Способ повышения коэффициента установленной мощности ветроэлектрической станции
METHOD FOR INCREASING THE INSTALLED CAPACITY COEFFICIENT OF A WIND FARM

Изобретение относится к ветроэнергетике, к способам и устройствам для преобразования энергии ветра в электрическую и снабжения электрической энергией инфраструктуры сельских территорий, удаленных от общей энергосистемы, в частности предназначено для использования в регионах с низкими среднепериодическими скоростями ветра.
В современных конструкциях малых ветроэнергетических установок обычно используются генераторы с прямым приводом или генераторы с шестеренчатым приводом, соединенные с валом ветряной турбины. В таких конструкциях при изменении скорости ветра КПД генератора также будет изменяться. Происходят потери мощности из-за неблагоприятных ветровых условий, т.к. ветроэнергетические установки рассчитаны на узкий диапазон скоростей ветра. При скоростях ветра меньше расчетной ветроприемное устройство (ВПУ) вращается медленнее и КПД генератора падает. При скоростях ветра больше установленной скорости ветра мощность падает из-за изменения быстроходности (Z) и соответственно коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), при сохранении номинального числа оборотов (n). В результате наблюдается низкий показатель коэффициента использования установленной мощности (КИУМ).
Для расширения диапазона рабочих скоростей ветра лопасти ВПУ выполняют поворотными, с регулируемым шагом с учетом аэродинамических свойств конструкции лопастей и т.д.
Известны гидравлические передачи в ветроэнергетических установках, используемые в основном для регулирования выходной частоты генератора для согласования с частотой электросети, а также для регулирования лопастей, включая регулируемые паруса и мачты в форме крыла, расширяющие зону захвата скорости ветра (Янсон Р.А. Ветроустановки: Учеб. пособие / Под ред. М.И. Осштова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 36 с.). За счет изменения рабочего объема гидравлического мотора гидропередача допускает изменение частоты вращения. Гидропередача позволяет обеспечить торможение ВПУ за счет дросселирования рабочей жидкости с соответствующим выделением теплоты, а также ограничить развиваемую на выходном валу мощность при возрастании скорости ветра выше расчетной. Существуют гидродинамическая и гидростатическая (объемная) передачи. Применение гидродинамической передачи в ветроэнергетике затруднено, так как ее элементы (центробежный насос и радиально-осевая гидротурбина) должны работать при значительных частотах вращения. Кроме того, при изменении частоты вращения КПД гидродинамической передачи значительно снижается. Ветроэнергетические установки с регулируемой передачей, основанные на системе гидростатической передачи между ротором ветряной турбины и электрическим генератором, и состоящие из гидравлического насоса и гидравлического мотора (винтового или поршневого типа), известны из уровня техники.
Известны ветроэнергетические установки, содержащие несколько ВПУ одного параметра, работающие на отдельные электрические генераторы (GB №2443886, МПК F03D13/25, опубл.17.02.2016, EP №1407139, МПК F03D 1/00, опубл.21.10.2009, патент US0108762, МПК F03D 9/002, опубл. 24.04.2015, Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. - М.: Издательство министерства сельского хозяйства СССР, 1957, Vestas Multi Rotor concept demonstatorarRisø Available at:https://www.vestas.com/~/media/files/multirotor%20fact%20sheet).
Недостатком известных изобретений является дороговизна вследствие использования нескольких электрогенераторов и аккумуляторов, узкий диапазон рабочих скоростей ветра.
Известна ветроэнергетическая установка с гидростатической трансмиссией, содержащая ВПУ, гидравлический насос, соединенный с ВПУ, два или более гидравлических мотора с регулируемым рабочим объемом, которые приводятся в действие потоком жидкости от гидравлического насоса, и, по меньшей мере, один генератор (патент EP №2535581, МПК F03D 9/28, опубл.17.05.2017). Генератор соединен с гидравлическими моторами переменного рабочего объема. Рабочая жидкость циркулирует под давлением из гидравлического насоса к гидравлическим моторам и обратно по замкнутому гидравлическому контуру. Контроллер в замкнутом контуре гидравлического масла управляет потоком масла в замкнутом контуре и рабочим объемом в каждом из гидравлических моторов переменного рабочего объема. В замкнутом контуре может быть предусмотрен гидравлический аккумулятор. Ветроэнергетическая установка также содержит башню и гондолу, при этом ВПУ с горизонтальной осью, подсоединен к гондоле, в которой установлен гидравлический насос, гидравлические моторы и генератор установлены в башне.
