ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ГИДРОПРИВОДОМ
WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH HYDRAULIC DRIVE

Изобретение относится к области энергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам, передача энергии от ветротурбины к электрогенератору в которых происходит посредством гидропривода.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветротурбину и непосредственно связанный с ее валом электрогенератор (см. патент RU 42331791, кл. МПК F03D 1/04, опубл. 20.08.2008). Основным недостатком известного устройства является необходимость использования многополюсных генераторов для получения электроэнергии с промышленной частотой ~50 Гц, т.к. диапазон частоты вращения вала ветротурбины находится в пределах 80-150 об/мин. Подобные электромеханизмы обладают большой массой и габаритами, а также имеют сложную коммутационную аппаратуру, значительно увеличивающую стоимость энерговетроустановки в целом. Кроме того, указанная масса электрогенератора должна быть сосредоточена в верхней части мачты ветроустановки (высота мачты 10-15 м и более), что потребует ее повышенной статической устойчивости и может привести к появлению виброколебаний ветроустановки в низкочастотном диапазоне с возможным появлением резонансных явлений, вызванных вращением лопастей рабочего колеса.
Известна ветроэнергетическая установка с гидроприводом, являющаяся наиболее близким аналогом к заявленному изобретению и включающая ветротурбину, установленный на ее валу гидронасос и гидромотор, соединенный с валом электрогенератора (см. патент RU 42862, кл. МПК F03D 9/00, опубл. 20.12.2004). Гидравлический метод передачи энергии вращения ветротурбины имеет меньшие массы и габариты по сравнению с указанным выше методом непосредственной передачи, к тому же он позволяет производить установку гидромотора и генератора в наземных условиях, что упрощает замену и ремонт отдельных агрегатов. Частота вырабатываемого тока в известном устройстве регулируется с помощью электрической схемы, управляющей муфтой сцепления. Однако использование электрической схемы управления недостаточно надежно и ведет к неоправданному усложнению коммутаций установки.
Задачей заявленного изобретения является устранение указанных недостатков и создание ветроэнергетической установки с гидравлическим приводом обратной связи, обеспечивающим постоянную частоту вращения вне зависимости от ветровой нагрузки, воздействующей на рабочее колесо ветротурбины, и не требующим поворота ее лопастей. Технический результат заключается в повышении надежности работы ветроэнергетической установки и повышении ресурса ее работы. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что ветроэнергетическая установка с гидроприводом включает ветротурбину, установленный на ее валу гидронасос и гидромотор, соединенный с валом электрогенератора, причем гидромотор снабжен ограничителем расхода, а между гидронасосом и гидромотором расположен гидроцилиндр с гидравлической и пневматической полостями, разделенными поршнем, который соединен с запорным краном на напорном трубопроводе гидроцилиндра. При этом поршень гидроцилиндра может быть оснащен грузом и/или пневматическая полость гидроцилиндра связана с пневматической системой. Гидропривод предпочтительно снабжен гидропневматическим демпфером.
На фиг.1 представлена схема предлагаемой установки с гидроприводом, в котором поршень гидроцилиндра оснащен грузом;
на фиг.2 - установка, в которой пневматическая полость гидроцилиндра связана с пневматической системой.
Гидропривод предлагаемой ветроэнергетической установки состоит из гидронасоса 1, вал которого соединен с валом рабочего колеса ветротурбины, запорного поворотного крана 2, гидроцилиндра 4 с полостями А - гидравлической и Б - пневматической, гидропневматического демпфера 5, пневморедукторов 6, газовых баллонов 7, ограничителя расхода 8, гидромотора 9, маслоблока 10, находящегося под избыточным давлением от газового трубопровода 11 и сливного трубопровода 12. Нагружение гидроцилиндра 4 может быть осуществлено посредством установки груза 13 массой 5-10 т (фиг.1) или путем соединения пневматической полости Б с общей пневматической системой (фиг.2).
