СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОМ
WIND GENERATOR CONTROL METHOD

Предлагаемое изобретение относится к ветроэнергетике, в частности, к ветрогенераторам.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известна ветросиловая установка (ВСУ) карусельного типа с циклично плавно крутящимися в противофазе ротору симметричными лопастями (Патент: RU 2392490 С1), содержащая лопасти, установленные на осях, расположенных параллельно оси вращения ротора, и снабженные приводами вращения лопасти вокруг своей оси, обеспечивающими их плавный разворот на пол оборота в противоположном направлении относительно направления вращения ротора при его полном обороте вокруг своей оси, приводы могут быть либо механическими, работающими через механическую связь с ориентированной по направлению ветра шестерней или с также ориентированными по направлению ветра и сблокированными по количеству цепей звездочками на центральной оси ротора, либо электроприводами вращения лопастей вокруг своих осей, при этом электронные команды с датчиков ветра флюгера и анемометра, расположенных на ветросиловой установке, подаются либо на исполнительный электропривод подстройки под направление ветра центральной шестерни, находящейся на оси ротора, или сблокированных звездочек механического привода, находящихся на оси ротора, либо на электроприводы вращения лопастей вокруг своих осей. ВСУ может быть снабжена второй такой же установкой с направлением вращения ротора в противоположную ротору первой установки сторону. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента использования энергии ветра путем устранения пульсаций крутящего момента при его использовании для привода вентилятора, насоса, гребного винта корабля.
Задача данного изобретения - избавление ВСУ карусельного типа от главного недостатка ветродвигателей данного типа - неоптимальных углов атаки в разных положениях лопасти на окружности вращения, основной причины потерь снимаемой энергии ветрового потока.
Известная ВСУ имеет следующие недостатки:
Лопасть представляет собой прямоугольную раму. Такая форма лопасти менее эффективна чем жесткая лопасть аэродинамической формы. Поворот лопастей при движении по круговой траектории не оптимален, поскольку при движении как по ветру, так и против ветра наклон лопасти по отношению к потоку ветра постоянно меняется. Защиту от бури осуществляют уменьшением рабочих поверхностей лопастей за счет открытия заслонок на лопастях. Однако, сами лопасти остаются под различным наклоном к ветру, кроме того, отсутствует жесткая фиксация заслонок по ветру, что ведет к разрушительному колебанию заслонок. Используемая схема наклона лопастей отличается повышенной сложностью.
Известна ветроэнергетическая установка (Патент: RU 2104409 С1), содержащая опору с установленным на ней вертикальным валом, поворотные лопасти, оси поворота которых размещены на консолях, закрепленных на вертикальном валу, устройство управления, взаимодействующее с поворотными лопастями, и генератор, кинематически связанный с валом, причем устройство управления выполнено в виде ограничителей поворота лопастей, установленных шарнирно на кронштейнах, жестко закрепленных на консолях, одни из ограничителей поворота установлены с возможностью центробежного отклонения, другие подпружинены, а ось поворота лопастей смещена в сторону их передней кромки.
Задача изобретения - повышение надежности в работе и снижение материалоемкости. Технический результат заключается в обеспечении оптимального рабочего положения поворотных лопастей относительно направления ветра при его рабочих скоростях и регулировании частоты вращения вала при скорости ветра выше оптимальной рабочей величины.
Однако, заявленный технический результат достигнут не полностью вследствие следующих причин:
Поворот лопасти ограничен двумя упорами. При порывах ветра лопасти будут колебаться между упорами, подвергаясь ударным нагрузкам. Упоры не обеспечивают оптимальное положение лопастей во время работы и во время бури. В принципе для оптимальной установки лопасти при вращении ротора положение упоров также должно изменяться в зависимости от угла поворота ротора. Кроме того, чтобы управлять положением лопасти упор, который вращается за счет центробежной силы, должен иметь достаточно большую массу для преодоления силы давления ветра на лопасть, что усложняет конструкцию ротора.
Известна ветроэнергетическая станция (Патент: РФ 2458247 С2), содержащая ветроколесо с ободом и каретку с электрогенератором. Приводной вал электрогенератора снабжен роликом, контактирующим с поверхностью обода ветроколеса. Каретка связана с неподвижным основанием шарнирно, обеспечивая возможность перемещения ролика относительно обода ветроколеса в направлении контактирующих поверхностей. Ролик выполнен в виде конуса, образующая которого, контактирующая с ободом ветроколеса, перпендикулярна его плоскости. Ступица ветроколеса насажена с возможностью вращения и осевого перемещения на расположенную горизонтально полую ось. В полой оси концентрически установлен на упорных подшипниках имеющий отверстие с резьбовой нарезкой вал, на одном из концов которого жестко закреплена ветротурбина. Отверстие с резьбовой нарезкой образует винтовую пару вместе с валом, жестко связанным со ступицей ветроколеса.
