Ветроэнергетическая установка
WIND POWER PLANT

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть применено для выработки электроэнергии в условиях пульсаций скорости ветра.
В настоящее время практический интерес представляет создание горизонтально-осевых ветроэнергетических установок (ВЭУ) пропеллерного типа малой и средней мощности, работающих при среднегодовых скоростях ветра V=3-6 м/с. Однако скорость ветра редко является стабильной величиной и может во время шквала резко кратковременно изменяться до 20-30 м/с. Для стабильной работы ВЭУ малой и средней мощности необходимо применять системы защиты от урагана и активной самоориентации (за счет взаимодействия элементов ветроустановки с ветровым потоком).
Наиболее часто в качестве устройств ориентации для горизонтально-осевых ВЭУ малой и средней мощности применяют хвостовик или флюгер. Основное требование к системе активной самоориентации на направление ветра следующее: при всех режимах работы должна соблюдаться устойчивость положения гондолы в потоке, т.е. ориентация должна выполняться только при существенном и относительно долговременном изменении направления ветра, а не при случайных его пульсациях.
Система защиты от урагана должна предотвращать разрушение ВЭУ вследствие чрезмерного раскручивания ветроколеса. Для реализации подобных систем применяют различные способы торможение ветроколеса или поворота его оси относительно потока.
Известен способ торможения ветроколеса ветроэнергоустановки, при котором ротором с вращающимися вокруг оси ротора подвижными элементами взаимодействуют с воздушным потоком, поток дополнительно тормозят и уменьшают усилие его взаимодействия с подвижными элементами ротора при увеличении скорости потока, а результат взаимодействия ротора с потоком подводят к нагрузке; дополнительное усилие торможения сосредотачивают по оси ротора, сравнивают усилие дополнительного торможения с расчетным усилием, возникающим на роторе от центробежных и аэродинамических сил при минимальной рабочей скорости потока, и при превышении усилия дополнительного торможения прикладывают его к каждому подвижному элементу одновременно (Патент РФ №2172864 С2, опубл. 27.08.2001).
Недостатком данного способа является узкий диапазон регулировки, поскольку торможение ветроколеса прямо связано с жесткостью пружин. При весьма больших скоростях ветра (ураган) необходима достаточно большая жесткость пружин, однако при субураганных, скоростях ветра слишком большая жесткость пружин не позволит осуществить сложение лопастей и торможение ветроколеса.
Известен электромеханический способ торможения ветроколеса ветроэнергетической установки путем фиксации ротора электрогенератора электромагнитным устройством (УЭ) при превышении скорости вращения лопастей ветроколеса допустимого предела (Патент РФ №2336433 С1, опубл. 20.10.2008).
Недостатком данного способа является то обстоятельство, что он может быть эффективен лишь при низком пороговом значении скорости ветра ввиду больших ударных воздействий на элементы УЭ, в частности на «пальцы» тормоза.
Более эффективны и надежны электрические способы торможения ветроколеса ветроэнергетической установки.
Известен способ торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, путем увеличения крутящего момента, противодействующего вращению ветроколеса при достижении частоты вращения ветроколеса предварительно заданного порогового значения; согласно известному способу определяют частоту вращения ветроколеса с помощью датчика оборотов вала генератора и, если частота вращения ветроколеса достигла порогового значения, закорачивают, по меньшей мере, одну из обмоток генератора (Патент РФ №2430463 С2, опубл. 27.09.2011). Как отмечается в формуле изобретения (п. 89) и в описании указанного выше технического решения, принятого за прототип настоящего изобретения в части способа, при нормальной работе крутящий момент подстраивается под оптимальные характеристики и/или максимальную выдаваемую мощность. При ветре, превышающем допустимую силу, схема управления регулирует момент для снижения аэродинамических характеристик, что необходимо для поддержания выдачи желаемого уровня мощности. В режимах, включения, например, при одном или нескольких отказах схем управления, потере мощности в какой-либо части устройства для генерирования электрической энергии при ураганном ветре управление ветроколесом осуществляется путем повышения крутящего момента посредством закорачивания обмоток. При этом ток в обмотках генератора начинает резко нарастать, однако явление самоиндукции препятствует любым изменениям тока в обмотках, создавая встречный момент, тормозящий вращение вала генератора. Собственная энергия тока самоиндукции численно равна работе, которую должен выполнить ветер для преодоления э.д.с. самоиндукции. Ветроколесо таким образом тормозится, но полностью остановиться не может, так как при полной остановке исчезает ток самоиндукции, а значит и сопротивление вращению ветроколеса. Ветроколесо в конечном счете будет медленно вращаться, что является основным недостатком способа по патенту RU 2430463 С2, поскольку ремонтные и профилактические работы возможны только при полностью остановленном ветроколесе. При реализации данного способа указанные работы возможны только с использованием дополнительных механических средств для фиксации ветроколеса. Кроме того, при весьма сильном (ураганном) ветре ток короткого замыкания может достичь величины, которая вызовет повреждение обмоток генератора.