Известна ветроэнергетическая установка, включающая башню, установленный в гондоле гидравлический насос, приводимый в действие лопастями ВПУ, гидравлическая магистраль, подключенная к наземному резервуару под давлением и ряд отдельных генераторных установок, каждый из которых включает гидравлический насос и электрический генератор, во время работы, при запуске, когда ветер приводит в движение гидронасос, гидравлическая жидкость свободно циркулирует до тех пор, пока не будет достигнуто предварительно установленное давление, после чего переключающий клапан отводит все давление жидкости на первый генераторный агрегат, когда первый генератор получает питание, достаточное для достижения стабильного выходного напряжения, следующий один из оставшихся генераторов получает питание до тех пор, пока его выходное напряжение не стабилизируется, причем этот процесс продолжается до тех пор, пока имеется избыток гидравлической мощности, доступной для питания дополнительных блоков для использования всей доступной энергии ветра (патент США № 7932620, МПК F03D9/25, опубл. 26.04.2011).
Недостатком известных ветроэнергетических установок является то, что ветроэнергетические установки работают в узком диапазоне рабочих скоростей ветра, низкая годовая выработка электроэнергии в условиях дефицита ветровой мощности.
Известно устройство передачи энергии от ВПУ потребителю, содержащее гидравлический насос с приводом от ВПУ, бак для жидкости и гидравлический контур, имеющий вспомогательный насос для поддержания определенного давления в обратной трубе (патент ФРГ №3025563, МПК F16H39/02, опубл.12.02.1981). В этом гидравлическом контуре имеется клапан регулировки давления, по которым топливо возвращается через теплообменник в бак. Гидравлический насос установлен на башне и подключен по замкнутой цепи с гидравлическим мотором, передающим крутящий момент генератору. Гидравлический насос передает поток жидкости к гидравлическому мотору, гидравлический насос и гидравлический мотор расположены в замкнутом гидравлическом контуре. Гидравлический контур содержит вращающуюся муфту, позволяющую вращать головку ВПУ. Контур может содержать устройство для поддержания заданного давления в обратной трубе, содержащей насос с приводом от крыльчатки, соединенный с этой линией, и клапан регулирования давления.
Недостатком известного устройства передачи энергии от ВПУ потребителю является потери энергии вне диапазона рабочих скоростей ветра.
Известно ветроэнергетическое устройство для приведения в действие электрогенератора путем вращения масляного гидравлического двигателя с фиксированной скоростью вращения, даже при нерегулярном входном вращении с низкой скоростью, в котором генераторная установка преобразует энергию ветра в гидравлическое давление (JPH11287178, МПК F16H39/02, опубл.19.10.1999).  Ветроэнергетическая установка оснащена радиальным насосом, напрямую соединенным с валом ВПУ, нагнетательным насосом и гидравлическим мотором  с регулируемой производительностью, соединенным с трубопроводом, образующим замкнутый контур с радиальным насосом, датчик вращения, определяющий вращение вала гидравлического мотора с регулируемой производительностью, контроллер, вводящий сигнал от датчика вращения и регулятор, регулирующий величину входного потока гидравлического мотора с регулируемой производительностью посредством передачи выходного сигнала от контроллера. Таким образом, скорость вращения масляного гидравлического мотора с регулируемой производительностью постоянно регулируется на основе сигнала от датчика вращения, и генератор приводится в действие.