Задача изобретения - повышение эффективности использования ветроэлектрической станции за счет более полного использования энергии ветра.
Однако, поставленная задача в известном изобретении реализована не полностью из-за следующих недостатков:
Ветроколесо велосипедного типа, в котором ширина лопастей у оси значительно больше, чем у обода, не эффективно использует энергию ветра. По замыслу ветротурбина должна работать на холостом ходу, однако для перемещения массивного ветроколеса вдоль его оси требуется значительное усилие. Поэтому ветротурбина должна быть достаточно мощной, причем ее мощность обеспечивается за счет перехвата части потока ветра, идущего на ветроколесо. Отсутствуют доказательства того, что в рабочем диапазоне скоростей ветра и при различных конструкциях обороты ветротурбины на холостом ходу будут равны оборотам ветроколеса при номинальной нагрузке. С увеличением нагрузки со стороны потребителя на генератор обороты его ротора падают. Необходимо увеличить мощность, передаваемую генератору, а для этого надо увеличить парусность лопастей ветрогенератора. Однако, ротор ветрогенератора смещают в сторону уменьшения диаметра фрикционного ролика, еще более увеличивая на него нагрузку, поэтому обороты ветроколеса перестают соответствовать оборотам при его номинальном режиме работы.
Отсутствуют механизмы регулировки парусности лопастей и защиты лопастей ветроколеса от бури.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному изобретению является преобразователь энергии потока (Патент: RU 2467200 С1), содержащий приемники энергии, надетые на стержни ротора, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен неподвижным корпусом, верхними и нижними неподвижными направляющими и вращающимися роликами, при этом верхние и нижние неподвижные направляющие установлены на корпусе, а вращающиеся ролики установлены на приемниках энергии с возможностью контактирования с неподвижными верхними и нижними направляющими и обеспечения минимального сопротивления приемников энергии при их движении против потока, причем приемников энергии установлено не менее трех.
Задача изобретения - разработка преобразователя энергии потока ветра, обладающего упрощением конструкции, исключение планетарного редуктора, увеличением числа приемников энергии в виде отдельных пластин с уменьшением сопротивления их при движении «против потока», получением равномерного вращения ротора.
Однако, поставленные задачи в известном изобретении реализованы не полностью из-за следующих недостатков:
Лопасти ротора имеют вид плоских пластин, в результате этого они неэффективно воспринимают энергию ветра. Положение пластин ротора при малой скорости ветра нестабильно, они могут изменять свой наклон, при порывах ветра они могут колебаться, что приведет к неустойчивой работе ветрогенератора. Не предусмотрена возможность регулировки и защиты пластин в зависимости от скорости ветра. При переходе с верхних направляющих на нижние и наоборот пластины могут вибрировать и ударяться о направляющие, что приведет к снижению их долговечности.
При исследовании отличительных признаков аналогов изобретения не выявлены решения, позволяющие достаточно просто управлять работой ветрогенератора за счет раскрытия лопастей на заданный угол наклона в зависимости от нагрузки на генератор и от скорости ветра и регулировать поток ветра на ротор вплоть до его полного перекрытия во время бури.
Сущность
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа, позволяющего достаточно просто управлять работой ветрогенератора за счет раскрытия лопастей на заданный угол наклона в зависимости от нагрузки на генератор и от скорости ветра и регулировать поток ветра на ротор вплоть до его полного перекрытия во время бури.
Поставленная задача решается за счет того, что способ управления ветрогенератором, включающий использование ветрогенератора содержащего ротор с поворотными лопастями, наклон которых при движении по кругу устанавливают с помощью неподвижных направляющих, отличающимся тем, что управление углом наклона лопастей или углом раскрытия створок лопастей в ветрогенераторе осуществляют с помощью неподвижных направляющих и подвижных направляющих, смещение которых зависит от напряжения на генераторе и от скорости ветра; ветрогенератор может быть оснащен поворотными козырьками, регулирующими поток ветра на роторы и управляемые в зависимости от напряжения на генераторе и от скорости ветра; в ветрогенераторе с двухстворчатыми лопастями направляющие устанавливают вдоль кругового движения боковых кромок створок лопастей, причем установка створок на заданный угол может быть осуществлена в зоне раскрытия и в зоне закрытия лопастей, в этих зонах поворот створок деблокируют, с помощью направляющих створки поворачивают на заданный угол, затем блокируют поворот створок и далее створки движутся до следующей зоны корректировки.
