Способ управления ветроэнергоустановкой и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергоустановкам с горизонтальной осью вращения ротора. Технический результат, заключающийся в расширении рабочего диапазона скоростей ветра, обеспечении возможности использования синхронных электрогенераторов переменного тока, повышении коэффициента использования энергии ветра, обеспечивается за счет того, что в способе управления ветроэнергоустановкой, при котором ротором с вращающимися вокруг оси ротора подвижными элементами взаимодействуют с воздушным потоком, поток дополнительно тормозят и уменьшают усилие его взаимодействия с подвижными элементами ротора при увеличении скорости потока, а результат взаимодействия ротора с потоком подводят к нагрузке, согласно изобретению дополнительное усилие торможения сосредотачивают по оси ротора, сравнивают усилие дополнительного торможения с расчетным усилием, возникающим на роторе от центробежных и аэродинамических сил, при минимальной рабочей скорости потока и при превышении усилия дополнительного торможения прикладывают его к каждому подвижному элементу одновременно. Указанный способ реализуется в соответствующей ветроэнергоустановке. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 12 ил., 6 табл.

Изобретение относится к ветроэнергоустановкам, имеющим ротор с ориентированной по направлению скорости ветра (потока) горизонтальной осью вращения и вращающимися вокруг оси ротора крыльями (подвижными элементами), которые взаимодействуют с воздушным потоком и результат взаимодействия ротора с потоком подводится к полезной нагрузке - насосу, электрогенератору и т.п. (см., например, "Большая Советская Энциклопедия" - далее БСЭ, 1964 г., т. 4, стр. 589, рис. 2 и 3, стр. 590, рис.7).

Изобретение может быть использовано для автоматического регулирования мощности и скорости вращения ротора при переменной скорости ветра, когда необходимо ограничить ветровые нагрузки на установку и обеспечить постоянную скорость вращения электрогенератора.

Известен способ управления ветроэнергоустановкой, заключающийся в том, что ротором с вращающимися вокруг оси ротора подвижными элементами взаимодействуют с воздушным потоком, при достижении установленного предела скоростного напора поток дополнительно тормозят и уменьшают усилие его взаимодействия с подвижными элементами ротора (см. патенты PCT N WO 80/02056 от 27.03.79 F 03 D 7/02 (Швеция), N WO 95/00757 от 23.06.93 F 03 D 7/02 (Финляндия), N 156910B от 08.06.83 F 03 D 7/04, N 151351B от 19.05.80 МКИ F 03 D 1/00, (Дания) и др. аналоги) Поток тормозят дополнительными поверхностями (боковыми планами), чем уменьшают площадь его взаимодействия с подвижными элементами ротора при увеличении скорости потока, выводя весь ротор из-под ветра и снижая усилие взаимодействия (см., БСЭ, 1964 г., т. 4, стр. 590, рис. 6б - принят за прототип).

Этот способ применим для быстроходных ветродвигателей с числом крыльев менее четырех. Ротор с небольшим числом крыльев обычно включает ступицы и подшипниковые узлы, в которых крыло поворачивается относительно своей продольной оси для изменения угла установки механизмом регулирования частоты вращения. Этим обеспечивается уменьшение усилия взаимодействия ротора с потоком.

В указанном информационном источнике - БСЭ, 1964 г., т. 4, стр. 590, рис. 7 - приведена также конструкция ветроэнергоустановки "Беркут-2", содержащая мачту с горизонтальной поворотной платформой, на которой установлены электрогенератор с валом, ротор с валом и крыльями, установленными с возможностью изменения угла установки в потоке, механическую передачу вращения от вала ротора к валу электрогенератора с возможностью отключения передачи, принятая за прототип заявляемого устройства.

Описанные способ и устройство реализованы в ветроэнергоустановках малой и средней мощности, комплектуемых электрогенераторами постоянного тока, некритичными к большим колебаниям скорости вращения, таких как установки "Whisper" фирмы World Power Technologies INC, установка "BWC Excel" фирмы Bergey Windpower, греческая установка "Σαμσων-2500", отечественные установки типа АВЭ-4, АВЭ-16 НПО "Ветроэн" и др.

Недостатками известного способа управления ветроэнергоустановкой являются: - ограниченный рабочий диапазон скоростей ветра, - невозможность использования в установках синхронных электрогенераторов переменного тока и вызванная этим необходимость применения инверторов для преобразования постоянного электрического тока в переменный, - относительно низкая эффективность использования энергии ветра, - неудобство в эксплуатации и высокая динамическая нагруженность при рабочих скоростях набегающего потока, приближающихся к 12- 15 м/с, когда ротор в известном устройстве принудительно останавливают и выводят из-под ветра системой тросов с лебедкой.

В сложных ветроэнергоустановках ведущих ветроэнергетических фирм для управления процессом отворота ротора и обеспечения постоянной скорости его вращения служат компьютеризованные механогидравлические системы управления, например ветроэнергоустановка датской фирмы Micon Type M530-250 KW.

Недостатком подобных установок является сложность, высокая стоимость и пониженная надежность конструкции.

Целью изобретения является исключение указанных недостатков известного способа управления ветроэнергоустановкой и обеспечение возможности регулирования мощности и скорости вращения ротора при переменной скорости ветра, когда необходимо ограничить ветровые нагрузки на установку и обеспечить постоянную скорость вращения электрогенератора, расширение рабочего диапазона скоростей ветра, обеспечение возможности использования в установках синхронных электрогенераторов переменного тока.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе управления ветроэнергоустановкой, при котором ротором с вращающимися вокруг оси ротора подвижными элементами взаимодействуют с воздушным потоком, поток дополнительно тормозят и уменьшают усилие его взаимодействия с подвижными элементами ротора при увеличении скорости потока, а результат взаимодействия ротора с потоком подводят к нагрузке, согласно изобретению дополнительное усилие торможения сосредотачивают по оси ротора, сравнивают усилие дополнительного торможения с расчетным усилием, возникающим на роторе от центробежных и аэродинамических сил при минимальной рабочей скорости потока, и при превышении усилия дополнительного торможения прикладывают его к каждому подвижному элементу одновременно.

