СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРЯНОГО ГЕНЕРАТОРА
METHOD AND DEVICE FOR PREVENTION OF WIND GENERATOR BLADES ICING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ветровым генераторам электрической энергии, более конкретно - к средствам предотвращения обледенения лопастей ветряных генераторов, в частности, высокой мощности.
Уровень техники
Чтобы разрешить проблему окружающей среды и замены ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии, человечество интенсивно осваивает новые, безопасные для природы виды энергоресурсов. Одним из таких ресурсов является энергия ветра. Сегодня энергия ветра используется для выработки электрической энергии. В процессе работы ветроэнергетической установки лопасти турбины подвергаются неблагоприятным природным воздействиям. Особенно в районе Юньнань-Гуйчжоуского нагорья, где очень сыро и холодно, лопасти турбины легко подвергаются обледенению. Обледенение лопастей турбины ветрогенератора вызывает понижение мощности и может вызвать полную остановки турбины. При обледенении, массовый дисбаланс турбины может привести к увеличению нагрузки на основание ветрогенератора. Во время вращения турбины, замерзшие куски льда падают с большой высоты и представляют опасность. Поэтому, предотвращение обледенения лопастей ветряного генератора, а также их скорейшее очищение ото льда стало одной из актуальных задач в ветроэнергетике. Стоит отметить, что во многих странах имеются огромные территории, покрытые льдом. В таких районах, как Юньнань-Гуйчжоуское плато, на данный момент уже эксплуатируемые обычные ветряные установки так же столкнулись с необходимостью применения технологий предотвращения оледенения турбины.
В настоящее время известны ряд патентов, направленных на защиту лопастей ветряных генераторов от обледенения. Известен патент датской компании «Вестас» по производству ветроэнергетических систем (номер патента CN 101821500 A), в котором описано применение вибрации для сброса намерзшего льда с лопастей турбины установки. Однако, вышеизложенный способ используется только для очистки ото льда неработающего ветряного генератора, и не может быть использован для предотвращения обледенения лопастей.
Известен патент US 6676122 B1, в котором генерируется горячий воздух, который проходит через трубопровод и попадает в лопасти турбины, тем самым нагревая их, одновременно осуществляя охлаждение генератора. Однако в данном патенте не раскрывается расположение труб подачи тепловых потоков внутри лопасти.
Известен патент китайской компании CN 102748243 А, согласно которому вблизи основания лопасти устанавливается нагнетатель горячего воздуха, а также используется канал с адиабатическим течением, с помощью которого горячий воздух попадает в кромку лопасти. Данный патент раскрывает расположение труб внутри лопасти, однако он не дает ясного представления о том, каким образом осуществляется управление подачей теплого воздуха, а также о расположении датчиков температуры.
Известные из ряда патентов технические решения, направленные на управление удалением льда с лопастей турбин, однако невозможно применить на работающих ветряных генераторах. Известен способ предотвращения/очищения льда, разработанный немецкой компанией Encrocn, который уже используется на практике, однако конструкция устройства для его осуществления достаточно сложная. Опытные данные показывают, что подача горячего воздуха для нагрева внешней стороны лопасти позволяет довольно надежно предотвратить обледенение. Однако эксплуатационные свойства данной технологии требуют улучшения.
Ниже представлен перечень известных технических решения в данной области, раскрытые патентных документах:
1) способ и устройство для предотвращения замерзания турбины ветряного генератора, номер заявки 201110131800.3;
2) способ очищения льда с лопастей ветряного генератора, номер заявки 200880110464.0. Очищение льда с лопастей турбины происходит после остановки ветряного генератора. Этот способ состоит в том, что управляют ускорением вращения лопастей генератора и замедлением вращения, в результате чего лед стряхивается с лопастей генератора;
3) конструкция турбины, способной предотвращать обледенение, а также очищать лопасти ото льда, номер заявки 201210244203.6. Данное техническое решение состоит в том, что устанавливают нагнетатель горячего воздуха вблизи основания лопасти, а также применяют канал с адиабатическим течением для подачи горячего воздуха в кромку полости;
4) способ очищения ото льда крупных лопастей ветряного генератора, номер заявки 201010581255.3;
5) устройство, препятствующее обледенению и застыванию лопастей ветряного генератора, номер заявки 201310013318.9;
6) устройство, очищающее лопасти ветряного генератора ото льда с помощью горячего воздуха, номер заявки 201310512948.0;
7) лопасть ветряного генератора, препятствующая обледенению и соответствующий способ, номер заявки 201110283973.7;
8) система очищения ото льда турбины ветряного генератора, самого генератора и лопастей, номер заявки 201310404500.7.
