风能转换模块的制作方法

本发明涉及能源领域，更具体地，涉及通过使用空气流动力产生电能的风力发电设备。

背景技术：

在现有技术中，用于导向带的风能转换模块是已知的，其是一个滑架，该滑架构造成沿着由桁架型的框架制成的路径移动，其包含安装在滑架上的翼轮廓，该滑架借助辊子悬挂(wo2016150561a)。

还已知一种用于铁路轨道的风能转换模块，其包括：配置为沿轨道移动的手推车，安装在手推车上的航行风能接收器，以及机械发电机(ep2078853a1)。

还已知一种用于导向带的风能转换模块，其包括：配置为由于风能而沿轨道移动的手推车，安装在手推车上的空气动力学轮廓翼形状的能量接收器，用于相对于风和壳体确定翼型方向的机械传动装置(fr2297333a1)。

还已知一种用于导向带的风能转换模块，其包括：可沿导向带移动的壳体，至少一个安装在壳体上的风能接收器，相对于风和壳体的风能接收器定向驱动器，控制系统，所述控制系统包括控制算法，其配置为当使用风能接收器的定向驱动器和刚性安装在壳体上的发电机来吹动风能接收器时，改变由风产生的力(wo2016154757a1)。

现有技术中已知的技术方案的共同缺点如下：

-无法控制模块的速度，导致在气流变化的情况下，无法在每个时刻都获得模块的最大风能效率。

-由于不可能改变翼面积和安装的发电机容量，系统有效的风速范围狭窄。据估计，最佳性能的传统风力发电机运行时间不超过15％的时间。其他日子，风太弱而无法操作，有时太强而无法操作。

-仅在高速下才能实现有效的运行模式，从而导致产生高容量的次声波，对动物和人类造成危险，鸟类大量死亡，需要在设备周围建立一个禁区；

-高负荷的结构元件，其迫使使用高昂的结构材料和技术。

-结构部件的尺寸和重量较大，其运输和安装需要独特的运输和安装操作。

-结构的可维护性低；更换任何大的部件都需要重复独特的运输和安装操作。

-当任何零部件发生故障时，结构的可操作性丧失，从而导致停机，直到维修完成。

所提出的最接近的一种风能转换模块，其包括沿着导向带移动的壳体、安装在壳体上的至少一个风筝状的风能接收器、相对于风和壳体风的能接收器的定向驱动器、控制系统以及发电机，该发电机配置为在壳体沿着导向带移动并在与导向带相连接的接触导轨的相互作用力时能够发电(ru2451826c2，公开于2012年5月27日)。已知的模块具有控制系统，该控制系统配置为控制由于所连接的电缆的形状的变形而引起的风筝的迎角。

无法控制模块的速度也可能是该模块的缺点，导致在空气流量变化的情况下，无法在每个时刻都获得模块的最大风能效率。

技术实现要素：

所要求保护的技术方案的目的是创建一种风能转换模块，其没有上述缺点，并且具有增加能量效率的多个额外优点。

该技术方案的技术效果是通过降低模块的速度，提供一个高的风能利用系数(cweu)。

该技术成果是通过一种风能转换模块来实现，该风能转换模块包括：沿导向带移动的壳体、安装在壳体上的至少一个风能接收器、相对于风和壳体的风能接收器的定向驱动器、控制系统，以及电能发生装置，所述电能发生装置在壳体沿导向带移动期间和导向带连接的接触引导件相互作用力期间发电，其中，根据本发明，控制系统通过改变电能发生装置的制动力来调节模块的速度。