Согласно изобретению усилие дополнительного торможения преобразуют в усилие отклонения каждого подвижного элемента в направлении вектора скорости потока и пропорционального ему усилия поворота каждого подвижного элемента вокруг его продольной оси.

Согласно изобретению задают верхний предел скорости вращения на нагрузке и контролируют его, а при превышении заданного значения ротор механически отсоединяют от нагрузки.

Указанная цель достигается еще и тем, что в ветроэнергоустановке для осуществления способа, содержащей мачту с горизонтальной поворотной платформой, на которой установлены электрогенератор с валом, ротор с валом и крыльями, установленными с возможностью изменения угла установки в потоке, механическую передачу вращения от вала ротора к валу электрогенератора с возможностью отключения передачи, согласно изобретению ротор размещен по отношению к потоку за электрогенератором, осью вращения горизонтальной поворотной платформы и механической передачей, каждое крыло ротора установлено своим основанием в ступицу с двумя дополнительными степенями свободы перемещения, а ветроэнергоустановка снабжена аэродинамическим тормозом осевого плана, размещенным за ротором в направлении вектора скорости потока на валу ротора с возможностью поступательного перемещения вдоль него, подпружиненным к нему и соединенным механически с каждым из крыльев и узлами синхронизации отклонений крыльев в потоке по двум степеням свободы перемещений, а вал ротора установлен в опоре так, что оба его конца консольны.

Согласно изобретению основание каждого крыла ротора выполнено в виде оси, установленной во втулке ступицы с возможностью вращения вокруг продольной оси крыла и подпружиненной к ступице пружиной кручения, при этом сама ступица установлена в проушины, установленные на валу ротора, с возможностью отклонения ступицы в направлении вектора скорости потока вокруг оси, установленной в проушинах.

Согласно изобретению аэродинамический тормоз выполнен в виде диска, установленного перпендикулярно вектору скорости потока и скрепленного с установленным на валу ротора ползуном, которому обеспечена возможность поступательного перемещения вдоль вала ротора и который подпружинен пружиной сжатия к валу ротора и соединен тягами с каждой ступицей крыла.

Согласно изобретению в диске выполнены окна, которые закрыты подпружиненными щитками, установленными на диске с возможностью поворота в направлении вектора скорости потока или срезными мембранами.

Согласно изобретению узел синхронизации отклонений каждого крыла в потоке по двум степеням свободы перемещений выполнен в виде копирной планки, установленной на каждой проушине, и взаимодействующего с копирной планкой рычага, установленного на конце каждой оси крыла, выходящем за линейный размер втулки ступицы и перпендикулярного оси крыла и плоскости копирной планки.

Согласно изобретению механическая передача вращения от вала ротора к валу электрогенератора выполнена в виде планетарной передачи с остановленным водилом, одна часть которой (подвижная) установлена на обращенной к электрогенератору консольной части вала ротора, а вторая часть (неподвижная) установлена на горизонтальной поворотной платформе, и самоуправляемой нормально замкнутой центробежной муфты, одна часть которой установлена на выходном валу планетарной передачи, а другая - на валу электрогенератора.

Согласно изобретению подвижная часть планетарной передачи выполнена в виде большого колеса с внутренней рабочей поверхностью, сателлитов и выходного вала, взаимодействующих друг с другом боковыми поверхностями, а неподвижная часть планетарной передачи (остановленное водило) выполнена в виде станины, в посадочное отверстие которой соосно большому колесу установлен выходной вал, вокруг которого симметрично и равномерно установлены оси сателлитов, а часть самоуправляемой нормально замкнутой центробежной муфты, установленная на выходном валу, выполнена в виде вкладыша, тормозных колодок, подпружиненных через кулачки к вкладышу и корпусу самоуправляемой нормально замкнутой центробежной муфты, закрепленному на валу электрогенератора.

Согласно изобретению рабочие поверхности большого колеса, сателлитов и выходного вала планетарной передачи выполнены в виде фрикционного зацепления в форме усеченного конуса или в виде зубчатого зацепления.

Автору известно применение в ветроэнергоустановках аэродинамических тормозов бокового плана, но при совпадении функций известного признака (торможение потока) несравнимы результаты его применения в новом и известных технических решениях.

Вывести из потока усилием торможения весь ротор в известном устройстве - это приложить усилие к гироскопу, который стремится вернуться в первоначальное состояние, к тому же усилие торможения уменьшается из-за выхода из потока самого аэродинамического тормоза. Следствием этого является возникновение колебательных процессов и динамической неуравновешенности известного устройства, приводящих к накоплению усталостных напряжений в конструкции и соответствующему снижению ее надежности.

Сохранение ориентации оси вращения ротора и аэродинамического тормоза по отношению к потоку в предлагаемом изобретении является принципиальным фактором, существенно снижающим динамические нагрузки на ветроэнергоустановку, что обеспечивается снабжением предлагаемого устройства аэродинамическим тормозом осевого плана, в отличие от известных аэродинамических тормозов бокового плана.

