind turbine comprises horizontal rods mounted on the shaft and fastened at the ends by vertical jumpers, and light alloy shields mounted on the upper horizontal rods, with the possibility of rotation 90 ^o around the upper rod relative to the vertical position, shock absorbers mounted on the rods, while the generator contains a rotor with windings, a stator with electromagnets, tokos removable rings and brushes, characterized in that the wind turbine contains 4-6 shields, limited by jumpers installed on the middle of the rods and at their ends, located at equal angular distances from each other in the horizontal plane, and mounted on the upper rods, and shock absorbers are made in the form of elastic plates and installed in places where the boards touch the lower rod and jumpers, the generator rotor is made in the form of a disk of non-conductive material, on the periphery of which are made rectangular grooves with dimensions corresponding to them to the dimensions of the rotor windings laid in these grooves, and the windings consist of electrically connected insulated conductors, the ends of which directed to the shaft are connected to each other and to the slip ring located on the shaft, the ends directed to the periphery of the disk are also connected to each other and with a second slip ring located on the shaft, by means of a conductor placed in a magnetically tight sheath at the location of the stator magnets, and the rotor windings are covered by stator electromagnets.