СПОСОБ ОРИЕНТАЦИИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ГОРИЗОНТАЛЬНО-ОСЕВЫМИ ПРОПЕЛЛЕРНЫМИ ТУРБИНАМИ
METHOD OF ORIENTING WINDMILLS WITH HORIZONTAL AXIAL PROPELLER-TYPE TURBINES

Способ ориентации ветроэнергетических установок с горизонтально-осевыми пропеллерными турбинами
Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам с горизонтально-осевыми пропеллерными турбинами.
В настоящее время ветроэнергетические установки (ВЭУ) с горизонтально-осевыми пропеллерными турбинами (ГОПТ) составляют более 90% в мировом эксплуатируемом парке ВЭУ. Наибольшая эффективность ВЭУ с ГОПТ достижима только при условии постоянной коллинеарности ее оси и направления ветрового потока (ВП), что обеспечивается различными способами.
Известен способ ориентации оси ГОПТ на ВП, реализованный в гирляндно-горизонтальной флажково-пропеллерной роторной электростанции (см. патент RU №2239091, кл. F03D 3/00 от 02.04.2003), по которому ветротурбины монтируют на опорных столбах и объединяют в несколько прямолинейных горизонтальных гирлянд, каждая из которых вращает свой электрогенератор. Достоинством данного способа ориентации является отсутствие необходимости применения специальной системы ориентации оси ГОПТ. Однако этот способ имеет существенные недостатки, такие как низкие коэффициент полезного действия (КПД), а также громоздкость конструкции.
Необходимость применения автоматической ориентация ветроколеса по направлению ВП для ВЭУ с ГОПТ оговорена в ГОСТ Р 51991-2002. Способы обеспечения коллинеарности оси ГОПТ и направления ВП, в которых используют системы ориентации (СО) ВЭУ (см. ГОСТ Р 51237-98) очень широко применяют на практике.
Например, в СО ветрогенераторов фирмы «Nordex» (см. http://vetrodvig.ru/?p=1359) направление ВП постоянно отслеживают двумя флюгерами, которые располагают на головке ветрогенератора. При изменении направления ветра относительно текущего положения горизонтальной оси ВЭУ на выходе датчиков положения флюгеров появляется сигнал, которым после усиления поворачивают головку ветрогенератора с помощью двух двигателей с трансмиссиями, которые перемещают по поворотному кольцу. После прекращения поворота головку фиксируют поворотными тормозами. Поворотные тормозные системы располагают по окружности поворотного кольца и на скоростном валу трансмиссий поворотных двигателей. Наличие в ВЭУ специальной системы ориентации на ВП существенно усложняет их конструкцию, повышает стоимость изготовления и снижает надежность работы.
Известны ВЭУ, у которых отсутствует СО, а ориентацию оси ГОПТ на ВП выполняют посредством флюгера. Например, в ВЭУ изготавливаемых фирмой Aermotor windmill company (http://www.aermotorwindmill.com/how-a-windmill-works.html?id=52).
Из известных наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому техническому решению являются ВЭУ, изготавливаемые фирмой Anhui Hummer Dynamo Co., Ltd (см, например, http://hummer.china-manufacturer-directory.org/windmill-generators/2000w_Windmill_Turbine/).
По способу, реализованному в этой ВЭУ, саму ГОПТ размещают с одной стороны вертикальной оси вращения ВЭУ, а флюгер, выполненный в форме вертикального оперения, размещают с другой стороны этой оси. При этом произведение площади флюгера на расстояние от вертикальной оси ВЭУ до геометрического центра флюгера выбирают таким, чтобы оно превышало по величине произведение площади боковой проекции ветроколеса на расстояние от геометрического центра этой проекции до вертикальной оси ВЭУ. В первом приближении, отмеченное выше неравенство выбирают без учета площади боковой поверхности конструкции другого оборудования ВЭУ находящегося на ее горизонтальной оси. Таким образом, центр бокового давления (ЦБД) всей горизонтальной конструкции ВЭУ, вращающейся вокруг вертикальной оси, располагают позади (относительно направления ветра) этой оси. Конструкция по отношению к ВП становится статически устойчивой и при любом изменении направления ВП плоскость вращения ветроколеса всегда будет разворачиваться в положение, перпендикулярное направлению ВП.
