СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ С ДВУМЯ ВЕТРОКОЛЕСАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
CONTROL METHOD OF WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH TWO WINDWHEELS, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемый способ может быть использован в области ветроэнергетики, конкретно - при управлении ветроэнергетической установкой.
Известен способ управления ветроэнергетической установкой (ВЭУ) и устройство для его реализации (Патент РФ 2444646 C1, МПК F03D 7/02, опубликовано: 10.03.2012 Бюл. №7). В известном способе-аналоге управления ветроэнергетической установкой, основанном на том, что формируют сигнал о скорости ветра на высоте оси вращения ветроколеса, сигнал задания общего угла установки лопастей ветроколеса и сигнал об угле установки каждой лопасти ветроколеса, формируют сигнал углового положения вала ветроколеса, по этим сигналам дополнительно формируют сигнал регулирования угла установки каждой лопасти в функции высоты ее расположения в течение каждого оборота ветроколеса. Кроме того, ветроэнергетическая установка дополнительно содержит по числу лопастей ветроколеса блоки управления углом установки лопасти, выход каждого из которых соединен с тягой своей лопасти, первый, второй и третий входы блока управления углом установки лопасти соединены соответственно с выходами датчика скорости ветра, задатчика угла установки лопасти и датчика углового положения вала, а четвертый вход указанного блока соединен с выходом блока контактных колец, вход которого соединен с энергосистемой.
<mrow><mfrac><mrow><mn>1.4179</mn><mi>М</mi><mi>В</mi><mi>т</mi><mo>−</mo><mn>1.354</mn><mi>М</mi><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow><mrow><mn>1.354</mn><mi>М</mi><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mo>≈</mo><mn>4.7</mn><mi>%</mi></mrow>
При работе с таким способом-аналогом регулирования углов установки лопастей одного ветроколеса за один оборот ветроколеса удается в рабочем диапазоне скоростей ветра увеличит мощность, развиваемую, например, ветроэнергетической установкой "Радуга 1", на величину
Недостатком этого способа-аналога является недоиспользование ветроэнергетической установкой с одним ветроколесом энергии ветра. Связано это с принципом работы ветроколеса традиционной конструкции, например, трехлопастного - со снижением скорости ветра меньше номинального значения (т.е. когда мощность ветроколеса становится меньше номинального значения), мощность, развиваемая ветроколесом, снижается в кубической зависимости от скорости ветра.
Известен способ-прототип (Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии.: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат.1990. На стр.241 задача 9.7 и ее решение на стр.242) управления ветроэнергетической установкой, основанный на том, что выполняют ветроэнергетическую установку с двумя ветроколесами и вращают их в разные стороны.
Р
Pмах
Согласно линейной теории при расположении двух идеальных ветроколес одного диаметра последовательно удается достичь максимального коэффициента мощности С=0.64 (по сути это КПД двух идеальных ветроколес). Для одного идеального ветроколеса согласно той же теории максимальный коэффициент мощности равен критерию Жуковского-Бетца, т.е. равен С=16/27=0.593 (по сути, это КПД одного идеального ветроколеса). Таким образом, выигрыш по мощности составляет примерно 5%, т.е. использование ветроэнергетической установкой энергии ветра увеличилось тоже на 5% - несколько больше, чем при регулировании способом-аналогом.
Недостатком этого способа-прототипа, как и аналога, также является недоиспользование ветроэнергетической установкой энергии ветра со снижением скорости ветра.
Известно устройство (Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1983. 200 с., ил. Стр.194 и Рис. 10.4 на стр.196), представляющее ветроэнергетическую установку, содержащую два соосных ветроколеса, вращающихся в противоположные стороны. При этом ротор генератора соединен с первым ветроколесом, а статор генератора выполнен вращаемым в специальных подшипниках и соединен жестко со вторым ветроколесом.
Известное устройство по сути является технической реализацией рассмотренного выше способа-прототипа, и обладает тем же недостатком, т.е. недоиспользование ветроэнергетической установкой энергии ветра со снижением скорости ветра. Кроме того, генератор с вращающимися в разные стороны ротором и статором усложняет конструкцию всей ветроэнергетической установки.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении использования ветроэнергетической установкой энергии ветра со снижением скорости ветра, что повышает эффективность использования установленной мощности ветроэнергетической установки и, соответственно, увеличение выработки электроэнергии.