Известно техническое решение «Лопастное устройство» (Патент РФ №2272932, МПК F03D 1/00, опубл. 27.03.2006 г.), содержащее лопасти, кинематически связанные с генератором электрической энергии, при этом оно выполнено в виде флюгера с направляющим хвостовиком, исполняющим функцию самоориентации.
Недостатком данного изобретения является то, что при простоте конструкции хвостовика, устройство ориентации, имеет повышенную скорость поворачивания лопастного устройства вокруг ее вертикальной оси, что в случаях резких порывов ветра может привести к разрушению конструкции.
Известно техническое решение «Ветроэнергетическая установка» (Патент РФ №111893, МПК F03D 1/02, опубл. 27.12.2011 г.), содержащее основное и вспомогательное ветроколеса, трубу с поворотной головкой и исполнительным механизмом, руль, который шарнирно соединен с хвостовиком, и который имеет два рычага, причем, с одним рычагом соединена пружина возврата, а второй рычаг через гибкую тягу соединен со шкивом вспомогательного ветроколеса, установленного в раме руля и имеющего вертикальную ось вращения. На рычаги хвостовика установлены фиксируемые ползуны, позволяющие изменять положение точек приложения сил на рычагах, причем один из ползунов соединен с пружиной возврата, а второй - со шкивом вспомогательного ветроколеса. Между рамой руля и хвостовиком шарнирно установлен телескопический ограничитель поворота, состоящий из двух труб, причем внутренняя труба имеет паз, длина которого соответствует углу поворота хвостовика на 90°, а на наружной трубе закреплен винт-фиксатор, который проходит через паз внутренней трубы, ограничивает перемещение труб в крайних положениях паза и фиксирует их относительно друг друга.
Недостатком является достаточно сложная конструкция устройства.
Известно техническое решение «Устройство защиты ветроэнергетической установки от внезапного порыва ветра», заявка на изобретение (Заявка на патент РФ №98111380, МПК F03D 1/00 от 09.06.1998), отличающееся тем, что лопасть ветрового колеса, крепится на своей оси в корпусе колеса со смещением центра вращения лопасти относительно центра давления ветра на лопасть на расчетный размер, и при возрастании давления ветра на лопасть, превышающего заданную величину, она, преодолевая усилие пружины, удерживающей лопасть в рабочем положении, поворачивается на оси и пропускает порыв ветра с наименьшим ему сопротивлением, а после окончания воздействия сверхдопустимого порыва ветра лопасть под воздействием пружины возвращается в исходное положение.
Недостатком данного устройства является невозможность самоориентирования ветроколеса в потоке ветра.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и взятому за прототип является «Ветроэнергетическая установка» (патент РФ №2504687, МПК: F03D 7/00, опубл. 20.01.2014 г.), которая содержит опорную башню, ветроколесо, гондолу электроагрегата, поворотное основание, снабженное устройством ориентации на ветровой поток, выполненным в виде хвостовика двухкилевой схемы. Изобретение обеспечивает возможность поворота плоскости ветроколеса с горизонтальной осью вращения относительно ее вертикальной оси вращения при небольшой скорости набегающего потока.
Недостатком изобретения является невозможность его использования при резких изменениях скорости ветра.
Технической проблемой настоящего изобретения является необходимость реализации возможности осуществлять плавный поворот ВЭУ по направлению ветра при повышенных значениях скорости ветра и торможение ротора при очень сильных порывах.
Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является повышение срока службы ветрогенераторов, что позволяет гораздо реже производить их обслуживание.
Технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей опорную башню, ветроколесо, гондолу электроагрегата, поворотное основание, снабженное устройством ориентации на ветровой поток, выполненным в виде хвостовика двухкилевой схемы, отличающееся тем, что имеет две лопасти, расположенные под углом 90 град относительно друг друга, одна из которых является неподвижной, а другая ориентирующая, содержит узлы устройства линеаризации - механическое пороговое реле и сглаживающий амортизатор. Благодаря этому, при порывистом ветре, ВЭУ не будет резко разбалтываться из стороны в сторону на оси мачты, испытывая разрушительные нагрузки, а будет совершать медленные, плавные повороты к потоку ветра. После окончания шторма, ВЭУ автоматически переходит в штатный режим работы без участия человека.
В случае, если ветер имеет характер краткосрочных, непродолжительных порывов, в целом не опасных для работы конструкции, но достаточных для срабатывания системы защиты от урагана, система имеющая плавность хода при уводе установки из направления потока ветра, может сглаживать данные порывы, не давая установке полностью установиться под углом к направлению потока ветра, сохраняя ее в состоянии генерировать электрический ток.
Применение данной системы позволит значительно увеличить срок службы ВЭУ и увеличить диапазон скоростей ветра, при которых установка будет находиться в работоспособном состоянии, не смотря на срабатывание защиты от урагана.
Новизной данного предлагаемого изобретения является применение хвостового оперения, состоящего из двух лопастей, представляющих собой беспрофильные, прямоугольные кили, ориентированные друг к другу под углом 90 градусов и установленные вершиной угла на оси ВЭУ, одна из которых является неподвижной, а другая ориентирующая, содержит узлы устройства линеаризации - механическое пороговое реле и сглаживающий амортизатор.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом: фиг. - Схема ветроэнергетической установки. Позициями на чертеже обозначены: 1 - опорная башня, 2 - ветроколесо, 3 - гондола с электроагрегатом, 4 - поворотное основание, 5 - хвостовое оперение, 6 - неподвижная лопасть, 7 - подвижная лопасть, 8 - механическое пороговое реле, 9 - амортизатор.
Ветроэнергетическая установка содержит опорную башню 1, на которой установлены ветроколесо 2, гондола с электроагрегатом 3 и поворотное основание 4, на котором установлено хвостовое оперение 5 с килем из двух лопастей - неподвижной 6 и подвижной 7 которая соединена с механическим пороговым 8 реле и амортизатором 9.
Работает ВЭУ следующим образом
Представляя собой объект с высоким аэродинамическим сопротивлением, хвостовое оперение 5 развивает механический момент, приложенный к оси крепления ВЭУ на опорной башне выполняя свое ориентирующее свойство по направлению потока ветра. Размер каждой лопасти 6, 7 хвостового оперения 5 выбирают таким, что бы каждая лопасть развивала достаточный момент сил к оси крепления ВЭУ, превосходящий момент сил, развиваемый ветроколесом 2, тормозящим поток ветра, чтобы самостоятельно ориентировать ВЭУ на поворотном основании 4 по ветру без наличия другой лопасти. При совместной работе до срабатывания защиты от урагана, лопасти 6 и 7 устанавливают под углом 90 градусов друг к другу и их ориентирующее свойство сохраняется. После срабатывания защиты от урагана, подвижная лопасть 7 освобождается от блокировки пороговым реле 8 и начинает выстраиваться по направлению потока ветра. Фиксированная лопасть 6, имеющая положение под углом 135 градусов к направлению потока ветра, воспринимает на себя нагрузку от ветрового потока и меняет положение гондолы с электроагрегатом 3 на поворотном основании 4, устанавливая ее под некоторым углом к направлению потока ветра, тем самым уменьшая давление ветра на ротор ветроколеса и уменьшая на него ветровую нагрузку, в чем и заключается защита от урагана. Подвижная лопасть 7 после срабатывания защиты от урагана и появления возможности двигаться ограничена в скорости своего движения специальным демпфирующим устройством ^ амортизатором 9, который предназначен для уменьшения скорости перемещения подвижной лопасти 7, чем достигается плавность в переориентации положения ВЭУ относительно направления ветрового потока. Способность перемещаться плавно позволяет избавиться от разрушительных нагрузок на элементах конструкции всей установки, которые обусловлены наличием гироскопических сил вращающегося ветроколеса 2 и созданного ими момента сил, на ступице, валу генератора и на оси крепления ВЭУ на опорной башне 1.