Поставленная задача решается за счет того, что способ управления ветрогенератором, включающий использование ветрогенератора содержащего неподвижный корпус (опору) с неподвижными верхними и нижними направляющими, ротор с поворотными лопастями и генератор, отличающийся тем, что ветрогенератор дополнительно содержит: установленную в подшипниках корпуса поворотную раму, в подшипниках которой установлены предпочтительно два однотипных ротора; анемометр; редуктор, входы которого подключены к валам роторов, а выход соединен с входом генератора; гидронасос и распределители гидроцилиндров; подвижные направляющие и неподвижные направляющие, каждая пара которых расположена вокруг ротора с лопастями; прикрепленные к раме сверху и снизу каждого ротора гидроцилиндры, штоки которых соединены с подвижными направляющими; козырьки, повороты которых осуществляют предпочтительно с помощью гидроцилиндров; блок управления приводов на подвижные направляющие и на козырьки, входы которого подключены к выходу генератора и выходу анемометра, а выходы - через распределители и гидроцилиндры подключены к поворотным направляющим и к козырькам.
Способ управления ветрогенератором по п. 2 отличающийся тем, что каждая подвижная направляющая и неподвижная направляющая охватывают половину окружности ротора с лопастями, причем прямолинейные концевые части направляющих сопрягаются по касательной на противоположных сторонах ротора с лопастями в зонах раскрытия и закрытия лопастей.
Поставленная задача решается за счет того, что способ управления ветрогенератором, включающий использование ветрогенератора содержащего поворотную головку (опору), ветроколесо, горизонтальный вал которого вращается в подшипниках поворотной опоры, генератор, ветротурбину (киль), отличающийся тем, что ветрогенератор дополнительно содержит: двустворчатые лопасти на ветроколесе; подвижные направляющие, расположенные вдоль кругового движения боковых кромок створок лопастей и расположенные в зоне раскрытия лопастей; неподвижные направляющие, расположенные в зоне закрытия лопастей; раскрытие створок осуществляют с помощью привода, входы блока управления которого подключены к выходам генератора и анемометра, а выходы подключены к подвижным направляющим; на спицах ротора установлены гидроцилиндры, штоки которых своими раздвижными концами соединены со створками лопастей на соседней спице, и распределители гидроцилиндров, щупы которых упираются в поверхность кулачка, причем направляющие и кулачки установлены непосредственно в зонах раскрытия и закрытия створок лопастей.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, которые приведены в качестве примера для пояснения работы заявленного изобретения.
На фиг. 1 приведена кинематическая схема ветрогенератора с двумя вертикальными роторами, вид со стороны флюгера.
На фиг. 2 приведена кинематическая схема ветрогенератора с двумя вертикальными роторами, вид сверху.
На фиг. 3 приведена кинематическая схема ветрогенератора с горизонтальной осью вращения.
На фиг. 4 приведена функциональная схема ветрогенератора с горизонтальной осью вращения на участке раскрытия створок.
На фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 обозначенные подшипники качения и скольжения крепятся на поворотной раме 2 или на стойке 1.
Ветрогенератор, работающий по предлагаемому способу управления, может содержать роторы с вертикальной или горизонтальной осями вращения, а также может содержать сдвоенные роторы. Ветрогенератор с встречно работающими двумя роторами по сравнению с двумя ветрогенераторами, содержащими по одному ротору, эффективней использует энергию ветра, а также имеет более низкий показатель расхода веса конструкции на единицу мощности.
Ветрогенератор с двумя роторами с вертикальными осями, работающий по предлагаемому способу управления содержит: полую неподвижную стойку 1; поворотную раму 2; однотипные роторы 3 со спицами 3-1, которые заканчиваются упорами 3-2 для лопастей и в которых установлены оси 3-3 и лопасти 3-4; анемометр; блоки 4, содержащие редуктор, генератор, гидронасос, распределители гидроцилиндров, блок управления (на схеме не показаны); флюгеры 5; скользящие в пазах рамы 2 подвижные направляющие 6 и прикрепленные к раме неподвижные направляющие 7; гидроцилиндры 8, прикрепленные к раме 2 сверху и снизу каждого ротора 3, поршень которых через шток 8-1 соединен с подвижными направляющими 6; козырек 10, установленный на оси 10-1; блок управления, выходы которого подключены к гидроцилиндрам 8 и 9, а входы подключены к выходу генератора и выходу анемометра.