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mi>n</mi></mfrac></mrow>
Технический результат, заключающийся в увеличении мощности ветроэнергетической установки при скоростях ветра, меньших номинальной скорости ветра, достигается тем, что в известном способе управления ветроэнергетической установкой, основанном на том, что формируют сигнал о скорости ветра на высоте оси вращения одновременно работающих двух соосных ветроколес с равными числами n лопастей, оба ветроколеса синхронно вращают в одну и ту же сторону, измеряют угол α между продольными осями, например, первых лопастей обоих ветроколес при скорости ветра, когда ветроэнергетическая установка развивает мощность, равную или превышающую номинальную мощность, устанавливают второе ветроколесо по отношению к первому при угле α≈0 при скорости ветра, когда ВЭУ развивает мощность, меньшую номинальной мощности, по мере снижения скорости ветра пропорционально увеличивают значение угла α так, чтобы при минимальной рабочей скорости установилось значение
.
Кроме того, поставленная техническая задача решается тем, что известная ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами, содержащая лопасти ветроколес, ступицы и общий вал ветроколес, электрогенератор, энергосистему, датчик скорости ветра, при этом вал ветроколес соединен с валом электрогенератора, статорная обмотка которого подсоединена к энергосистеме, дополнительно снабжена блоком управления углом между ветроколесами, расположенным на общем валу ветроколес, а управляющий вход блока управления углом между ветроколесами соединен с выходом датчика скорости ветра.
Кроме того, в ветроэнергетической установке блок управления углом между ветроколесами выполнен в виде функционального блока формирования сигнала об угле между ветроколесами, вход которого соединен с выходом датчика скорости ветра через управляющий вход блока управления углом между ветроколесами, а выход соединен с первым входом регулятора угла между ветроколесами, второй вход которого соединен с выходом датчика угла между ветроколесами, выход регулятора угла между ветроколесами соединен с управляющим входом полупроводникового преобразователя частоты, силовой вход которого соединен с источником питания, а силовой выход соединен со статорной обмоткой электродвигателя, вал которого соединен с системой передачи "винт - гайка", гайка которого соединена с подвижным элементом датчика угла между ветроколесами и через подшипниковый узел со ступицей второго ветроколеса, образующей с валом винтовую шлицевую пару.
Предлагаемое устройство схематично представлено на рисунках.
На Фиг.1 представлена общая схема ветроэнергетической установки с двумя ветроколесами.
На Фиг.2 представлен продольный разрез блока управления углом α между ветроколесами.
На Фиг.3 представлен поперечный разрез по А-А блока управления углом α между ветроколесами.
На Фиг.4 вида спереди показаны три лопасти ветроколеса 1, а лопасти ветроколеса 2 находятся в их тени.
<mrow><mi>α</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>3</mn></mfrac></mrow>
На Фиг.5 вида спереди показаны три лопасти ветроколеса 1 и три лопасти ветроколеса 2 в положении, когда
.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>α</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>3</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
На Фиг.6 вида сверху показаны положения, когда лопасть ветроколеса 2 находится в тени лопасти ветроколеса 1 (α≈0), и в положении, когда лопасть ветроколеса 2 перемещается (перемещение показано стрелкой) вперед с одновременным поворотом и занимает среднее положение между лопастями ветроколеса 1
.
На Фиг.7 - графики зависимостей коэффициентов крутящего момента и мощности в функции быстроходности.
На Фиг.8 - графики зависимостей мощностей ветроэнергетической установки в функции скорости ветра.
Согласно Фиг.1, ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами 1 и 2, содержащая лопасти ветроколес, ступицу 3 ветроколеса 1 и общий вал 4 ветроколес, электрогенератор 5, энергосистему 6, датчик 7 скорости ветра, при этом вал 4 ветроколес 1 и 2 соединен с валом электрогенератора 5 через мультипликатор 8 (при необходимости). Статорная обмотка электрогенератора 5 подсоединена к энергосистеме 6. Ветроэнергетическая установка с двумя ветроколесами 1 и 2 дополнительно снабжена блоком 9 управления углом α между ветроколесами, расположенным на общем валу 4 ветроколес, а управляющий вход 10 блока 9 управления углом α между ветроколесами соединен с выходом датчика 7 скорости ветра, выполненного, например, в виде анемометра. Как указывалось, лопасти ветроколеса 1 подсоединены к ступице 3, а лопасти ветроколеса 2 подсоединены к ступице 20 (см. ниже Фиг.2), расположенной в блоке 9 управления углом α между ветроколесами.