Таким образом, совокупность отличительных признаков предлагаемого решения автору неизвестна, что является доказательством новизны предложения, а каждый из признаков указанной совокупности со всей очевидностью не следует из уровня техники, что является доказательством наличия изобретательского уровня в предложении. При этом автор подчеркивает наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемыми техническими результатами.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид ветроэнергоустановки, на фиг.2 - схема векторов аэродинамических сил и скоростей в сечении крыла, на фиг. 3 - расчетная схема установки, на фиг. 4 - блок-схема программы расчета проектных параметров ветроэнергоустановки, на фиг. 5 - увеличенное изображение устройства в зоне ступицы, крыла, ползуна и аэродинамического тормоза, на фиг. 6 - изображение устройства в зоне копира, на фиг. 7 - изображение механической передачи вращения от вала ротора к валу электрогенератора, на фиг. 8 - расчетные зависимости мощности ветроэнергоустановки от скорости ветра, на фиг. 9 - расчетные зависимости угловой скорости ротора от скорости ветра, на фиг. 10 - расчетные зависимости результирующей аэродинамических и центробежных сил, действующих на ротор и аэродинамический тормоз в функции скорости ветра, и характеристика пружины сжатия, на фиг. 11 - изображение диска с окнами и срезными мембранами, на фиг. 12 - изображение диска с подпружиненными щитками.

На фиг. 1, 3, 5, 6, 7, 11 и 12 позициями обозначены: мачта 1, горизонтальная поворотная платформа 2, станина 3, вал ротора 4, проушины 5, оси 6, втулки ступицы 7, оси 8, крылья 9, рычаги 10, пружины кручения 11, оси 12, тяги 13, оси 14, ползун 15, пружина сжатия 16, аэродинамический тормоз 17, копирные планки 18, профилированные поверхности 19, большое колесо 20, станина 21, оси 22, сателлиты 23, выходной вал 24, электрогенератор 25, корпус 26, кулачки 27, тормозные колодки 28, пружины сжатия 29, вкладыш 30, резьбовые крышки 31, окна 32, срезные мембраны 33, щитки 34, оси щитков 35, пружины кручения 36.

На фиг. 4 позициями обозначены: блок ввода исходных данных 37, блок ввода вспомогательных данных 38, база данных аэродинамических коэффициентов крыла 39, база данных электрогенераторов 40, база данных параметров плотности воздуха и ускорения силы тяжести в зависимости от высоты 41, блок расчета параметров ветроэнергоустановки с нерегулируемым ротором 42, блок расчета параметров ветроэнергоустановки с ротором, регулируемым по углу стреловидности 43, блок расчета параметров ветроэнергоустановки с ротором, регулируемым по углам стреловидности и установки 44, блок расчета параметров планетарной передачи 45, блок расчета параметров самоуправляемой нормально замкнутой центробежной муфты 46, блок вывода цифровых результатов расчета параметров ветроэнергоустановки 47, блок вывода графических результатов расчета параметров ветроэнергоустановки 48.

На фиг. 8 обозначены: I - диаграмма механической мощности нерегулируемого ротора, II - диаграмма механической мощности ротора, регулируемого по углам стреловидности и установки крыла, III - диаграмма электрической мощности ветроэнергоустановки.

На фиг. 9 обозначены: I - диаграмма угловой скорости нерегулируемого ротора, II - диаграмма угловой скорости ротора, регулируемого по углам стреловидности и установки крыла, III - диаграмма угловой скорости вала электрогенератора, обеспечиваемая самоуправляемой нормально замкнутой центробежной муфтой.

На фиг. 10 обозначены: I - диаграмма результирующей аэродинамических и центробежных сил, действующих на ротор и аэродинамический тормоз, II - характеристика пружины сжатия.

Принятые обозначения: V_∞ - вектор скорости набегающего потока, α - угол стреловидности, Φ - угол установки крыла в потоке, α_к - угол атаки в поперечном сечении крыла, F_x - аэродинамическая сила лобового сопротивления крыла, F_y - аэродинамическая подъемная сила, F_ц - центробежная сила, F_т - сила торможения, действующая на аэродинамическом тормозе; R_Σ - полная аэродинамическая сила, действующая на крыло, ΣR - результирующая сил, действующих на ротор и аэродинамический тормоз; Cx(α,Φ),Cy(α,Φ) - аэродинамические коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы крыла в функции углов стреловидности и установки, D_р - максимальный диаметр окружности, описываемой крылом ротора; D_т - диаметр аэродинамического тормоза; ζ - коэффициент использования энергии ветра, ω_p - угловая скорость ротора, ω_п - угловая скорость выходного вала передачи, ω_эг - угловая скорость электрогенератора, V_окр - окружная скорость крыла, X_цд - расстояние от оси вращения ротора до центра давления крыла, X_цм - расстояние от оси вращения ротора до центра массы крыла; a, b и β - размеры и угол кулисы, w - относительная скорость потока; F_пр - характеристика пружины сжатия; M - вращающий момент на крыле; ρ - плотность воздуха, ω_п - угловая скорость выходного вала передачи, ΣI - суммарное передаточное число планетарной передачи.

Ветроэнергоустановка по фиг. 1, 5, 6, 7, 11 и 12, реализующая предлагаемый способ регулирования, содержит горизонтальную поворотную платформу 2, установленную на вершине мачты 1. На поворотной платформе 2 последовательно по отношению к вектору скорости ветра V_∞ размещены электрогенератор 25 с валом, станина 21 механической передачи вращения от вала ротора к валу электрогенератора с возможностью отключения передачи и станина 3, в которой установлен вал ротора 4.

Для обеспечения самоориентации ветроэнергоустановки в направлении вектора скорости потока ротор с крыльями 9 расположен по отношению к вектору скорости ветра V_∞ за осью вращения платформы 2, а имеющий значительную массу электрогенератор 25 - впереди оси.

