RO131135A2

RO131135A2 - Generator eolian hibrid cu flux magnetic radial şi rotor exterior

Info

Publication number: RO131135A2
Application number: ROA201400838A
Authority: RO
Inventors: Tiberiu Tudorache; Leonard Melcescu; Mihail Predescu; Sergiu Nicolaie; Mihail Popescu
Original assignee: Universitatea "Politehnica" Din Bucureşti; Aeolus Energy International S.R.L.; Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Inginerie Electrică Icpe-Ca
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2016-05-30
Also published as: RO131135B1

Abstract

Invenţia se referă la un generator eolian hibrid, cu flux magnetic radial şi rotor exterior, destinat conversiei energiei eoliene în energie electrică şi termică. Generatorul conform invenţiei realizează acest lucru prin intermediul unei turbine (II) eoliene, fiind alcătuit dintr-o parte (III) fixă, interioară, şi o parte (IV) mobilă, situată la exteriorul celei dintâi, acestea fiind separate de întrefier, partea (IV) mobilă fiind alcătuită din două rotoare (V şi VI) exterioare, fiecare fiind alcătuite din mai multe perechi de magneţi permanenţi (2 şi 3), montaţi pe nişte miezuri (4 şi 5) cilindrice, jugurile magnetice ale celor două miezuri fiind dispuse unul în prelungirea celuilalt, în direcţie axială, cuplate direct la butucul turbinei (II) eoliene şi centrate în raport cu un arbore (6) fix, prin intermediul unor scuturi (1) metalice prinse de juguri prin nişte şuruburi (15), respectiv, prin intermediul unor lagăre (16) radial-axiale, perechile de magneţi permanenţi fiind magnetizate radial, alternativ, în vederea obţinerii unor structuri magnetice heteropolare la periferiile interioare ale celor două rotoare (V şi VI), iar partea fixă a generatorului (I) este alcătuită dintr-un stator (VII) interior similar cu cel al unui generator sincron cu flux radial, cu rol în producerea de energie electrică, respectiv, dintr-un sistem de răcire-încălzire reprezentat de o serpentină (7) tubulară, destinată producerii de energie termică, ce este fixată pe arbore (6), iar statorul (VII) este alcătuit din mai multe bobine (8) fixate în crestăturile unui miez (9) magnetic, realizat din tole şi răcit prin intermediul serpentinei prin care circulă un agent termic lichid, injectat prin pompare, în stare rece, printr-un orificiu (10), acesta părăsind serpentina în stare caldă printr-un alt orificiu (11), temperatura la ieşire fiind controlată pentru a preîntâmpina supraîncălzirea generatorului, iar lichidul este transportat prin nişte ţevi (13 şi 14).

Description

GENERATOR EOLIAN HIBRID CU FLUX MAGNETIC RADIAL ȘI ROTOR EXTERIOR

DESCRIERE

Invenția se referă la un Generator Eolian Hibrid (GEH) cu rotor exterior și flux magnetic radial, având ca destinație conversia energiei cinetice a vântului simultan în energie electrică și energie termică.

Se cunosc mai multe tipuri de generatoare eoliene însă acestea sunt destinate de regulă conversiei energiei eoliene doar în energie electrică. în lucrarea Sorin Vlăsceanu, Alecsandru Simion, Leonard Livadaru, NicolaeDaniel Irimia, Florin Lazăr: FEM Analysis of a Low Speed Permanent Magnet Synchronous Machine with Externai Rotor for a Wind Generator, OPTIM '2012 13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM), 2012, se prezintă un astfel de generator eolian cu magneți permanenți și rotor exterior cu flux magnetic radial, însă acesta este utilizat doar pentru producerea energiei electrice. Soluția descrisă în lucrarea de mai sus prezintă anumite dezavantaje precum: diametru mare, randament relativ modest, furnizează doar energie electrică.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția, constă în îmbunătățirea eficienței conversiei energiei eoliene prin utilizarea unei soluții constructive ultra-compacte de generator eolian hibrid cu rotor exterior, capabil să producă simultan atât energie electrică și termică. Energia electrică este produsă de către un generator electric de tip sincron, cu rotor exterior, integrat în structura generatorului hibrid, iar energia termică este produsă parțial prin recuperarea unei părți importante a pierderilor de natură electromagnetică ale generatorului electric, respectiv cu ajutorul unui sistem de încălzire bazat pe efectul Joule al curenților turbionari induși în conductoare masive.