模块的特定实施例是可能的：

-优选地，风能接收器制成翼轮廓的形状；

-其中，风能接收器可以制成具有变化的空气动力学轮廓和/或面积的翼形状；

-风能接收器也可以做成至少一个帆面形状；

-所述风能接收器被制成具有复合空气动力学轮廓的翼形状，所述复合空气动力学轮廓包括主轮廓和至少一个倾斜襟翼；

-所述风能接收器安装在所述壳体的中部，因此，当风吹时，来自风能接收器的壳体上的悬臂荷载得到补偿；

-当模块沿导向带水平移动时，风能接收器被垂直地定向；

-当模块沿导向带垂直移动时，风能接收器被水平地放置；

-所述壳体可沿轨道，特别是沿单轨移动；

-壳体沿导向带的移动可通过磁悬浮轴承实现；

-电能发生装置可以是旋转型的，并且与导向带连接的接触引导件的相互作用力是机械的；

-在另一个实施例中，电能发生装置可以是线性发电机的可移动部分，并且与所述导向带相连接的所述接触引导件的相互作用力是电磁的；

-所述线性发电机的可移动部分可被制成短轨，其配置为当在所述模块移动时通过与接触引导件的电磁相互作用而发电，所述接触引导件成形为齿上有绕组的软磁钢轨道；

-其中，所述控制系统包括电子控制模块，所述电子控制模块构造成使短导轨和接触引导件的齿轮导轨的齿磁化；

-所述机械的相互作用力通过由齿轮形成的传动装置和以固定齿条形式制成的接触引导件来实现；

-发电机可以制成阀电感式发电机；

-控制系统可以配置为将发电机转换为电动机模式；

-风速和风向传感器可以安装在壳体上；

-其中，控制系统被配置为从传感器接收信息，并且根据使用来自传感器的信息的算法，借助于风能接收器的定向驱动器来最佳地定向风能接收器；

-优选地，风能接收器的驱动器为伺服驱动器；

-控制系统可以包括用于改变风能接收器的方向的辅助空气动力学控制器；

-控制系统还可以被配置成改变空气动力学轮廓和/或改变翼面积，直到传递到叶片模式；

-所述壳体包括安装的除雪设备，用于清洁导向带和接触引导件。

所要求保护的技术方案的具体实施方案不限于上述公开的实施方案。

附图说明

所要求保护的技术方案的实质通过图形文件进行说明。

图1示出了风能转换系统以及风能转换模块(轨道设备的基本形式)的总体图。

图2-具有添加模块功能的轨道设备的类似实施方案。

图3-用于侧风运行的设备实施方案。

图4示出了风能转换系统的实施方案，其中，导向带部分安装在通道桥形状的支撑结构上，其中，风能转换模块被垂直地定向。

图5示出了风能转换模块的实施方案，其中，电能发生装置为线性发电机的移动部分，其配置为与接触引导件电磁相互作用。

图6示出了风能转换模块的实施方案，其中，电能发生装置为旋转式发电机。

图7示出了风能转换系统的实施方案，其中，导向带被制成单轨的形状。

图8示出了风能转换模块的实施方案，其中，由于风能转换模块与导向带的电磁相互作用使其能够沿着导向带移动。

图9示出了风能转换模块的实施方案，其中，风能接收器被制成具有复合空气动力学轮廓的翼形状，所述复合空气动力学轮廓包括主轮廓和至少一个倾斜襟翼。

图10和11示出了风能接收器的各种速度三角形。

实施方案的优选实施例

以下是在用作风能接收器的翼的示例中所要求保护的模块的实施例的理论基础。

使翼在气流上移动的直线部分定向的同时，实现模块移动是可能的。该模块的一个可能的实施例具有使翼在气流上运动的定向直线部分。

该系统的空气动力学计算表明，随着翼在整个气流中的速度不断提升，从一平方米的功率增至高速(从15m/s到200m/s，这取决于翼的空气动力学质量)。

这种相关性几乎是线性的。其中，翼结构上的负荷也在增加。

在这种情况下，主要影响标准是速度(翼在整个流动中的速度与风速之比)。

速度小于2时，翼的空气动力学质量起的作用很小；速度大于2时，翼轮廓的承载能力起很大的作用，空气动力学质量就变得很重要；当数值超过5时，它就变得至关重要。而且，翼速度越低，气流下冲越大。