Недостатком известного ветроэнергетического устройства является низкий КИУМ в широком диапазоне скоростей ветра.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ и устройство усовершенствования конструкции ветроэнергетической установки, включающий приведение в действие гидравлического насоса ветровым приводом для закачки гидравлической жидкости в резервуар высокого давления для хранения, выпуск гидравлической жидкости, находящейся под давлением, из первого резервуара для хранения в гидравлический мотор, управление гидравлическим мотором для приведения в действие генератора, управление выпуском рабочей жидкости в гидравлический мотор для поддержания постоянной скорости вращения в течение периода времени, когда давление в гидроаккумуляторе изменяется, мониторинг давления в гидроаккумуляторе и скорости ветра (патент США №7183664, МПК F03D9/28, опубл.27.02.2007). Устройство для осуществления способа содержит узел лопастей ВПУ, который соединен с гидравлическим насосом напрямую через коробку передач, резервуар высокого давления, соединенный с указанным гидравлическим насосом, для хранения гидравлической жидкости, выводимой указанным насосом под давлением, гидравлический мотор, соединенный с резервуаром высокого давления, и генератор, соединенный с указанным гидравлическим мотором,  модуль компьютерного управления для управления указанным значением дозирования в зависимости от давления гидравлической жидкости в резервуаре высокого давления, гидравлический пропорциональный регулирующий клапан, регулирующий скорость, с которой вращается гидравлический мотор, который, в свою очередь, регулирует число оборотов вала генератора, причем резервуар высокого давления может быть составной частью опорной конструкции башни, башня может также включать в себя питающий резервуар низкого давления, например, в своем основании.
Недостатком известного способа и устройства усовершенствования конструкции ветроэнергетической установки является низкий показатель КИУМ в широком диапазоне скоростей ветра, нестабильность подачи электроэнергии потребителю.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение КИУМ ветроэлектрической станции (ВЭС) в широком диапазоне скоростей ветра, обеспечение бесперебойной работы ветроэлектрической станции для энергоснабжения инфраструктуры сельских территорий в регионах с низкими среднепериодическими скоростями ветра с уменьшенными затратами.
В результате использования предлагаемого способа и устройства появляется возможность повышения КИУМ ВЭС в районах с дефицитом ветровой мощности за счет расширения диапазона рабочих скоростей ветра использованием нескольких ВПУ с разными параметрами (с разными диапазонами рабочих скоростей ветра, Z, КИЭВ, с разными диаметрами), преобразованием механической энергии вращения валов ВПУ в гидравлическую энергию давления рабочей жидкости, суммированием энергии гидравлической жидкости в сумматоре и накоплением в гидроаккумуляторе объема рабочей жидкости, непригодной для подачи в гидравлический мотор и подачей накопленного объема рабочей жидкости по достижении заданного давления в гидравлический мотор для преобразования в механическую энергию вращения вала, и далее в электрическую энергию в генераторе.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе повышения коэффициента установленной мощности ветроэлектрической станции, включающем приведение в действие гидравлического насоса ветровым приводом, закачку гидравлической жидкости под давлением в гидравлический аккумулятор, аккумулирование энергии в гидравлическом аккумуляторе, выпуск гидравлической жидкости под давлением из гидроаккумулятора в гидравлический мотор, передачу рабочей жидкости по замкнутому гидравлическому контуру, согласно изобретению, расширяют диапазон рабочих скоростей ветра ветроэнергетических установок использованием двух и более ветроприемных устройств разного параметра, ветровым приводом приводят в действие два и более гидравлических насоса, из которых через трубопровод подают рабочую жидкость в гидравлический сумматор, в сумматоре соединяют объемы рабочей жидкости, направляют суммированный объем рабочей жидкости с заданным давлением  через клапан регулировки давления в гидравлический мотор, при излишке или недостатке давления объема рабочей жидкости непригодный для подачи на гидравлический мотор объем рабочей жидкости сливают через клапан регулировки давления в гидроаккумулятор, где накапливают непригодную для подачи на гидравлический мотор рабочую жидкость под давлением, из гидроаккумулятора накопленный объем рабочей жидкости с заданным давлением через предохранительный клапан  подают на гидравлический мотор.