Все вышеперечисленные патенты раскрывают способы предотвращения бледенения, очищения ото льда, а также их устройства для их осуществления. Однако анализ показывает, что раскрытые в них средства недостаточно эффективно препятствуют обледенению и, в основном, направлены на устранение последствий обледенения. Лишь немногие из известных средств ставят задачу предотвратить обледенение. Технологии предотвращения обледенения лопастей необходимо совершенствовать для достижения высоких функционального и эксплуатационного качества.
Раскрытие сущности изобретения
Настоящее изобретение разрешает следующую задачу: создать способ и устройство для предотвращения обледенения лопастей ветряного генератора за счет нагрева кромок лопастей турбины. В ходе решения данной задачи достигаются следующие технические результаты: расширение функциональных возможностей за счет одновременного обеспечения двух функций - предотвращение обледенения и очистка ото льда лопастей, в ттом числе и на неработающей установке, т.е. когда лопасти не вращаются; повышение энергетической эффективности предотвращения обледенения о очистки ото льда лопастей ветряных генераторов высокой мощности.
Указанные выше результаты достигаются тем, что способ предотвращения обледенения лопастей ветряного генератора заключается в том, что в основании лопасти устанавливают модульную систему нагревания, внутри лопасти размещают воздуховод, на конце которого устанавливают дефлектор, разделяющий лопасть на две части, обеспечивают движение горячего воздуха по направлению к вершине лопасти, а затем вдоль задней кромки лопасти обратно к ее основанию, таким образом, что горячий воздух двигается внутри лопасти по кругу от основания лопасти к ее вершине и обратно к основанию, предотвращая обледенение кромок и поверхности лопасти.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что воздуховод размещают внутри лопасти вдоль передней кромки от основания лопасти до ее вершины, что составляет длину приблизительно от 10 метров до 20 метров, обеспечивают прохождение горячего воздуха до самой вершины лопасти и обратно к основанию лопасти вдоль ее задней кромки, таким образом, что горячий воздух совершает круговую циркуляцию от основания лопасти к вершине и обратно.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что в основании лопасти устанавливают съемную модульную систему нагревания и соединяют ее с воздуховодом, модульная система нагревания включает в себя нагреватель воздуха, нагнетатель воздуха, блок управления питанием и беспроводной блок управления, при этом нагреватель воздуха связывают с нагнетателем воздуха, блок управления питанием и беспроводной блок управления размещены вблизи нагревателя воздуха, а воздуховод размещен на лонжероне лопасти.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что устанавливают измерители температуры в четырех областях внутри лопасти, обеспечивают измерение в них температуры и используют данные с измерителей температуры в упомянутых четырех областях в системе логического управления, при этом упомянутыми областями измерения температуры являются: выход нагревателя воздуха, выход воздуховода, область возле передней кромки на расстоянии от 15 метров до 20 метров от основания лопасти и область возле задней кромки на расстоянии 5 метров от основания лопасти.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что посредством системы логического управления отключают систему нагревания, если температура возле передней кромки на расстоянии от 15 метров до 20 метров от основания лопасти превышает установленное значение, и включают систему нагревания, если измеренная в этой области температура оказывается ниже установленного значения.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что в башне ветряного генератора устанавливают интерфейс взаимодействия человек-машина, соединяют его с измерителями температуры в четырех областях внутри лопасти, упомянутый интерфейс содержит устройство отображения, ПЛК контроллер, беспроводное устройство приема данных, обеспечивают связь устройства отображения, беспроводного устройства приема данных, измерителей температуры, блока питания, нагревательной системы и контроллера ПЛК, при этом посредством устройства отображения отображают текущие параметры системы нагревания и информацию о сбоях в работе, а посредством контроллера ПЛК обеспечивают управление предотвращением обледенения лопастей ветряного генератора.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что посредством беспроводного блока управления и интерфейса взаимодействия человек-машина передают данные о текущих параметрах системы нагревания, данные с измерителей температуры и управляющие сигналы, вводят управляющие данные в интерфейс, посредством упомянутого интерфейса обеспечивают передачу управляющих сигналов и управление предотвращением обледенения лопастей ветряного генератора.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что устройство для предотвращения обледенения лопастей ветряного генератора содержит лопасть с установленным внутри лонжероном, систему нагревания, установленную в основании лопасти и включающую нагреватель воздуха, нагнетатель воздуха, блок управления питанием и беспроводной блок управления, при этом нагреватель воздуха связан с нагнетателем воздуха, внутри лопасти размещается воздуховод, на конце которого установлен дефлектор, разделяющий лопасть на две части так, чтобы движение горячего воздуха осуществлялось по кругу от основания по направлению к вершине лопасти, а затем вдоль задней кромки лопасти обратно к ее основанию.