对于设计的设备，翼的速度应限定为：

10m/s-15m/s-出于安全、环保和心理舒适的原因；

60m/s-出于气动噪声的原因；

5m/s-30m/s-出于转弯时离心过载的原因。

在实践中，在组织设备控制时，应考虑上述限制，达到翼的最高速度。

翼产生空气动力的能力取决于翼相对于局部气流的设定角。局部(在翼区域内)气流与自然风流的区别在于翼速度、制动和风力发电机的气流倾斜的矢量值。

控制参数：

输入参数：

-视风速；

-视风向；

-实际风速；

-实际风向；

-模块速度；

-模块之间的距离；

-模块通过转折点。

控制参数：

-相对于视风的翼设定角；

-襟翼相对于主翼轮廓的设定角度(当使用带有襟翼的翼时)；

-翼面积；

-模块速度；

控制参数和方法：

使用翼旋转伺服驱动器或借助伺服驱动的辅助空气动力学表面(稳定器)来设置翼相对于视风的设置角度。视风是由直接移动的翼感知到的风，这是将风力发电机的运行产生的所有速度矢量与实际风矢量相加的结果。

控制目标是相对于变化的视风保持恒定的最佳翼设定角度，当达到翼的空气动力限制时，随着风速的增加，根据算法逐渐减小设定角度(例如每1m/s的风速减小1°)。当模块从迎风行转向背风行时，伺服驱动器将翼角度转向相反方向，从而旋转翼推力矢量。方向传感器、风速传感器和转折点传感器提供初始数据。在使用伺服稳定器的情况下，它同时是风向传感器和气动放大器。

相对于主翼轮廓的襟翼设置角度(当使用带有襟翼的翼时)可通过襟翼伺服电机或借助伺服驱动的辅助气动表面(稳定器)进行设置。

控制目标是相对于主翼轮廓保持恒定的最佳襟翼设置角度，当达到翼的空气动力限制时，随着风速增加，根据算法逐渐减小设置角度(例如每1m/s的风速减小3°)。当模块从迎风行转向背风行时，伺服驱动器将襟翼角度转向相反方向，从而旋转翼推力矢量。方向传感器、风速传感器和转折点传感器提供初始数据。在使用伺服稳定器的情况下，它同时是风向传感器和空气动力放大器，并且执行两个功能-控制襟翼设置角和整体上控制翼设置角。

如果系统不使用数量改变的操作模块，并且发电机具有动力储备，则系统会根据特定的风况来设置翼面积，以实现操作翼的总面积的最佳值。

通过改变发电机的制动力来控制模块速度。发电机的制动转矩通过发电机的电子控制从完全制动变为负值，即在切换到电动模式之前。发电机确保制动，将移动的机械动力转换为电能。在完全制动的情况下，由于缺乏速度，机械性能为零。在零制动的情况下，速度最大，但由于缺少力，机械性能也为零。在这两种极端情况之间，对于每种风况，都有一个最佳点，机械功率和电功率在该点最大。发电机控制系统通过对提供给发电机线圈并从线圈获取的电流脉冲进行电子控制，来改变发电机产生的功率，从而改变发电机产生的制动扭矩。在最简单的情况下，发电机线圈直接在交流电网上运行，而自动确保模块速度与交流电网的频率同步。

控制目标：

-借助整个模块，确保最大可能的风能使用系数(cweu)。对于各总翼面积，都有一个最佳速度(沿导向带的翼速度与实际风速之比)，在该速度下，风力发电机的cweu最大。速度控制系统接收来自速度传感器和实际风方向传感器或视风方向传感器的数据、来自模块速度传感器的数据、有关其他模块位置的数据、调整发电机的制动扭矩，并始终保持最佳速度，考虑以下限制：导向带的此部分中的最大允许速度、导向带上模块的均匀分布、防止模块碰撞、维持一定频率所产生的交流直流电的必要性、考虑速度的必要性、发电机的电效率最高处。

-确保模块在启动时可分离的能力。大多数发电机具有很大的分离力，防止风力发电机在微风下启动。开关磁阻技术允许控制系统从模块速度传感器接收数据，以最大程度地减小分离力，以利于启动；