Предлагаемое устройство работает следующим образом. На номинальном режиме ветровой нагрузки производительность рабочей жидкости, обеспечиваемой гидронасосом 1, соответствует потребляемому расходу гидромотора 9. При этом гидростатическое давление в полости А гидроцилиндра 4 уравновешено давлением газа, поступающего в полость Б из трубопровода 11. Поршень гидроцилиндра 4 в это время находится в уравновешенном состоянии, без движения.
В случае увеличения ветровой нагрузки ограничитель расхода 8 ограничивает поступление рабочей жидкости к гидромотору 9 и ее избыток поступает в полость А гидроцилиндра 4. Поршень и шток гидроцилиндра 4 при этом перемещаются вверх до крайнего положения, перекрывая проходное сечение запорного крана 2. Гидронасос 1 и вал ветротурбины в этих условиях останавливаются. При этом другая пневматическая полость Б, соединенная с газовым баллоном 7, накапливает энергию сжатия газа, создавая своим давлением усилие, равное усилию давления рабочей жидкости. Объем газа в системе в несколько раз превышает рабочий объем жидкости гидроцилиндра. Несколько таких объемов (газовых баллонов) могут обеспечить противодействующее давление - превышающее давление рабочей жидкости на 8…10%. В дальнейшем питание гидромотора 9 рабочей жидкостью осуществляется только за счет объема рабочей жидкости в полости А, находящейся под давлением газа в полости Б.
В случае снижения ветровой нагрузки или скорости ветра аккумулирующий поршень и шток гидроцилиндра 4 вновь перемещаются в нижнее положение под воздействием давления газа, а объем рабочей жидкости беспрепятственно поступает к гидромотору 9. Шток гидроцилиндра, перемещаясь, открывает кран 2 и растормаживает вал рабочего колеса ветротурбины. Рабочая жидкость из гидромотора 9 - в расходный бак и из него по всасывающему трубопроводу 12 поступает вновь к гидронасосу 1, замыкая цикл.
Запорный кран 2 снабжен механизмом быстрого отключения и включения при помощи пружины, установленной по оси рычага крана (на чертежах показано условно). При быстром закрытии крана 2 возможны значительные перегрузки на детали рабочего колеса и гидронасоса, от инерционных сил вращающихся масс, в основном рабочего колеса ветротурбины. Для исключения этого явления предусмотрен гидропневматический демпфер 5, полости которого соединены: нижняя - с напорным трубопроводом 3, верхняя - с газовым трубопроводом 11. Объем верхней полости демпфера 5 позволяет плавно задержать вращение вала ветротурбины, исключая повышенные инерционные нагрузки.
Необходимо отметить, что при незначительном торможении потока ограничителем расхода 8 (до остановки гидронасоса 1) давление рабочей жидкости будет повышаться, создавая одновременно повышенный вращающий момент на валу гидронасоса 1 и снижая частоту вращения вала рабочего колеса ветротурбины, что является благоприятным фактором.
На пониженных ветровых нагрузках, ниже номинальной, поршень гидроцилиндра 4 всегда находится в крайнем нижнем положении и рабочая жидкость от гидронасоса 1 непосредственно поступает к гидромотору 9 генератора через ограничитель расхода 8, который в это время находится в состоянии максимального расхода, беспрепятственно пропуская через себя всю рабочую жидкость.
Естественно, что, как и во всех подобных случаях, необходимо применение частотного преобразователя, который должен поддерживать заданную частоту тока. Таким образом, действие гидросистемы можно назвать циклическим, обеспечивающим постоянный расход при постоянном давлении рабочей жидкости на всех режимах ветровой нагрузки, кроме нагрузки ниже номинальной. Циклическое действие гидросистемы существенно увеличивает надежность и ресурс работы всей установки. Важным достоинством предлагаемой установки является то, что она позволяет использовать серийно выпускаемые комплектующие изделия (гидроцилиндр, демпфер, маслобак и т.д.), что значительно снижает стоимость изготовления изделия. Предлагаемая установка позволяет достичь 2-3% точности поддержания частоты вращения асинхронного генератора, выполненного в обычном серийном изготовлении.