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что в устройстве воздуховод установлен вдоль передней кромки лопасти от основания лопасти до ее вершины и имеет длину от 10 метров до 20 метров, обеспечивая прохождение горячего воздуха до самой вершины лопасти и обратно к основанию лопасти вдоль ее задней кромки, таким образом, что горячий воздух совершает круговую циркуляцию от основания лопасти к вершине и обратно.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что в устройстве система нагревания выполнена съемной и соединена с воздуховодом, модульная система нагревания включает нагреватель воздуха, нагнетатель воздуха, блок управления питанием и беспроводной блок управления, при этом нагреватель воздуха связан с нагнетателем воздуха, блок управления питанием и беспроводной блок управления размещаются вблизи нагревателя воздуха, а воздуховод размещают на лонжероне лопасти.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что лопасть содержит измерители температуры, которые обеспечивают измерение температуры в четырех областях внутри лопасти, которыми являются: выход нагревателя воздуха, выход воздуховода, область возле передней кромки на расстоянии от 15 метров до 20 метров от основания лопасти и область возле задней кромки на расстоянии 5 метров от основания лопасти, при этом устройство содержит систему логического управления, в которой используют данные с измерителей температуры в упомянутых четырех областях.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что система логического управления выполнена с возможностью отключать систему нагревания, если температура возле передней кромки на расстоянии от 15 метров до 20 метров от основания лопасти превышает установленное значение, и включать систему нагревания, если измеренная в этой области температура оказывается ниже установленного значения.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что устройство содержит интерфейс взаимодействия человек-машина, установленный в башне ветряного генератора, который соединен с измерителями температуры в четырех областях внутри лопасти, упомянутый интерфейс содержит устройство отображения, ПЛК контроллер, беспроводное устройство приема данных, при этом устройство отображения, беспроводное устройства приема данных, измерители температуры, блок питания, нагревательная система и контроллер ПЛК связаны между собой, устройство отображения выполнено с возможностью отображать текущие параметры системы нагревания и информацию о сбоях в работе, а контроллер ПЛК обеспечивает управление работой устройства.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что беспроводной блок управления и интерфейс взаимодействия человек-машина выполнены с возможностью передавать данные о текущих параметрах системы нагревания, данные с измерителей температуры и управляющие сигналы, при этом управляющие данные могут вводиться в интерфейс, который обеспечивает передачу управляющих сигналов и управление работой устройства.
Указанные выше результаты достигаются также тем, что устройство содержит держатели для установки нагревателя воздуха, нагнетателя воздуха и блока управления питанием внутри основания лопасти, беспроводной блок управления установлен на держателе нагревателя воздуха, нагнетатель воздуха связан с нагревателем воздуха посредством соединительного трапециевидного трубопровода, нагреватель воздуха также связан с воздуховодом посредством трапециевидного трубопровода, который установлен снаружи воздуховода в 100 мм от его конца.
Отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что непосредственному нагреванию горячим воздухом подвергаются только кромки лопасти, а управление нагревом предотвращает обледенение и очистку лопастей ото льда.
Данное изобретение основано на циркуляции горячего воздуха внутри лопасти турбины, что предотвращает обледенение прежде всего передней кромки лопасти. Настоящее изобретение решает проблему обледенения турбины как при отключенном двигателе, как и в процессе работы и обладает функциями предотвращения обледенения и очищения ото льда, к тому же система нагревания легко демонтируется, ремонтируется и ее можно использовать при отключенном двигателе ветряного колеса. В основе настоящего изобретения лежит циркулирование горячего воздуха по схеме «основание-вершина-основание», создавая замкнутый круг и повышая коэффициент теплоиспользования. Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является повышение безопасности работы установки за счет того, что устраняется вероятность падения ледовых масс с лопастей, расположенных на большой высоте. Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является улучшение динамических свойств установки, устранение дисбаланса от неравномерно распределенной наледи и снижение нагрузки на несущие элементы установки, лопасти, передачи и другие конструктивные элементы. Использование пользовательского интерфейса позволяет обеспечить работу устройства в автоматическом режиме. Еще одним преимуществом настоящего изобретения состоит в том, что его можно реализовывать в уже эксплуатируемых установках, установив в лопастях систему нагревания в соответствии с описанием.
Краткое описание фигур чертежей
На Фиг. 1 показано схематическое изображение общего вида установки и расположение пользовательского интерфейса и системы нагревания.