Ветрогенератор работает следующим образом:
Поворот рамы 2 по ветру осуществляют предпочтительно с помощью флюгеров 5. Неподвижные направляющие 7 наклоняют движущиеся против ветра лопасти 3-4 ротора 3 к упорам 3-2 на роторе. В рабочем диапазоне скоростей ветра подвижные направляющие 6 отведены от упоров 3-2, при этом круговой зазор между осями лопастей 3-3 при их движении и внутренними поверхностями подвижных направляющих 6 и неподвижных направляющих 7 плавно изменяется. С увеличением нагрузки на генератор напряжение на его выходе понижается, при этом блок управления через распределители гидроцилиндров и гидроцилиндры 8 управляет смещением подвижных направляющих 6 от упоров 3-2 на роторе 3. Лопасти роторов 3-4 на рабочем участке роторов 3 распрямляются, и скорость вращения роторов увеличивается. При установке нормального напряжения на генераторе блок управления через распределители блокирует работу гидроцилиндров 8. С увеличением напряжения на генераторе по сигналам блока управления распределитель включает гидроцилиндр 8 на смещение подвижных направляющих 6 в сторону упоров 3-2 ротора 3, обороты ротора уменьшаются, и напряжение на генераторе понижается к заданной норме. Во время бури подвижные направляющие 6 сдвигают к упорам 3-2 роторов 3 настолько, что круговой зазор между подвижными и неподвижными направляющими становится одинаковым, при этом вращение роторов 3 практически прекращается.
Козырьки 10 через гидроцилиндр 9 подключены к выходу блока управления. С увеличением скорости ветра по сигналам из блока управления гидроцилиндры с помощью своих штоков открывает козырьки, направляя дополнительный поток ветра на ротор, затем ограничивают поток ветра на ротор, а во время бури перекрывает козырьками поток ветра на роторы 3, блокируя их вращение.
Ветрогенератор, содержащий ветроколесо с горизонтальной осью вращения, работающий по предлагаемому способу, содержит: на ветроколесе лопасти со створками 2-2; гидроцилиндры 3 со штоками 3-1, раздвижные концы которых соединены со створками соседней лопасти; распределители цилиндров 4 со щупами 4-1; кулачок 5; неподвижные направляющие 7 и подвижные направляющие 6, установленные в подшипниках скольжения 6-2; гидроцилиндры 6-1, штоки которых соединены с подвижными направляющими; блок, содержащий редуктор, генератор, гидронасос и блок управления (на схеме не показан).
Ветрогенератор работает следующим образом:
В ветроколесе угол раскрытия створок лопастей регулируют с помощью неподвижных 7 и подвижных направляющих 6. Привод на подвижные направляющие содержит блок управления, входы которого подключены к выходам генератора и анемометру, а выходы через распределители и гидроцилиндры 6-1 соединены с подвижными направляющими 6. Коррекцию поворота створок 2-2 лопастей производят в зоне раскрытия и в зоне закрытия створок. Между зонами коррекции поворот створок лопастей заблокирован, и они движутся с заданным углом наклона. Управление перетоком жидкости между полостями гидроцилиндра 3 осуществляют в его распределителе 4. При набегании щупа 4-1 распределителя на кулачок 5 открывается канал для перетока жидкости в гидроцилиндре 3. Под действием направляющих устанавливают заданный наклон створок 2-2 лопастей ротора 2. После сбегания щупа 4-1 распределителя 4 с кулачка 5 канал для перетока жидкости перекрывается поршнем распределителя 4 и далее створки лопастей 2-2 с установленным углом наклона движутся к следующей зоне коррекции. В зоне закрытия лопастей проход между неподвижными направляющими 7 уменьшается и створки лопастей складываются. В зоне раскрытия лопастей створки лопастей 2-2 под напором ветра раскрываются, причем угол раскрытия лопастей ограничивают шириной прохода между подвижными направляющими 6. Раскрытие и закрытие лопастей осуществляется плавно из-за низкой скорости движения поршня в гидроцилиндре. При касании концами створок 2-2 подвижных направляющих 6 расхождение створок прекращается.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения по повышению эффективности работы ветрогенератора и защиты его во время бури, следующие:
При смещении подвижной направляющей зазор между направляющими и ротором, независимо от ширины зазора, плавно изменяется, при этом также плавно изменяется и наклон лопастей ротора. При увеличении высоты роторов предпочтительна установка дополнительных пар неподвижных и подвижных направляющих. Управление смещением подвижной направляющей может быть осуществлено с помощью гидроцилиндров, расположенных сверху и снизу ротора. Синхронная работа этих гидроцилиндров может быть осуществлена последовательным соединением полостей для перетока жидкости в гидроцилиндрах.
Лопасти роторов, имеющие правильную аэродинамическую форму, позволят более полно использовать энергию ветра. С целью уменьшения износа лопастей на участках касания с направляющими предпочтительно эластичное крепление к ним свободно вращающихся цилиндрических роликов. Концы козырьков, поворачиваясь во время бури, соприкасаются между собой, поэтому они должны быть оснащены эластичными насадками. Вверху и внизу зоны соприкосновения козырьков установлены упоры, прикрепленные к раме для ограничения дальнейшего поворота козырьков.
В качестве привода для створок лопастей ротора с горизонтальной осью вращения предпочтительно применение гидравлического привода. Этот привод наиболее универсальный по своим возможностям, и с его помощью достаточно просто может быть осуществлено управление смещением без перекосов подвижных направляющих, а также управление поворотом козырьков.