Вал ротора 4 снабжен проушинами 5, в которые на осях 6 установлены подшипниковые втулки ступицы 7, которым обеспечена возможность поворота вместе с крыльями 9 в плоскости вала ротора 4 в направлении вектора скорости потока на угол стреловидности α.

В посадочные отверстия втулок ступиц 7 с возможностью вращения на осях 8 установлены крылья 9, развернутые боковой поверхностью на начальный угол установки Φ₀ по отношению к вектору скорости ветра V_∞.

Втулки ступиц 7 снабжены отверстиями, в которые на осях 12 установлены тяги 13. Противоположные концы тяг 13 связаны осями 14 с ползуном 15, который установлен на валу ротора 4 на ходовой посадке и подпружинен пружиной сжатия 16, установленной на том же валу 4.

Усилие предварительной деформации пружины сжатия 16 установлено равным расчетному значению центробежных и аэродинамических сил при минимальной рабочей скорости потока, возникающих на роторе и аэродинамическом тормозе 17, который может выполняться в форме плоского сплошного диска, жесткого парашюта, вогнутой чашки и т.п., установленного перпендикулярно вектору скорости потока, и установлен на ползуне 15.

Возможны варианты исполнения аэродинамического тормоза с окнами 32, закрытыми срезными мембранами 33 (для зон с умеренными ветрами и редкими шквалами), или щитками 34, установленными на осях 35 и подпружиненными пружинами 36 (для зон с сильными и частыми порывистыми ветрами).

На валу ротора 4 рядом с проушинами 5 установлены узлы синхронизации отклонений каждого крыла в потоке по двум степеням свободы перемещений.

Узел синхронизации выполнен в виде копирной планки 18, установленной на каждой проушине 5, и взаимодействующего с копирной планкой 18 рычага 10, установленного на конце каждой оси 8 крыла 9, выходящем за линейный размер втулки ступицы, и перпендикулярного оси 8 и плоскости копирной планки 18. Рычаг 10 подпружинен к втулке ступицы 7 и копирной планке 18 пружиной кручения 11.

Механическая передача вращения от вала ротора к валу электрогенератора выполнена из двух элементов, в основу которых положены известные в технике планетарные передачи и центробежные тормоза, конструкции которых описаны в "Справочнике машиностроителя", ГНТИ Машиностроительной литературы, М., 1965 г., т. 4, кн. II, фиг. 1а, стр. 449-453, фиг. 45, стр. 867.

Таким образом, механическая передача выполнена в виде планетарной передачи с остановленным водилом, подвижная часть которой (большое колесо 20) установлена на обращенной к электрогенератору 25 консольной части вала ротора 4, а неподвижная часть (станина 21) установлена на горизонтальной поворотной платформе 2, и самоуправляемой нормально замкнутой центробежной муфты, одна часть которой (вкладыш 30) установлена на выходном валу 24 планетарной передачи, а другая (корпус 26) - на валу электрогенератора.

Большое колесо 20 установлено на выступающем из станины 3 конце вала ротора 4. Роль остановленного водила выполняет станина 21, в посадочное отверстие которой установлен выходной вал 24, вокруг которого симметрично и равномерно расположены оси 22 с установленными на них сателлитами 23. За счет применения нескольких сателлитов обеспечивается компактность передачи при значительной передаваемой мощности. Оси 22 скреплены со станиной 21. Сателлиты 23 имеют внутреннее зацепление с большим колесом 20 и взаимодействуют с выходным валом 24, расположенным соосно с большим колесом 20.

В зависимости от величины передаваемого вращательного момента рабочие поверхности большого колеса 20, сателлитов 23 и выходного вала 24 планетарной передачи могут выполняться в виде фрикционного зацепления в форме усеченного конуса или в виде зубчатого зацепления.

Общее передаточное число передачи ΣI установлено из условия обеспечения номинальной скорости вращения электрогенератора при минимальной угловой скорости ротора.

На валу электрогенератора 25, который установлен соосно с выходным валом 24, укреплен корпус 26 самоуправляемой нормально замкнутой центробежной муфты. Корпус 26 снабжен радиальными посадочными отверстиями, в которых на ходовой посадке установлены кулачки 27, скрепленные с тормозными колодками 28 и подпружиненные пружинами сжатия 29.

Количество кулачков, тормозных колодок и пружин сжатия, суммарная сила предварительного сжатия пружин 29 и суммарная площадь контакта тормозных колодок 28 и вкладыша 30 установлены из условия передачи максимального вращательного момента на выходном валу 24, развиваемого ротором при максимальной рабочей скорости ветра.

Верхний предел скорости вращения на нагрузке задается тем, что суммарная масса кулачка 27, тормозной колодки 28 и пружины сжатия 29 установлены из условия превышения силы предварительного сжатия пружины 29 центробежной силой, возникающей в перечисленных элементах при номинальной скорости вращения вала электрогенератора.

Тормозные колодки 28, опираются на цилиндрическую поверхность вкладыша 30, который закреплен на выходном валу 24. Удержание кулачков в радиальных отверстиях корпуса 26 обеспечивается резьбовыми крышками 31. В зависимости от величины передаваемой мощности тормозные колодки 28 и вкладышы 30 могут выполняться из стали с высокими механическими свойствами или материалов с повышенными фрикционными свойствами, например из текстолита, титановых сплавов и т.п.

В представленной на фиг. 2 схеме векторов аэродинамических сил и скоростей в сечении крыла воздушный поток набегает на крыло с относительной скоростью w под некоторым углом атаки α_к. Возникающая на каждом крыле полная аэродинамическая сила R_Σ раскладывается на силу F_x лобового сопротивления, действующую по оси ротора и на подъемную силу F_y, создающую вращающий момент М, который можно выразить как: M = F_у•X_цд= Cy(α)•ρ•V²_∞•S_к•X_цд/2.