<mrow><mi>α</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>3</mn></mfrac></mrow>
Согласно Фиг.2, где показан блок 9 управления углом α между ветроколесами и продольный разрез всего механизма поворота и перемещения ветроколеса 2 относительно ветрокалеса 1, в ветроэнергетической установке блок 9 управления углом α между ветроколесами снабжен функциональным блоком 11 формирования сигнала об угле между ветроколесами, вход которого соединен с выходом датчика 7 скорости ветра через управляющий вход 10 блока 9 управления углом α между ветроколесами, а выход соединен с первым входом регулятора 12 угла между ветроколесами (выполненного, например, в виде пропорционально-интегрального регулятора), второй вход которого соединен с выходом датчика 13 угла между ветроколесами, выход регулятора 12 угла между ветроколесами соединен с управляющим входом полупроводникового преобразователя 14 частоты, силовой вход которого соединен с источником 15 питания, а силовой выход соединен со статорной обмоткой электродвигателя 16, вал которого соединен с системой передачи "винт - гайка", предназначенной для преобразования вращательного движения в поступательное движение. (1. Машиностроение. Энциклопедия. / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. 2. Детали машин. Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. Т.IV-1 / Д.Н. Решетов, А.П. Гусенков и др. Под общ. ред. Д.Н. Решетова. 864 с: ил.). Гайка 17 винтовой передачи соединена с подвижным элементом 18 датчика 13 угла между ветроколесами, ход которого пропорционален углу α (например, в крайнем правом положении подвижного элемента 18 α≈0, т.е. лопасти ветроколеса 2 находятся в "тени" лопастей ветроколеса 1, а в крайнем левом положении подвижного элемента 18
, т.е. лопасти ветроколеса 2 находятся между лопастями ветроколеса 1).
Гайка 17 винтовой передачи также соединена через подшипниковый узел 19 со ступицей 20 второго ветроколеса, образующей с валом 4 винтовую шлицевую пару 21 с большим шагом так, что при полном ходе системы передачи "винт - гайка" одновременно с поворотом ветроколеса 2 относительно ветроколеса 1 на угол α осуществляется перемещение ступицы 20 ветроколеса 2.
Винт 22 системы передачи "винт - гайка" соединен с опорно-упорным подшипником 23 скольжения, корпус которого закреплен на остове 24 механизма поворота и перемещения ветроколеса 2 относительно ветроколеса 1.
Согласно Фиг.3, где показан поперечный разрез по А-А механизма поворота и перемещения ветроколеса 2 относительно ветроколеса 1 (а также согласно Фиг.2), гайка 17 системы передачи "винт - гайка" и остов 24 механизма поворота и перемещения ветроколеса 2 относительно ветрокалеса 1 образуют шлицевую пару, в котором шлицы 25 выполнены с возможностью возвратно-поступательного перемещения в специальных пазах 26 в остове 24.
Рисунки на Фиг.4, 5 и 6 поясняют поворот и перемещение ветроколеса 2 относительно ветроколеса 1.
На Фиг.4 вида спереди показаны три лопасти 27, 28 и 29 ветроколеса 1, а лопасти ветроколеса 2 находятся в тени (их не видно, так как α≈0) лопастей ветроколеса 1.
<mrow><mi>α</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>3</mn></mfrac></mrow>
На Фиг.5 вида спереди показаны три лопасти 27, 28 и 29 ветроколеса 1 и три лопасти 30, 31 и 32 ветроколеса 2 в положении, когда
.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>α</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>3</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
На Фиг.6 вида сверху показаны положения, когда лопасть 30 ветроколеса 2 находится в тени лопасти 27 ветроколеса 1 (α≈0), и в положении, когда лопасть 30 ветроколеса 2 перемещается (перемещение показано стрелкой) вперед с одновременным поворотом и занимает среднее положение между лопастями 27 и 28 ветроколеса 1
.
Устройство работает следующим образом.
з
з
з
з
<mrow><msub><mi>α</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>р</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>α</mi><mi>з</mi></msub><mo>−</mo><mi>α</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Под действием потока ветра V (стрелки Фиг.1) ветроколеса 1 и 2 ветроэнергетической установки вращаются синхронно в одну и ту же сторону и через общий вал 4 и мультипликатор 8 приводят во вращение электрогенератор 5, электроэнергия которого передается в энергосистему 6. Датчика 7 скорости ветра на своем выходе формирует сигал, пропорциональный скорости ветра, который поступает на управляющий вход 10 блока 9 управления углом α между ветроколесами 1 и 2, расположенного на общем валу 4 ветроколес 1 и 2 и в котором находится ступица 20, к которой подсоединены лопасти ветроколеса 2. Далее сигнал о скорости ветра поступает в функциональный блок 11, формирующий сигнал задания угла α между ветроколесами в функции скорости ветра α=f(V) (в простейшем случае, например, в виде линейной зависимости α=k·V). Сигнал α поступает на первый вход регулятора 12 угла между ветроколесами (выполненного, например, в виде пропорционально-интегрального регулятора), на второй вход которого одновременно поступает сигнал о реальном значении угла α между ветроколесами с выхода датчика 13 угла между ветроколесами, перемещение подвижного элемента 18 которого пропорционально углу α. На своем выходе регулятор 12 угла между ветроколесами формирует управляющий сигнал, например, вида
, поступающий на управляющий вход полупроводникового преобразователя 14 частоты, и тем самым приводит во вращение электродвигатель 16, вал которого соединен с системой передачи "винт - гайка", преобразующая вращательное движение винта 22 в поступательное движение гайки 17.