Технический результат достигается также тем, что предлагаемое устройство повышения коэффициента установленной мощности ветроэлектрической станции, содержащее ветроприемное устройство, соединенное с гидравлическим насосом, гидроаккумулятор для хранения рабочей жидкости, соединенный с гидравлическим насосом, клапан регулировки давления, гидравлический мотор, соединенный с гидроаккумулятором, обратную трубу, замкнутый гидравлический контур и генератор, соединенный с гидравлическим мотором, согласно изобретению, содержит два и более ветроприемных устройства разного параметра,  два и более гидравлических насоса, сумматор для суммирования объемов рабочей жидкости от двух и более гидронасосов, предохранительный клапан, причем к сумматору подведены трубопроводы от двух и более гидравлических насосов, сумматор через клапан регулировки давления соединен с гидравлическим мотором и гидроаккумулятором, на выходе которого установлен предохранительный клапан для подачи накопленного объема рабочей жидкости в гидравлический мотор с заданным давлением.
Способ повышения коэффициента установленной мощности ветроэлектрической станции осуществляют следующим образом.
Для повышения КИУМ ВЭС расширяют диапазон рабочих скоростей ветра использованием двум и более ВПУ разного параметра, ветровым приводом приводят в действие два и более гидравлических насоса, откуда через трубопровод подают рабочую жидкость под давлением в сумматор. В сумматоре соединяют объемы рабочей жидкости, поступивших по трубопроводам под давлением с двух и более гидравлических насосов. Гидравлический поток в зависимости от ситуации поступает далее на гидравлический мотор или на гидроаккумулятор. В случае если давление гидравлического потока достаточно с учетом потерь для подачи на гидравлический мотор, клапан регулировки давление открывается и гидравлический поток подается на гидравлический мотор. При излишке или нехватке давления объема рабочей жидкости на входе в гидравлический мотор часть объема сливают через клапан регулировки давления в гидроаккумулятор, из которого накопленный объем с заданным давлением через предохранительный клапан поступает в гидравлический мотор. В гидравлическом моторе энергия гидравлического потока преобразуется в механическую энергию вращения вала и передается на генератор. Отработанная рабочая жидкость из гидравлического мотора передается по обратной трубе в гидравлические насосы для повторения цикла в замкнутом гидравлическом контуре.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема повышения коэффициента установленной мощности ВЭС.
Устройство повышения коэффициента установленной мощности ВЭС содержит два и более ветроприемных устройства 1 с разными параметрами, валы 2, два и более гидравлических насоса 3, трубопроводы 4, сумматор 5, клапан регулировки давления 6, гидравлический мотор 7, вал 8, генератор 9, гидроаккумулятор 10, предохранительный клапан 11, обратную трубу 12, замкнутый гидравлический контур 13.  ВПУ 1 установлены на валах 2 и преобразуют энергию ветра в энергию вращения валов 2. Валы 2 соединены с гидравлическими насосами 3 и приводят их в действие при вращении. Гидравлические насосы 3 преобразуют механическую энергию вращения валов 2 в гидравлическую энергию рабочей жидкости. От каждого гидравлического насоса 3 подведены трубопроводы 4, по которым рабочая жидкость под давлением подают к сумматору 5. В сумматоре 5 гидравлическая жидкость, поступившая из трубопроводов 4, суммируется в один объем рабочей жидкости. На выходе из сумматора 5 расположен клапан регулировки давления 6, пропускающий заданный объем рабочей жидкости в гидравлический мотор 7 или в гидроаккумулятор 10, соединенный с сумматором 5. На выходе из гидроаккумулятора 10 установлен предохранительный клапан 11, через который накопленный в гидроаккумуляторе 10 объем рабочей жидкости подается на гидравлический мотор 7. Гидравлический мотор 7 связан через вал 8 с электрическим генератором 9. Гидравлический мотор 7 с гидравлическими насосами 3 соединяет обратная труба 12, по которой рабочая жидкость возвращается на гидравлические насосы 3. Обратная труба 12 образует с трубопроводом 4 замкнутый гидравлический контур 13.