У известных ВЭУ с ГОПТ наряду с достоинствами имеются и существенные недостатки. Например, такие, как:
- вращающиеся лопасти ветроколеса создают значительную звуковую нагрузку на окружающую среду;
- для эффективного размещения ВЭУ необходима площадь с минимальным приземным ветровым сопротивлением, которое снижает эффективную скорость ветра, и т.д.
Ориентацию ВЭУ с ГОПТ на ВП посредством флюгера, который размещают на одной оси с ветроколесом, выполняют для относительно маломощных ветрогенераторов. Например, в линейке моделей ВЭУ, производимых компанией Anhui Hummer Dynamo Co., Ltd, мощность ветрогенератора с флюгером не превышает 2000 ватт.
Перечисленное вместе с постоянно возрастающей стоимостью земельных участков, пригодных для размещения ВЭУ, приводит к увеличению проблем с размещением ВЭУ большой мощности.
Предлагаемое техническое решение в форме способа ориентации на ВП группы ВЭУ большой мощности с ГОПТ позволяет применить для ее ориентации принцип флюгера, исключить негативные экологические факторы и объективно разместить ВЭУ на участках местности с минимальным ветровым сопротивлением. Кроме того, в этом случае упрощается конструкция ВЭУ с ГОПТ, повышается их надежность, существенно снижается стоимость.
В состав ВЭУ классической конструкции с ГОПТ входит:
1. Опорная башня (сварная, решетчатая, трубчатая сборная и т.п.).
2. Гондола - в ее корпусе обычно размещается рабочий вал, на внешнем конце которого ГОПТ, а на другом - внутри ее - вариатор, генератор и т.д., а сама она закреплена на кольце поворота.
2.1 Собственно ГОПТ (например, из армированного полиэфира).
2.2 Система поворота вокруг вертикальной оси. Ориентирование гондолы на ВП происходит под воздействием хвостового оперения (флюгера) для маломощных ВЭУ и, автоматически, с помощью следящей системы с серводвигателем - для мощных ВЭУ.
2.3 Кольцо поворота гондолы (вращающая платформа) на верху опорной башни.
2.4 Вращающийся трансформатор (для передачи электроэнергии на стационарные, неподвижные приемники на земле).
3. Тормоза и аварийная тормозная система.
В предлагаемом способе ликвидируются узлы 2.2, 2.3, 2.4.
Для реализации предлагаемого способа ориентации ВЭУ с ГОПТ устанавливают на плавающей платформе (ПП) в некотором водоеме (например, море, озеро, пруд) с возможностью ее вращения в горизонтальной плоскости вокруг некоторой вертикальной оси, при этом, для устойчивой ориентации осей ГОПТ параллельно направлению ВП, используют такие ПП, конструкция которых симметрична их диаметральной плоскости. При этом на ПП жестко закрепляют опорные башни, расположенные в оптимальном порядке на палубе, на верхней оконечности каждой опорной башни на площадке размещают корпус ГОПТ и генератор (обычно на общем валу или через вариатор). В носовой оконечности ПП, в ее т.н. диаметральной плоскости (вертикальной плоскости симметрии ПП), шарнирно закрепляют один конец гибкой тяги (например, якорной цепи), другой конец которой шарнирно закрепляют на якоре. Центр бокового давления всей конструкции ПП обычно обеспечивает ее статическую устойчивость (положение осей всех ГОПТ параллельно воздушному потоку).
Однако в некоторых конструкциях ПП площади его бортов не достаточно для стабилизации положения ПП относительно ветрового потока (например, ПП на базе понтонов). Для повышения статической устойчивости ПП с несколькими ВЭУ на ее корме устанавливают на мачте кормовой парус, плоскость которого закрепляют в диаметральной плоскости ПП. При этом относительно положения якоря (центра вращения ПП) мачта с парусом имеет большое плечо и создает эффективный момент, обеспечивающий установку ПП в устойчивое положение, гарантирующее направление воздушного потока параллельно осям ГОПТ ВЭУ.