Invenția, prin soluția tehnică propusă, elimină dezavantajele variantei prezentate în lucrarea menționată mai sus prin aceea că generatorul eolian hibrid permite conversia simultană de energie electrică și termică cu o eficiență energetică superioară, construcția acestuia fiind foarte compactă.

Prin aplicarea invenției se obțin numeroase avantajele precum:

- energia eoliană este convertită simultan în energie electrică și termică cu ajutorul unui singur generator hibrid ce funcționează la un randament superior generatoarelor electrice clasice întrucât o mare parte a căldurii disipate în generator ca urmare a pierderilor diverse (pierderi în fier, pierderi Joule, pierderi prin curenți

Μ ν 2 O U - - 0 0 8 3 8 1 Ο -11- 2014 turbionari în magneți) este recuperată;

- volumul ocupat de generatorul hibrid este mai redus decât cel corespunzător generatoarelor electrice clasice (căldura datorată pierderilor este evacuată prin convecție forțată, prin urmare dimensionarea generatorului permite adoptarea unor densități mai mari de curent, cu o scădere a dimensiunilor de gabarit);

- generatorul hibrid poate fi utilizat ca sursă de energie electrică și termică pentru diferite obiective rezidențiale sau industriale, fie în variantă independentă fie în combinație cu alte surse de energie (panouri fotovoltaice, panouri solare termice, pompe de căldură etc.);

- generatorul hibrid prezintă o funcționare robustă la viteze mari ale vântului întrucât frânarea turbinei eoliene se efectuează în mod natural datorită curenților induși în serpentina generatorului;

- comanda circuitului de răcire-încălzire este una simplă (senzor de temperatură montat la ieșirea circuitului termic + controler + pompă);

- generatorul eolian hibrid furnizează energie electrică/termică ieftină.

A

In figurile de mai jos se oferă un exemplu nelimitativ privind principiul de funcționare, structura și componentele principale ale unui generator eolian hibrid cu flux magnetic radial și rotor exterior. Astfel în figurile 1-6 se prezintă:

- figura 1, Principiul de conversie energetică a unui sistem eolian hibrid cu ax vertical;

- figura 2, Componente principale ale generatorului eolian hibrid cu flux magnetic radial și rotor exterior (vedere în secțiune);

- figura 3, Serpentină folosită pentru răcirea generatorului, respectiv pentru încălzirea prin curenți turbionari a agentului termic;

- figura 4, Partea mobilă a generatorului hibrid;

- figura 5, Subansamblu stator echipat cu serpentină pentru recuperarea căldurii.

Mașina propusă în invenție este un generator eolian hibrid I cu flux magnetic radial și cu rotor exterior utilizat în vederea conversiei energiei cinetice a vântului simultan în energie electrică și termică. Energia cinetică a maselor de aer în mișcare ce acționează asupra turbinei eoliene II este transformată în energie mecanică de rota □ ie care la rândul său, prin intermediul generatorului eolian hibrid I, este convertită în energie electrică și energie termică. Rotorul generatorului eolian hibrid este cuplat direct la

Ο 14 - - 0 0 8 3 8 1 Ο -11- 2014 butucul turbinei eoliene rotindu-se solidar cu rotorul turbinei.

Construcția generatorului eolian hibrid I include două părți principale, o parte fixă interioară III și o parte mobilă IV situată la exteriorul părții fixe, cele două părți fiind separate de întrefier.