Угловая скорость вала ротора может быть выражена как: ω_p = V_окр/X_цд.

Мощность, развиваемая на валу ротора, зависит от его диаметра, формы и профиля крыльев, практически не зависит от их количества и может быть выражена как: P_p= M•ω_p= Cy(a)•ρ•V³_∞S_к/2. В инженерных расчетах более удобно выражение мощности P_p= 3,85•10^-3•ρ•D²_p•V³_∞•ζ.
С учетом представленной на фиг. 3 расчетной схемы установки выражение мощности принимает вид:
P_p= 3,85•10^-3•ρ•D²_p•V³_∞•ζ,•Cos²α.
В расчетах также использованы следующие основные зависимости:
- центробежная сила, действующая на крыло: F_p= m_кр•X_цм•Cosα•ω²;
- момент центробежной силы, действующей на крыло при угле стреловидности α > 0^o
-M_ц= F_ц•X_цм•Sinα;
- момент аэродинамической силы лобового сопротивления, действующей на крыло
+M_x= F_x•X_цд•Cosα;
- сила лобового сопротивления, действующая на аэродинамический тормоз:
F_т= C_x•ρ•πD²_тV²_i/2;
- угол кулисы β = arcsin [(a•Cos а) / b];
- суммарный момент трех крыльев: Σ M=3(М_x-М_ц);
- сила, действующая на ползун вдоль оси вращения ротора: F_п= Σ M / а;
- результирующая сила: Σ R = F_п + F_т;
- перемещение ползуна: X = a Sinα+bCosβ,
которые положены в основу математической модели ветроэнергоустановки, реализующей предлагаемый способ.

На основе математической модели разработана компьютерная программа расчета проектных параметров ветроэнергоустановки с изменяемой геометрией крыла, блок-схема которой представлена на фиг. 4.

В блок ввода исходных данных 37 вводятся следующие параметры: диаметр ротора D_р, начальная скорость ветра V₀, шаг приращения скорости ветра δV, коэффициент использования энергии ветра , высота размещения ветроэнергоустановки над уровнем моря H.

В блок ввода вспомогательных данных 38 вводятся следующие параметры: приращение угла стреловидности δα/δV, коэффициент лобового сопротивления аэродинамического тормоза C_x, начальная угловая скорость ротора ω_p, коэффициенты подобия центра давления крыла X_цд и центра массы X_цм, масштабирования тормозного элемента k_тэ, массы крыла k_мк, потерь энергии потока за ротором k_п, масштабирования размера а кулисы k_a, масштабирования размера b кулисы k_b, масштабирования ширины крыла K_кр, приращение угла установки крыла δΦ/δV, наклона характеристики пружины k_пруж, КПД передачи, КПД электрогенератора.

База данных 39 содержит расчетно-экспериментальные значения аэродинамических коэффициентов C_x и C_y плоских длинных пластин в функции углов атаки для дозвуковых скоростей потока.

База данных 40 содержит паспортные данные стандартных синхронных электрогенераторов переменного тока: марку, электрическую мощность, скорость вращения, массу, КПД и др.

База данных 41 содержит значения параметров плотности воздуха и ускорения силы тяжести в зависимости от высоты размещения ветроэнергоустановки (на уровне моря, в горных условиях и т.п.).

Введенные с пульта компьютера в блоки 37 и 38 значения параметров поступают в блок 42, где производится расчет предельных значений параметров ветроэнергоустановки с нерегулируемым ротором, затем результаты расчета передаются в блок 43, где производится расчет параметров ветроэнергоустановки с ротором, регулируемым по углу стреловидности, после чего результаты расчета передаются в блок 44, где производится расчет параметров ветроэнергоустановки с ротором, регулируемым по углам стреловидности и установки. При этом из баз данных 39, 40 и 41 автоматически выбираются необходимые значения параметров воздуха, аэродинамических коэффициентов крыла и паспортные данные электрогенераторов, используемые в расчетах.

Результаты производимых расчетов посредством блока 48 выводятся в виде диаграмм на экран компьютера и могут контролироваться и корректироваться конструктором путем ввода в блоки 37 и 38 соответствующих изменений.

Таким образом, в диалоговом режиме обеспечивается отыскание оптимального решения многопараметрической задачи, каковой является расчет и выбор проектных параметров ветроэнергоустановки, реализующей предлагаемый способ управления.

Результаты расчета в виде набора данных, необходимых для разработки конструкторской документации на установку, выводятся посредством блока 47 на экран компьютера и могут быть выведены на печать наряду с диаграммами. Перечень выводимых блоком 47 параметров дан в примерах ветроэнергоустановок, приводимых в таблицах 1 - 6.

Полученные данные в диалоговом режиме могут быть переданы в блоки 45 и 46, где производится расчет конструктивных параметров механической передачи вращения.

Проведенные с помощью описанной программы численные исследования параметров и основанные на результатах этих исследований конструкторские разработки ветроэнергоустановок различной мощности подтверждают осуществимость предлагаемого способа и работоспособность конструкции ветроэнергоустановки, действие которой происходит следующим образом.:
При наличии ветра за счет свойства самоориентации ротор разворачивается на поворотной платформе 2 и его ось занимает положение, параллельное набегающему потоку, как это показано на фиг. 1, 3. Когда скорость ветра достигает нижней границы рабочего диапазона V₀, на валу ротора 4 создается необходимый вращательный момент и ротор начинает вращаться с угловой скоростью ω_p, заданной начальным углом установки крыла Φ₀.