Новизной данной конструкции является наличие в ориентирующем хвостовом оперении 5 двух лопастей 6 и 7, одна из которых подвижная 7 и может менять свое положение в потоке ветра, что приводит к изменению ориентации ВЭУ относительно направления потока. Подвижная лопасть 7 плавно изменяет скорость своего положения с помощью демпфирующего устройства - амортизатора 9.
После срабатывания защиты от урагана, подвижная лопасть 7 имеет возможность движения и стремится установиться по направлению потока воздуха, теряя свои ориентирующие свойства. Амортизатор 9 не позволяет сделать это мгновенно, а делает ее движение замедленным, с заранее выбранной величиной замедления движения, которое устанавливается величиной демпфирования амортизатора. В результате ВЭУ совершает уход из направленного потока ветра не резко, а плавно, чем самым достигается снижение разрушительных нагрузок, связанных с наличием больших моментов сил, как со стороны вращающегося ротора ветроколеса 2, так и хвостового оперения 5.
Дополнительным важным результатом является то, что если ураганный порыв был краткосрочным и не существенным, но достаточным для срабатывания системы защиты от урагана, то благодаря свойству демпфирования и плавности увода ВЭУ, порыв может краткосрочным, резким и быстро закончиться, а ВЭУ вернется в рабочее положение, не совершив полного увода от направления потока ветра и не потеряв генерирующую электрический ток функцию.
Механическое пороговое реле 8 является элементом, который удерживает подвижную лопасть в фиксированном состоянии до некоторого, заранее установленного значения приложенного к нему механического момента, со стороны подвижной лопасти. Момент срабатывания порогового реле выбирают самостоятельно, оно должно срабатывать с некоторого значения скорости ветра, которое мы считаем ураганом и определяем по нему момент срабатывания защиты от урагана.
Пример. Для подтверждения заявленного технического результата было проведено математическое моделирование в ППП Matlab предлагаемой конструкции ВЭУ с системой защиты. Результаты математического моделирования показали, что скорость поворота ветроколеса, после срабатывания защиты от урагана и разблокирования подвижной лопасти, может регулироваться в широких пределах в зависимости от выбранной величины демпфирования амортизатора и, например, при скорости ветра 16 м/с и диаметре ротора 1 м. составляла 60 градусов за 5 секунд. На такую величину произошло; отклонение плоскости ветроколеса от направления потока ветра и установка его в новом равновесном положении, соответствующем изменившейся аэродинамики всей системы. До установки амортизатора, после срабатывания защиты и разблокирования подвижной лопасти, установка меняла свою ориентацию за 1 секунду.
Это свидетельствует о том, что благодаря значительному замедлению скорости поворота, разрушительные нагрузки, обоснованные наличием моментов сил на элементах конструкции, также значительно уменьшатся. При порыве ветра, продолжительностью, например, 1 секунду, ветряк отклонится всего на 12 градусов, что не нарушит его работоспособности и он продолжит генерировать ток, несмотря на сработавшую защиту от урагана. Все перечисленное показывает, что данное устройство позволяет достичь заявленных целей.
По сравнению с известными аналогами, предлагаемое изобретение ВЭУ с горизонтальной осью вращения обладает следующими достоинствами. Изменение положения ветроустановки относительно направления потока ветра, при уводе ее системой защиты от урагана после срабатывания защиты от урагана, происходит плавно, а не резко. Благодаря этому ветроустановка испытывает значительно меньше разрушительных нагрузок, возникающих в результате быстрого изменения положения в пространстве системы, находящейся под одновременным разнонаправленным воздействием больших механических моментов сил. Ветроустановка, благодаря плавности хода при переориентации от направления потока ветра, способная «проглатывать» кратковременные порывы ветра, свойственные ветрам некоторых регионов и сохраняет работоспособность, несмотря на кратковременное срабатывание системы защиты от урагана, тем самым увеличивается продолжительность работы и генерация тока, не смотря на не качественный, в смысле порывов, ветер. В целом, применение данного устройства увеличивает срок службы ветроустановки и увеличивает ее производительность в сравнении с установками, не обладающими такой системой.