Partea mobilă IV este alcătuită din două rotoare exterioare V și VI, fiecare din ele fiind alcătuite din mai multe perechi de magneți permanenți 2 respectiv 3, montate pe miezurile magnetice cilindrice 4 respectiv 5. Miezurile magnetice rotorice sunt realizate din oțel magnetic masiv, jugurile magnetice ale celor două miezuri fiind dispuse unul în prelungirea celuilalt în direcție axială și cuplate direct la butucul turbinei eoliene. Diametrele interioare ale celor două miezuri magnetice 4 și 5 sunt diferite. Perechile de magneți permanenți 2 respectiv 3 sunt magnetizate radial alternativ în vederea obținerii unor structuri magnetice heteropolare la periferiile interioare ale celor două rotoare V și VI.

Partea fixă III a generatorului eolian hibrid este alcătuită în principal dintr-un stator interior VII de generator electric sincron cu flux radial, cu rol în producerea de energie electrică, respectiv dintr-un sistem de răcireîncălzire reprezentat de o serpentină tubulară 7 străbătută de un agent termic lichid, destinată producerii de energie termică. Statorul VII este alcătuit din mai multe bobine 8 construite din conductor din cupru izolat electric, montate în crestăturile miezului magnetic 9. Miezul magnetic 9 este realizat la rândul său din tole și este răcit prin intermediul serpentinei tubulare 7 situată în contact cu suprafața interioară a statorului VII. Serpentina 7 este parcursă de un agent termic lichid injectat prin pompare în stare rece prin orificiul 10, agentul termic părăsind serpentina în stare caldă prin orificiul

11. Serpentina 7 este realizată din țeavă din oțel și aflându-se în contact direct cu suprafața interioară a miezul statoric al generatorului electric VII permite recuperarea unei părți importante a căldurii disipate datorită pierderilor în fier în miezul magnetic 9 și a pierderilor Joule în bobinele statorice 8. Prin parcurgerea tronsonului de serpentină aflată în contact cu statorul VII, agentul de lucru se încălzește de la temperatura T_o (stare rece) până la temperatura Ti (stare caldă intermediară). Lichidul este apoi încălzit ca urmare a curenților induși în pereții serpentinei 7 pe tronsonul inferior situat în dreptul rotorului V, fiind astfel adus la temperatura T₂ (stare fierbinte) atent controlată.

Cu excepția zonei de contact cu suprafața interioară a statorului VII, serpentina 7 este izolată termic cu un material termoizolant 12 pentru a reduce pierderile termice ale circuitului de răcire-încălzire. Serpentina 7 este fixată pe arborele 6 realizat din țeavă cilindrică din oțel. Agentul termic pătrunde în serpentina 7 în stare rece prin orificiul 10 și părăsește serpentina (^- 2 0 1 4 -- 0 0 8 3 8 1 0 -11- 2014 în stare caldă prin orificiul 11. Lichidul este transportat către/dinspre serpentină prin țevile 13 respectiv 14 dispuse în spațiul din interiorul arborelui fix 6. Țeava 14 este izolată la exterior pentru a diminua pierderile termice de pe circuitul termic.

Detaliile dimensionale privind componentele generatorului hibrid și structura lor (precum numărul de spire al serpentinei 7, configurația bobinelor 8, numărul de magneți permanenți 2 și 3 etc.) se stabilesc funcție de puterea sistemului, exemplul prezentat în figurile de mai jos fiind nelimitativ.

Jugurile rotorice 4 și 5 cuplate la butucul turbinei eoliene se centrează în raport cu arborele 6 al turbinei prin intermediul scuturilor metalice 1 prinse de juguri prin șuruburile 15, respectiv prin intermediul lagărelor radial-axiale (de presiune) 16.

Câmpul magnetic învârtitor produs prin rotația magneților 2 și 3 în mod solidar cu miezurile rotorice 4 și 5 determină:

- apariția unor tensiuni induse în bobinele statorice 8, similar generatoarelor sincrone obișnuite cu flux radial (energie electrică), respectiv

- apariția unor curenți turbionari induși în pereții tronsonului de serpentină 7 situat în dreptul rotorului V, determinând prin efect Joule încălzirea serpentinei și deci încălzirea suplimentară a lichidului ce parcurge serpentina (energie termică).