Через посаженное на передающий вал ротора 4 большое колесо 20 планетарной передачи вращение передается на сателлиты 23, далее через них на выходной вал 24 и, наконец, через вкладыш 30 и находящиеся с ним в зацеплении тормозные колодки 28 поступает на вал электрогенератора 25. Так как общее передаточное число передачи ΣI установлено из условия обеспечения номинальной скорости вращения электрогенератора при минимальной угловой скорости ротора, электрогенератор 25 приобретает номинальную скорость вращения и начинает вырабатывать стандартное напряжение и частоту электрического тока.

При усилении ветра возрастают аэродинамические нагрузки на крылья 9 и аэродинамический тормоз 17, преодолевается усилие предварительной деформации пружины сжатия 16, которое установлено равным расчетному значению усилий от центробежных и аэродинамических сил при минимальной рабочей скорости потока, возникающих на роторе и аэродинамическом тормозе.

Идет сравнение усилия торможения потока аэродинамическим тормозом и указанного выше расчетного усилия. Контроль осуществляет пружина сжатия 16. При увеличении скорости ветра и соответственно усилия торможения пружина 16 сжимается, ползун 15 перемещается в равновесное положение на валу ротора 4, при котором восстанавливается равенство результирующей сил ΣR, действующих на крылья 9 и аэродинамический тормоз 17. Возрастает и величина реакции пружины сжатия 16.

При этом под действием части усилия торможения, создаваемого аэродинамическим тормозом, крылья 9, поворачиваясь вместе с подшипниковыми втулками ступицы 7 на осях 6, отклоняются на угол стреловидности α, соответствующий перемещению ползуна 15.

Одновременно, под действием другой части усилия торможения концы рычагов 10 передвигаются по профилированным поверхностям 19 копирных планок 18, преодолевают момент сопротивления пружин кручения 11 и синхронно и пропорционально углу стреловидности разворачивают крылья 9 навстречу набегающему потоку, уменьшая угол установки Φ и ограничивая этим угловую скорость ω_p вала ротора 4, как это иллюстрируется кривой II на фиг. 9.

При ослаблении ветра процесс протекает в обратном направлении, пружина сжатия 16 возвращает ползун 15 в новое равновесное положение, угол стреловидности α уменьшается, рычаги 10 под действием пружин кручения II передвигаются по профилированным поверхностям 19 копирных планок 18, увеличивая угол установки Φ крыльев 9 и уменьшая угловую скорость ω_p вала ротора 4 в установленных пределах.

Контроль верхнего предела скорости вращения на нагрузке обеспечивают следующим образом.

При скоростях вращения выходного вала 24, не превышающих синхронной скорости вращения вала электрогенератора 25, вращательный момент от выходного вала 24 через вкладыш 30, тормозные колодки 28, кулачки 27 и корпус 26 передается на вал электрогенератора 25.

При повышении угловой скорости сверх установленного предела в кулачках 27, тормозных колодках 28 и пружинах сжатия 29 возникает центробежная сила, превышающая силу сопротивления пружин сжатия 29. Под действием этой силы тормозные колодки 28 выходят из зацепления с вкладышем 30 и скорость вращения вала электрогенератора возвращается на заданный уровень, как это показано на диаграмме III по фиг. 9, на которой для сравнения представлена также диаграмма I угловой скорости нерегулируемого ротора.

Сравнение представленных на фиг. 9 диаграмм показывает, что в рабочем диапазоне скоростей ветра скорость вращения нерегулируемого ротора (диаграмма I) возрастает в несколько раз пропорционально росту скорости ветра, скорость вращения ротора с регулируемыми углами стреловидности и установки крыла (диаграмма II) ограничена в пределах нескольких десятков процентов от начальной скорости, а скорость вращения вала электрогенератора, обеспечиваемая самоуправляемой нормально замкнутой центробежной муфтой (диаграмма III), поддерживается на постоянном уровне, установленном техническими требованиями на синхронные электрогенераторы переменного тока.

Действие варианта исполнения аэродинамического тормоза по фиг. 11, предназначенного для зон с умеренными ветрами и редкими шквалами, происходит следующим образом.

При умеренных ветрах, скорость которых не превышает верхней границы рабочего диапазона скоростей, установленного для ветроэнергоустановки, скоростной напор выдерживается за счет прочностных характеристик материала, площади и толщины срезной мембраны 33.

При внезапном порыве ветра со скоростью, превышающей верхний предел рабочего диапазона, мембраны 33 срезаются по контуру окон 32 и общая площадь аэродинамического тормоза 17 уменьшается. Соответственно, уменьшаются и ветровые нагрузки на ветроэнергоустановку. Выбранное соотношение площади окон 32 и площади аэродинамического тормоза 17 позволяет устанавливать величину допускаемой предельной скорости ветра V_пред до разрушения ветроэнергоустановки. В интервале скоростей ветра от максимальной рабочей скорости V_{max рабоч} до допускаемой предельной скорости ветра V_пред ветроэнергоустановка действует следующим образом.

За счет дальнейшего роста усилия торможения продолжается перемещение ползуна 15 по валу ротора 4 и сжатие пружины 16 до максимальной деформации и соприкосновения витков. При этом рычаги 10 поворачивают крылья 9 строго ребром к набегающему потоку.

Вращение ротора прекращается, а аэродинамическая нагрузка на крылья становится минимальной.