На Фиг. 2 показано схематическое изображение конструкции системы нагревания.
На Фиг. 3 показано схематическое изображение воздуховода, установленного внутри лопасти турбины.
На Фиг. 4 схематически показан участок воздуховода.
На Фиг. 5 показано верхнее крепление, фиксирующее воздуховод.
На Фиг. 6 показано нижнее крепление, фиксирующее воздуховод.
Осуществление изобретения
Позициями на чертежах обозначены:
1 - пользовательский интерфейс взаимодействия человек-машина;
2 - машинное отделение установки;
3 - кабель;
4 - контактное кольцо;
5 - система нагревания;
6 - лопасть турбины;
7 - щиток у основания лопасти;
8 - нагнетатель воздуха;
9 - держатель нагнетателя воздуха;
10 - соединительный трапециевидный трубопровод;
11 - нагреватель воздуха;
12 - блок управления питанием;
13 - держатель блока управления питанием;
14 - держатель нагревателя воздуха;
15 - трапециевидный трубопровод;
16 - соединительная труба;
17 - беспроводной блок управления;
18 - лонжерон;
19 - воздуховод;
20 - крепление воздуховода;
21 - дефлектор;
22 - верхнее крепление, фиксирующее воздуховод;
23 - нижнее крепление, фиксирующее воздуховод.
Как показано на Фиг. 1, ветряной генератор электрической энергии содержит лопасти, обычно из стекловолоконного композитного материала. Лопасти вместе с гондолой генератора устанавливаются наверху. Внутри лопасти 6 имеется неподвижный лонжерон 18, установленный между передней и задней поверхностью лопасти.
Устройство для предотвращения обледенения лопастей ветряного генератора содержит лопасть 6 с установленным внутри лонжероном 18, систему нагревания 5, установленную в основании лопасти 6 и включающую нагреватель воздуха 11, нагнетатель воздуха 8, блок управления питанием 12 и беспроводной блок управления 17. Нагреватель воздуха 11 связан с нагнетателем воздуха 8. Внутри лопасти 6 размещается воздуховод 19, на конце которого установлен дефлектор 21, разделяющий лопасть на две части так, чтобы движение горячего воздуха осуществлялось по кругу от основания по направлению к вершине лопасти, а затем вдоль задней кромки лопасти обратно к ее основанию. Дефлектор 21 установлен снаружи воздуховода 19 в 100 мм от его конца.
Воздуховод 19 установлен вдоль передней кромки лопасти 6 от основания лопасти до ее вершины и имеет длину от 10 метров до 20 метров, обеспечивая прохождение горячего воздуха до самой вершины лопасти и обратно к основанию лопасти вдоль ее задней кромки. Таким образом горячий воздух совершает круговую циркуляцию от основания лопасти к вершине и обратно.
Система нагревания 5 выполнена съемной и соединена с воздуховодом 19. Система нагревания выполнена по модульному принципу и включает нагреватель воздуха 11, нагнетатель воздуха 8, блок управления питанием 12 и беспроводной блок управления 17. Нагреватель воздуха 11 связан с нагнетателем воздуха 8, блок управления питанием 12 и беспроводной блок управления 17 размещены вблизи нагревателя воздуха 11, а воздуховод 19 размещен на лонжероне 18 лопасти.
Лопасть 6 содержит измерители температуры (не показаны), которые обеспечивают измерение температуры в четырех областях внутри лопасти, которыми являются: выход нагревателя воздуха 11, выход воздуховода 19, область возле передней кромки на расстоянии от 15 метров до 20 метров от основания лопасти 6 и область возле задней кромки на расстоянии 5 метров от основания лопасти 6. Установка содержит также систему логического управления, в которой используют данные с измерителей температуры в упомянутых четырех областях.
Система логического управления выполнена с возможностью отключать систему нагревания 5, если температура возле передней кромки на расстоянии от 15 метров до 20 метров от основания лопасти превышает установленное значение, и включать систему нагревания, если измеренная в этой области температура оказывается ниже установленного значения.
Устройство содержит интерфейс 1 взаимодействия человек-машина, установленный в башне ветряного генератора. Интерфейс 1 соединен с измерителями температуры в четырех областях внутри лопасти. Упомянутый интерфейс 1 содержит устройство отображения, программируемый логический контроллер (ПЛК), беспроводное устройство приема данных, при этом устройство отображения, беспроводное устройства приема данных, измерители температуры, блок питания, нагревательная система и контроллер ПЛК связаны между собой, устройство отображения выполнено с возможностью отображать текущие параметры системы нагревания и информацию о сбоях в работе, а контроллер ПЛК обеспечивает управление работой устройства.