Temperatura agentului termic aflat în stare fierbinte la ieșirea din serpentină prin orificiul 11 trebuie controlată atent pentru a evita supraîncălzirea generatorului.

întrucât statorul VII este răcit forțat, dimensiunile sale de gabarit pot fi reduse semnificativ în comparație cu cele ale unui generator clasic, întrucât

A mașina poate funcționa la solicitări electrice și magnetice superioare. In plus, prin dispunerea magneților la exterior aceștia se pot răci mai bine decât în cazul structurii cu rotor interior. Puterea sistemului se corelează cu diametrul generatorului și/sau cu lungimea acestuia.

Claims

REVENDICĂRI

1. Generator eolian hibrid cu flux magnetic radial și rotor exterior (I) caracterizat prin aceea că energia mecanică de rotație necesară antrenării sale se obține prin conversia energiei cinetice a vântului simultan în energie electrică și termică prin intermediul unei turbine eoliene (II), generatorul hibrid (I) fiind alcătuit dintr-o parte fixă interioară (III) și o parte mobilă (IV) situată la exteriorul părții fixe, cele două părți fiind separate de întrefier, partea mobilă (IV) fiind alcătuită la rândul său din două rotoare exterioare (V) și (VI), fiecare din ele fiind alcătuite din mai multe perechi de magneți permanenți (2) respectiv (3), montate pe miezurile magnetice cilindrice (4) respectiv (5) realizate din oțel magnetic masiv, jugurile magnetice ale celor două miezuri fiind dispuse unul în prelungirea celuilalt în direcție axială și cuplate direct la butucul turbinei eoliene și centrate în raport cu arborele fix (6) de tip țeavă cilindrică prin intermediul scuturilor metalice (1) prinse de juguri prin șuruburile (15), respectiv prin intermediul lagărelor radial-axiale (16), perechile de magneți permanenți (2) respectiv (3) fiind magnetizate radial alternativ în vederea obținerii unor structuri magnetice heteropolare la periferiile interioare ale celor două rotoare (V) și (VI), iar partea fixă (III) a generatorului eolian hibrid este alcătuită în principal dintr-un stator interior (VII) similar cu cel al unui generator sincron cu flux radial, cu rol în producerea de energie electrică, respectiv dintr-un sistem de răcire-mcălzire reprezentat ele o serpentină tubulară (7) realizată din țeavă din oțel, destinată producerii de energie termică, serpentina fiind fixată pe arborele (6), statorul (VII) fiind alcătuit din mai multe bobine (8) construite din conductor de cupru izolat electric, fixate în crestăturile miezului magnetic (9), realizat la rândul său din tole și răcit prin intermediul serpentinei tubulare (7) prin care circulă un agent termic lichid, injectat prin pompare, în stare rece, prin orificiul (10), acesta părăsind serpentina în stare caldă prin orificiul (11), temperatura la ieșire fiind strict controlată pentru a preîntâmpina supraîncălzirea generatorului, lichidul fiind transportat către/dinspre serpentină prin țevile (13), respectiv (14), ultima fiind izolată termic la exterior, cele două țevi fiind dispuse în spațiul din interiorul arborelui fix (6), serpentina (7) fiind în contact cu suprafața interioară a statorului (VII) în vederea recuperării pariale a căldurii disipate datorită pierderilor în fier în miezul magnetic (9) și a pierderilor Joule în bobinele statorice (8), urmând ca apoi lichidul să fie supraîncălzit ca urmare a curenților turbionari induși în pereții serpentinei (7), pe tronsonul situat în dreptul rotorului (V), serpentina (7) fiind izolată termic la exterior cu un material termoizolant (12) în vederea reducerii pierderilor termice.