Действие варианта исполнения аэродинамического тормоза по фиг. 12, предназначенного для зон с сильными и частыми порывистыми ветрами, отличается от описанного выше тем, что при сильных и частых порывах ветра подпружиненные щитки 34, поворачиваясь на осях 35, открывают окна 32 и уменьшают общую площадь аэродинамического тормоза 17, а при стихании ветра под действием пружин 36 щитки 34 возвращаются в исходное положение и перекрывают окна 32, восстанавливая первоначальную площадь аэродинамического тормоза и расчетный режим работы ветроэнергоустановки.

В качестве примеров реализации способа приведены распечатки проектных параметров некоторых ветроэнергоустановок с изменяемой геометрией крыла, рассчитанных по описанной программе.

- Передвижные и стационарные ветроэнергоустановки мощностью 4 кВт (таблица 1) и 12 кВт (таблица 2), предназначенные для энергоснабжения геологоразведочных экспедиций, пастухов на отгонных пастбищах, оленеводов, туристов и т.п.

Установки имеют ротор диаметром 5,2 м и унифицированы по основным узлам. Увеличение мощности обеспечивается профилированием крыла. Установка 4 кВт рассчитана на применение в горных условиях. Аналогами новой ветроэнергоустановки 4 кВт являются зарубежные ветроэнергоустановки "Whisper - 3000", "Σαμσων-2500" , отечественная АВЭ-4. Аналогом новой ветроэнергоустановки 12 кВт является зарубежная ветроэнергоустановка "BWC Excel, отечественная АВЭ-16.

- Ветроэнергоустановки мощностью 30 кВт (таблица 3) и 50 кВт (таблица 4), предназначенные для энергоснабжения фермерских хозяйств, мастерских, торговых предприятий, коттеджей, нефте- и газопроводов, буровых площадок и т.п.

Установки имеют ротор диаметром 9,3 м и унифицированы по основным узлам. Увеличение мощности обеспечивается изменением приращения угла стреловидности и характеристики пружины сжатия. Установка 30 кВт рассчитана на применение в горных условиях. Аналогом новой ветроэнергоустановки 30 кВт является отечественная ветроэнергоустановка АВЭ-30, ветроэнергоустановка 50 кВт аналогов не имеет.

- Ветроэнергоустановка с диаметром ротора 13,5 м мощностью 100 кВт (таблица 5) предназначена для энергоснабжения населенных пунктов, производственных предприятий, использования в качестве модуля сетевых энергополей. Аналогов не имеет.

- Ветроэнергоустановка с диаметром ротора 26 м (таблица 6), равным диаметру ротора упомянутой ветроэнергоустановки датской фирмы Micon Туре М530-250 KW. В распечатке не приведены паспортные характеристики электрогенератора из-за отсутствия данных по отечественным электрогенераторам мощностью выше 100 кВт.

При одинаковом диаметре ротора расчетная максимальная мощность новой ветроэнергоустановки составляет ~ 400 кВт, средняя годовая производительность ~ 1,7 МВт/ч и прогнозируемая цена ~ 155.000 долларов, против мощности 250 кВт, стоимости ~ 300.000 долларов и средней производительности 1,1 МВт/ч для датской ветроэнергоустановки.

Проектно-конструкторская разработка ветроэнергоустановок, реализующих предлагаемый способ управления, подтвердила осуществимость предлагаемого изобретения, возможность промышленного производства этих ветроэнергоустановок на заводах общего машиностроения и их преимущества перед известными отечественными и зарубежными образцами.

Широкораспространенные ветроэнергоустановки малой и средней мощности "Whisper", "BWC Excel", "Σαμσων-2500" и др., упомянутые выше, имеют переменную скорость вращения ротора, возрастающую с усилением ветра и достигающую многих сотен оборотов в минуту. Негативными последствиями высоких переменных скоростей ротора являются создаваемые шумы и необходимость применения электрогенераторов постоянного тока и инверторов для преобразования постоянного тока в стандартный переменный, что повышает стоимость таких ветроэнергоустановок и снижает их надежность.

Разработанные на основе настоящего изобретения ветроэнергоустановки с изменяемой геометрией крыла имеют низкую скорость вращения ротора ~ 30-50 об/мин, слабо меняющуюся с усилением ветра, вследствие чего уровень производимых шумов является минимальным. Эти установки комплектуются стандартными электрогенераторами переменного тока и не нуждаются в дополнительных преобразователях электрического тока.

Результаты сопоставительного технико-экономического анализа новых ветроэнергоустановок в сравнении с известными ветроэнергоустановками ведущих зарубежных и отечественных фирм позволяют сделать следующие выводы:
1. При одинаковом диаметре ротора новые ветроэнергоустановки имеют более высокую мощность и меньшую массу конструкции, более широкий рабочий диапазон скоростей ветра, пониженные ветровые нагрузки, пониженную скорость вращения ротора, слабо зависящую от скорости ветра, пониженный уровень производимых шумов, при этом конструкция ветроэнергоустановок проста в изготовлении и эксплуатации.

2. При одинаковой электрической мощности трудоемкость и себестоимость производства новых ветроэнергоустановок в 2-3 раза ниже существующих отечественных и зарубежных аналогов.

3. За счет применения таких элементов системы управления, как аэродинамический тормоз, пружина сжатия и копир новым ветроэнергоустановкам обеспечена возможность адаптации к метеоусловиям в местах их размещения, чем обеспечивается максимальная производительность при статистически вероятных скоростях ветра.

4. За счет применения в качестве стабилизатора скорости вращения самоуправляемой нормально замкнутой центробежной муфты, новым ветроэнергоустановкам обеспечена возможность использования стандартных электрогенераторов переменного тока и автоматического согласования механической мощности и скорости вращения ротора при произвольных изменениях скорости набегающего потока и величины нагрузки в цепи электрогенератора, а также возможность синхронизации работы нескольких ветроэнергоустановок, включенных в единую сеть.