Так как гайка 17 винтовой передачи соединена с подвижным элементом 18 датчика 13 угла между ветроколесами, то одновременно формируется сигнал, пропорциональный реальному значению угла α.
Перемещение гайки 17 винтовой передачи, соединенной через подшипниковый узел 19 со ступицей 20 ветроколеса 2 и образующей с валом 4 винтовую шлицевую пару 21 с большим шагом, вызывает перемещение вдоль вала 4 и поворот ветроколеса 2 относительно ветроколеса 1, т.е. при полном ходе системы передачи "винт - гайка" одновременно с поворотом ветроколеса 2 относительно ветроколеса 1 на угол α осуществляется перемещение вдоль вала 4 ступицы 20 ветроколеса 2.
<mrow><mi>α</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>π</mi><mi>n</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>α</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>π</mi><mi>n</mi></mfrac></mrow>
m(n=3)
P(n=3)
m(n=3)
m(n=6)
Таким образом, при работе ветроэнергетической установки с предлагаемым способом управления по мере снижения скорости ветра увеличивается угол между ветроколесами от α≈0 до
при одновременном перемещении ступицы ветроколеса 2 вперед. При этом, как следует из Фиг.7, изменяются графики зависимостей коэффициентов крутящего момента и мощности в функции быстроходности. График 1 представляет собой зависимость крутящего момента С=f(Z) в функции быстроходности Z трехлопастного (n=3) ветроколеса ветроэнергетической установки "Радуга-1", снятого в аэродинамической трубе. При этом ветроколесо 2 находится "в тени" ветроколеса 1, так как α≈0. График 2 представляет собой зависимость коэффициента мощности того же ветроколеса, рассчитанного по известной формуле С=Z·С. График 3 представляет собой зависимость крутящего момента С=f(Z) при условии, что лопасти ветроколеса 2 расположены между лопастями ветроколеса 1, т.е. при этом угол
.
<mrow><mi>α</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>π</mi><mi>n</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>α</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>π</mi><mi>n</mi></mfrac></mrow>
P(n=6)
m(n=6)
График 4 представляет собой зависимость коэффициента мощности двух ветроколес при
, также рассчитанного по известной формуле С=Z·С. При этом важно подчеркнуть, что графики 3 и 4 построены с учетом критерия Глауэрта (Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии.: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1990. Стр.214, там же см. Рис.9.11, где приведен критерий Глауэрта в виде графика 2). С учетом характеристик Фиг.7 на Фиг.8 приведены рассчитанные графики зависимостей мощностей ветроэнергетической установки в функции скорости ветра. При этом график 1 соответствует работе ветроэнергетической установки в режиме с углом α≈0, а график 2 соответствует работе в режиме с углом
.
<mrow><mi>α</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>π</mi><mi>n</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>α</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>π</mi><mi>n</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mn>1.914</mn><mi>е</mi><mn>007</mn></mrow><mrow><mn>1.485</mn><mi>е</mi><mn>007</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1.288</mn></mrow>
При учете ограничения выдаваемой мощности, установленной мощностью электрогенератора, представленной на Фиг.8 линией FBCD, при работе ветроэнергетической установки с углом α≈0 график мощности будет представлен линией ABCD. При работе же ветроэнергетической установки с углом
график мощности будет представлен линией EFBCKN. Как видно, на участке CKN мощность резко падает. Чтобы этого не происходило, при начале работы при низких скоростях ветра ветроэнергетическая установка работает при угле
по графику мощности EFB. Затем на участке ВС ветроэнергетическая установка переходит в режим работы при угле α≈0. Зону EFBA повышения мощности можно оценить отношением площадей EFBCD и ABCD, что составляет
.
<mrow><mi>α</mi><mo>≈</mo><mfrac><mi>π</mi><mi>n</mi></mfrac></mrow>
Таким образом, при предлагаемом управлении ветроэнергетической установкой с двумя ветроколесами переход из режима работы с углом между ветроколесами
при скоростях ветра, меньших номинального значения, в режим работы с углом α≈0 позволяет увеличить выработку энергии почти на 29%, что говорит о существенном повышении эффективности ветроэнергетической установки.