Беспроводной блок управления 17 и интерфейс 1 взаимодействия человек-машина выполнены с возможностью передавать данные о текущих параметрах системы нагревания 5, данные с измерителей температуры и управляющие сигналы, при этом управляющие данные могут вводиться в интерфейс, который обеспечивает передачу управляющих сигналов и управление работой устройства.
Устройство содержит держатели 14, 9 и 13 для установки нагревателя воздуха, нагнетателя воздуха и блока управления питанием внутри основания лопасти, которые могут крепиться к держателям, например, с помощью винтов. Такое крепление позволяет легко демонтировать элементы для ремонта или замены. Беспроводной блок управления 17 установлен на держателе 14 нагревателя воздуха. Нагнетатель воздуха 8 связан с нагревателем воздуха 11 посредством соединительного трапециевидного трубопровода 10. Нагреватель воздуха 11 также связан с воздуховодом 19 посредством трапециевидного трубопровода 15 и гофрированной соединительной трубы 16. Трапециевидный трубопровод установлен снаружи воздуховода 19 в 100 мм от его конца.
Воздуховод 19 устанавливается на лонжерон 18 с помощью креплений 20, которые состоят из верхних 22 и нижних 23 креплений. Верхние и нижние крепления фиксируются четырьмя заклепками. Крепления 20 расположены с интервалом в 1 м и надежно прикреплены к воздуховоду и лонжерону 18. В качестве крепления могут использоваться кронштейны.
На вершине воздуховода 19 устанавливается дефлектор 21, разделяющий переднюю кромку лопасти на две части, тем самым заставляя горячий воздух идти по направлению от вершины к основанию лопасти, двигаясь по схеме «основание-вершина-основание», создавая замкнутый круг и повышая коэффициент теплоиспользования.
Для контроля системы нагревания 5 и предотвращения ее возгорания, в лопасти 6 турбины установлены четыре датчика температуры, как описано выше.
Пользовательский интерфейс 1 предоставляет все данные о работе систем устройства. Задав определенные параметры, можно обеспечить автоматическую работу установки. Чтобы обеспечить связь системы нагревания 5 и пользовательского интерфейса 1, данные об электрическом токе и собранные измерителями данные о температуре формируют управляющий сигнал, который поступает в блок беспроводного управления 17, который в свою очередь отправляет сигнал пользовательскому интерфейсу 1, тем самым создавая передачу информации.
Устройство для предотвращения обледенения лопастей реализует соответствующий способ и работает следующим образом.
Осуществляют установку и закрепление всех необходимых элементов. С помощью верхних и нижних креплений фиксируют воздуховод 19 на лонжероне 18. Для этой цели могут использоваться винты, заклепки и другие подходящие средства. Крепления располагают с интервалом в 1 м.
Устанавливают дефлектор 21 с внешней стороны воздуховода 19 в 100 мм от его конца, разделяя лопасть на две части. Устанавливают измерителя температуры в упомянутых выше местах. Устанавливают элементы системы нагревания 5 на соответствующих держателях с закрепляют их с помощью винтов или иных подходящих средств.
С помощью гофрированной соединительной трубы соединяются выходное отверстие нагревателя воздуха 11 и воздуховод 19. С помощью трапециевидного соединительного воздуховода соединяют нагнетатель воздуха 8 и нагреватель воздуха 11.
Устанавливают электрические компоненты - блок управления питанием 12 и беспроводной блок управления 17 и подсоединяют необходимые кабели.
Обеспечивают соединение интерфейса 1 с измерителями температуры и обеспечивают его связь по управлению всеми элементами, участвующими в предотвращении обледенения лопастей. Осуществляют настройку оборудования.
Включают нагнетатель воздуха 8 и нагреватель воздуха 11. Горячий воздух начинает поступать в воздуховод 19 и двигаться вдоль передней кромки лопасти, нагревая ее поверхность и предотвращая образование льда или очистку лопасти от наледи. Далее поток воздуха от взаимодействия с дефлектором направляется от вершины лопасти обратно к основанию вдоль задней кромки. Такая циркуляция воздуха осуществляется непрерывно. В случае если температура внутри области превышает установленное значение, система управления отключает систему нагревания 5, предотвращая тем самым перегрев лопасти и компонентов. Как только температуры внутри лопасти будет ниже установленного значения, система нагревания 5 включается снова. Установленная в лопасти система нагревания 5 состоит из нескольких модулей, каждый из которых отвечает за определенную функцию. Благодаря винтовым креплениям, система легко подвергается ремонту и демонтажу. Также становится возможным провести преобразования в существующих турбинах.