-确保紧急关闭模块。如果风速超过安全运行限制，则控制系统会从实际风速传感器或视风速传感器接收数据，对所有模块的发电机进行完全制动；

-确保运输操作的性能：将模块输入导向带，将模块从导向带输出，将模块运输到仓库。

风能转换模块包括壳体9，该壳体9配置为沿导向带1移动，至少一个风能接收器10接收安装在壳体9上。在这种情况下，风能接收器10可以制成翼轮廓或至少一个帆面的形状，或制成具有包括主轮廓和至少一个倾斜襟翼的复合空气动力学轮廓的翼形状。也可以将风能接收器10以其中间部分附接到壳体9，从而通过吹动的风来补偿风能接收器10在壳体9上的悬臂负载。随着风能转换模块沿导向带1的可能的垂直移动，风能接收器10被水平地定向。随着风能转换模块沿着导向带1的可能的水平移动，风能接收器10被垂直地定向。在这种情况下，壳体9本身可以被构造成沿着轨道或单轨移动。借助磁悬浮轴承可以使壳体9沿导向带1移动(图8)。

风能接收器10相对于风和壳体9的定向驱动器(未示出)包括具有操作算法的控制系统，并且该控制系统被配置为当吹动风能接收器10时，使用刚性地安装在壳体9中的风能接收器10的定向驱动器以及发电机6来改变由风产生的力。风能接收器10的定向驱动器可以制成伺服驱动器的形状。

在这种情况下，发电机6可以是线性发电机的可移动部分(图5)，其与接触引导件3电磁相互作用，其中线性发电机的可移动部分制成短轨4的形状(齿5上具有绕组)，其配置为当模块通过与接触导向器3的电磁相互作用移动时发电，并通过接触装置8将电力传输到网线7，该接触装置8制成软磁钢制轨道形状。另外，发电机6可以是旋转式发电机(图6)，其中，力相互作用是机械的，并且机械力相互作用是通过成形为齿轮轨道13和齿轮14的齿轮传动-滚动接触轨道，并通过接触装置8)将电力传输到网线7来实现，该接触装置8制成软磁钢制轨道形状。发电机6也可以制成叶片电感型发电机形状。

其中，在任何情况下，控制系统都可以改变发电机6和接触引导件3的力相互作用。控制系统可以将发电机转换为电动机模式；

控制系统可从传感器接收信息，并且根据使用来自传感器的信息的算法，借助于风能接收器10的定向驱动器来最佳地定向风能接收器10。可以使用安装在壳体9上的诸如风速传感器和风向传感器(未示出)的传感器。而且，控制系统可以包括用于改变风能接收器10的方向的辅助空气动力学控制器(未示出)。在超过算法指定的风速的情况下，控制系统可以通过改变风能接收器10相对于风的设定角度直至传递到叶片模式来减小空气动力。

控制系统可以针对不同的风速设置最佳的空气动力学轮廓和翼面积。

风能转换系统中的模块运行如下。

当风吹动安装在模块上的风能接收器10时，产生空气动力。该力使模块沿着导向带1移动，其中，根据风的方向，风能接收器10始终沿风向定向，以在导向带的各部分中产生最佳推力。发电机6与接触引导件3相互作用，接触引导件3又与导向带1连接。由于通过由发电机6和接触引导件3的相互作用产生的力所做的功，发电机6产生电流，该电流又被传输到沿着导向带1铺设的网络上。其中，由于发电机6实际上是在风力的影响下使模块6移动的制动器，控制系统根据发电的参数连续地控制模块自身的速度。

控制系统还控制在特定时间内，在导向带1上显示的模块数量。同时，例如，为了诊断或维护模块，将其驱动到软件仓库中，而无需关闭整个系统，并且在给定时间卸下所有模块。为此，首先，考虑到所需模块的当前位置，将导向带1的部分从沿着闭合轮廓的移动切换到接下来的仓库的部分。如果此时或在该区域中的风能不足以进行这种控制，则电能发生装置6被转换为电动机模式，从而消耗来自网络的电力。类似地，专用模块(例如诊断或除雪模块)，在导向带1上被引导。应当注意，在通常情况下，系统的上述运行不取决于导向带1、发电机6、承载在导向带1上的模块的类型，在特定情况下是如何精确制造的。