Устройство повышения коэффициента установленной мощности ВЭС работает следующим образом.
В регионах с низкой среднепериодической скоростью ветра устанавливают ВЭС с несколькими ветроприемными устройствами (с двумя и более) с разными параметрами. Ветроприемные устройства 1 преобразуют энергию ветра в механическую энергию вращения валов 2, которые приводят в движение гидравлические насосы 3. Гидравлические насосы 3 преобразуют энергию вращения валов 2 в энергию гидравлического потока, движущегося по трубопроводу 4, образующие с обратной трубой 12 замкнутый гидравлический контур 13. Гидравлический поток с каждого гидронасоса 3 поступает в сумматор 5, где гидравлические потоки суммируются и откуда суммированная энергия гидравлического потока  подается через клапан регулировки давления 6 на гидравлический мотор 7 в случае достижения заданного давления, а при недостатке или излишке давления объема рабочей жидкости, непригодный для подачи на гидравлический мотор 7 объем рабочей жидкости сливается через клапан регулировки давления 6 в гидравлический аккумулятор 10. В гидроаккумуляторе 10 накапливают объем рабочей жидкости, непригодной для подачи на гидравлический мотор 7. При недостатке мощности ветрового потока на ВПУ 1 накопленный объем рабочей жидкости по достижении заданного объема из гидроаккумулятора 10 через предохранительный клапан 11 подают на гидравлический мотор 7. Гидравлический мотор 7 преобразует гидравлическую энергию потока в механическую энергию вращения вала 8, которая приводит в движение генератор 9.
Пример выполнения способа повышения коэффициента установленной мощности ВЭС.
Для использования широкого диапазона скоростей ветра в регионе с низкой среднепериодической скоростью ветра 4,3 м/с устанавливают ВЭС с устройством повышения коэффициента установленной мощности ветроэлектрической станции с тремя ВПУ с разными параметрами (трех-, шести- и девяти лопастные с диаметрами ветроколес 2, 3, 3,9, 4,15 м соответственно). Ветровой поток приходит на ВПУ. Крутящий момент с вала каждого ВПУ передается на гидронасосы, где энергия вращения вала ВПУ преобразуется в кинетическую энергию гидравлического потока. Если скорость ветра составит 5 м/с тихоходное ВПУ будет вырабатывать 70% от номинальной мощности, быстроходное 10% и шестилопастное ветроколесо порядка 20%. Гидравлический поток в зависимости от ситуации поступает далее на гидравлический мотор или на гидроаккумулятор. В случае если давление гидравлического потока достаточно с учетом потерь для подачи на гидравлический мотор, клапан регулировки давление открывается и гидропоток сразу подается на гидравлический мотор. Если давление объема рабочей жидкости превышает требуемый, излишки объема рабочей жидкости идут на гидроаккумулятор, а при недостатке давления рабочей жидкости весь объем передают на гидроаккумулятор, откуда при достижении заданного давления через предохранительный клапан в гидравлический мотор подается накопленная рабочая жидкость под давлением. Из гидроаккумулятора накопленный гидравлический поток под давлением поступает на гидравлический мотор, где преобразуется в энергию вращения вала и передается на электрогенератор.
Сравнение годовой выработки электроэнергии предлагаемого изобретения с ВЭС с аналогичным количеством ВПУ с отдельными генераторами при среднепериодической скорости ветра 4,3 м/с приведено в таблице 1.
Таблица 1
Предлагаемое изобретение для повышения коэффициента установленной мощности ВЭС позволит повысить КИУМ ВЭС в широком диапазоне рабочих скоростей ветра использованием нескольких ВПУ разного параметра, гидравлического суммирования и аккумулирования энергии ветра в гидравлическом блоке, а также с уменьшенными затратами за счет использования одного генератора и гидравлического аккумулирования непригодной для подачи на электрогенератор энергии ветра обеспечить бесперебойную работу ветроэлектрической станции для энергоснабжения инфраструктуры сельских территорий в регионах с дефицитом ветровой мощности.