Однако в ряде случаев при превышении номинальной скорости воздушного потока целесообразно для ограничения оборотов ГОПТ отклонять плоскость кормового паруса от диаметральной плоскости ПП на угол β вручную или автоматически, например с помощью датчика скорости воздушного потока и соответствующего привода.
При установке на ПП нескольких опорных башен с ГОПТ их размещают, например, рядами от носа к корме, симметрично относительно диаметральной плоскости ПП, при этом высоту опорных башен выполняют различной в их четных и в нечетных рядах. Для уменьшения влияния на работу ВЭУ больших волн ПП размещают, например, в водоеме за волноломом. При использовании ПП с рассматриваемыми ВЭУ на море, при штормоопасности необходимо ПП самоходом или буксировкой размещать в защищенном месте.
В таблице приведены сравнительные характеристики существенных признаков заявляемого изобретения.
В предлагаемом техническом решении способа ориентации группы ВЭУ с ГОПТ в качестве поворотной платформы применяют не платформу, установленную на верхнем конце опорной башни с возможностью поворота вокруг вертикальной оси платформы, как в прототипе, а плавающую в водоеме платформу ПП, на которой установлены одна или несколько опорных башен, на верхней оконечности каждой башни установлена площадка, на которой жестко (без возможности вращения вокруг вертикальной оси) закреплена ГОПТ. Вместо вертикальной оси, вокруг которой вращаются в общеизвестном классическом случае ГОПТ при ориентации на ветер, в рассматриваемом способе применяют вертикальную ось, проходящую через точку шарнирного крепления якоря. В предлагаемом способе ориентации ВЭУ функцию флюгера выполняет корпус плавающей в водоеме ПП с ВЭУ и ГОПТ с кормовым парусом.
На Фигуре 1 представлен один из возможных вариантов реализации предлагаемого способа.
На фигуре 1 обозначены:
1. Корпус плавающей платформы.
2. Якорь.
2а. Гибкая тяга, например трос-якорная цепь.
3. Кормовой парус.
3а. Мачта.
5. Опорная башня.
5а Упор башни.
6. Горизонтально-осевая пропеллерная турбина.
В - вариатор.
АГ - асинхронный генератор.
Способ ориентации ветроэнергетической установки с горизонтально-осевым ветродвигателем относительно направления ветра осуществляют следующим образом.
К якорю 2 посредством гибкой тяги 2а шарнирно прикрепляют носовую оконечность ПП 1. На ПП 1 жестко закрепляют опорные башни 5, расположенные в оптимальном порядке на палубе. На верхней оконечности каждой опорной башни 5 на площадке размещают корпус ГОПТ 6 вместе с генератором АГ и вариатором В на общем валу. На корме ПП 1 в плоскости, параллельной диаметральной плоскости ПП, на мачте 3а закрепляют кормовой парус 3. ПП 1 размещают на поверхности водоема, а якорь 2 жестко закрепляют на его дне. ЦБД всей конструкции ПП 1 с установленным на нем оборудованием и парусом 3 смещен относительно вертикальной оси, проходящей через якорь 2. При любом изменении направления ветра относительно его исходного направления ЦБД будет приложена по нормали к боковой поверхности ПП 1 и паруса 3.
В результате, к конструкции ПП будет приложен момент силы относительно вертикальной оси, проходящей через якорь 2 (с большим плечом относительно мачты паруса). Этот момент силы развернет ПП 1 в положение, при котором оси ГОПТ 6 будут вновь направлены параллельно текущему направлению ветра.
Таким образом, применение предлагаемого способа ориентации ВЭУ с ГОПТ позволит:
- упростить, удешевить и повысить надежность ВЭУ за счет исключения специальной системы ее ориентации;
- при размещении ВЭУ на значительном удалении от береговой линии водоема, например в открытом море, исключить негативное влияние ее работы на экологию.
- при размещении ВЭУ, например, в открытом море исключить затраты на оплату отчуждаемого под ВЭУ земельного участка;
- при размещении ВЭУ, например, в открытом море максимально использовать эффективную скорость ветра, поскольку ветровое сопротивление поверхности моря минимально.
- полученную на ПП электроэнергию следует передавать на берег по кабелю или накапливать в комплекте аккумуляторов, размещенных на ПП.