5. Таким образом, предлагаемый способ управления ветроэнергоустановкой реализуется в конструкции устройства для его осуществления и обеспечивает ограничение мощности ротора и постоянную скорость вращения вала электрогенератора при переменной скорости ветра, действующего на ротор, а также автоматическое согласование параметров ветроэнергоустановки, зависящих от изменяющейся по случайному закону скорости ветра с нагрузкой в электрической цепи электрогенератора, также имеющей случайный характер, и выбор оптимального режима ее работы.

Формула изобретения

1. Способ управления ветроэнергоустановкой, при котором ротором с вращающимися вокруг оси ротора подвижными элементами взаимодействуют с воздушным потоком, поток дополнительно тормозят и уменьшают усилие его взаимодействия с подвижными элементами ротора при увеличении скорости потока, а результат взаимодействия ротора с потоком подводят к нагрузке, отличающийся тем, что дополнительное усилие торможения сосредотачивают по оси ротора, сравнивают усилие дополнительного торможения с расчетным усилием, возникающим на роторе от центробежных и аэродинамических сил при минимальной рабочей скорости потока, и при превышении усилия дополнительного торможения прикладывают его к каждому подвижному элементу одновременно.

2. Способ управления ветроэнергоустановкой по п.1, отличающийся тем, что усилие дополнительного торможения преобразуют в усилие отклонения каждого подвижного элемента в направлении вектора скорости потока и пропорционального ему усилия поворота каждого подвижного элемента вокруг его продольной оси.

3. Способ управления ветроэнергоустановкой по п.1, отличающийся тем, что задают верхний предел скорости вращения на нагрузке и контролируют его, а при превышении заданного значения ротор механически отсоединяют от нагрузки.

4. Ветроэнергоустановка, содержащая мачту с горизонтальной поворотной платформой, на которой установлены электрогенератор с валом, ротор с валом и крыльями, установленными с возможностью изменения угла установки в потоке, механическую передачу вращения от вала ротора к валу электрогенератора с возможностью отключения передачи, отличающаяся тем, что ротор размещен по отношению к потоку за электрогенератором, осью вращения горизонтальной поворотной платформы и механической передачей, каждое крыло ротора установлено своим основанием в ступицу с двумя дополнительными степенями свободы перемещения, а ветроэнергоустановка снабжена аэродинамическим тормозом осевого плана, размещенным за ротором в направлении вектора скорости потока на валу ротора с возможностью поступательного перемещения вдоль него, подпружиненным к нему и соединенным механически с каждым из крыльев и узлами синхронизации отклонений крыльев в потоке по двум степеням свободы перемещений, а вал ротора установлен в опоре так, что оба его конца консольны.

5. Ветроэнергоустановка по п.4, отличающаяся тем, что основание каждого крыла ротора выполнено в виде оси, установленной во втулке ступицы с возможностью вращения вокруг продольной оси крыла и подпружиненной к ступице пружиной кручения, при этом сама ступица установлена в проушины, установленные на валу ротора, с возможностью отклонения ступицы в направлении вектора скорости потока вокруг оси, установленной в проушинах.

6. Ветроэнергоустановка по п.4, отличающаяся тем, что аэродинамический тормоз выполнен в виде диска, установленного перпендикулярно вектору скорости потока и скрепленного с установленным на валу ротора ползуном, которому обеспечена возможность поступательного перемещения вдоль вала ротора и который подпружинен пружиной сжатия к валу ротора и соединен тягами с каждой ступицей крыла.

7. Ветроэнергоустановка по п.6, отличающаяся тем, что в диске выполнены окна, которые закрыты подпружиненными щитками, установленными на диске с возможностью поворота в направлении вектора скорости потока или срезными мембранами.

8. Ветроэнергоустановка по п.4, отличающаяся тем, что узел синхронизации отклонений каждого крыла в потоке по двум степеням свободы перемещений выполнен в виде копирной планки, установленной на каждой проушине, и взаимодействующего с копирной планкой рычага, установленного на конце каждой оси крыла, выходящем за линейный размер втулки ступицы, и перпендикулярного оси крыла и плоскости копирной планки.

9. Ветроэнергоустановка по п.4, отличающаяся тем, что механическая передача вращения от вала ротора к валу электрогенератора выполнена в виде планетарной передачи с остановленным водилом, одна часть которой (подвижная) установлена на обращенной к электрогенератору консольной части вала ротора, а вторая часть (неподвижная) установлена на горизонтальной поворотной платформе, и самоуправляемой нормально замкнутой центробежной муфты, одна часть которой установлена на выходном валу планетарной передачи, а другая - на валу электрогенератора.

10. Ветроэнергоустановка по п.9, отличающаяся тем, что подвижная часть планетарной передачи выполнена в виде большого колеса с внутренней рабочей поверхностью, сателлитов и выходного вала, взаимодействующих друг с другом боковыми поверхностями, а неподвижная часть планетарной передачи (остановленное водило) выполнена в виде станины, в посадочное отверстие которой соосно с большим колесом установлен выходной вал, вокруг которого симметрично и равномерно установлены оси сателлитов, а часть самоуправляемой нормально замкнутой центробежной муфты, установленная на выходном валу, выполнена в виде вкладыша, тормозных колодок, подпружиненных через кулачки к вкладышу и корпусу самоуправляемой нормально замкнутой центробежной муфты, закрепленному на валу электрогенератора.

11. Ветроэнергоустановка по п. 10, отличающаяся тем, что рабочие поверхности большого колеса, сателлитов и выходного вала планетарной передачи выполнены в виде фрикционного зацепления в форме усеченного конуса или в виде зубчатого зацепления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18