СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ Российский патент 1998 года по МПК F03D7/02 

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается способов пуска ветроэнергетической установки, преимущественно рассчитанных на работу в низкоскоростных ветропотоках.

Известна ветроэнергетическая установка, в которой реализован способ пуска ВЭУ, заключающийся в том, что перед пуском ВЭУ отсоединяют вал ветроколеса от генератора с помощью муфты сцепления, отсоединяют с помощью дополнительной муфты сцепления от ветроколеса дополнительное многолопастное ветроколесо, после разгона ветром дополнительного ветроколеса его подсоединяют с помощью муфты сцепления к основному ветроколесу и после разгона основного ветроколеса до номинальной скорости подключают к основному ветроколесу генератор и отсоединяют от основного ветроколеса с помощью муфты сцепления дополнительное ветроколесо [1].

Недостатком данного способа пуска ВЭУ является необходимость введения дополнительного ветроколеса, что усложняет конструкцию ВЭУ и сравнительно большая величина скорости ветра, при которой может быть запущена ВЭУ из-за большого сопротивления силовой передачи ветроколес особенно при низкой температуре, когда застывает смазка в подшипниках и затруднен запуск ВЭУ.

Известна ветроэнергетическая установка, в которой реализован способ разгона ветроколеса, заключающийся в том, что ветроколесо разгоняют с помощью электродвигателя, после набора скорости прекращают разгон ветроколеса и переводят ВЭУ в режим вращения ветроколесом генератора по достижению номинальной скорости вращения [2].

Данный способ управления ветроэнергетической установкой является наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату.

Недостатком данного способа управления ВЭУ при малых скоростях ветра и при низких температурах из-за большого сопротивления силовой передачи и загустения смазки в редукторе и подшипниках вращающихся элементов ВЭУ.

В результате уменьшается диапазон скоростей ветра, при котором может работать ветроэнергетическая установка, и уменьшается выработка электроэнергии ВЭУ.

При запитке электродвигателя, разгоняющего ветроколесо от аккумулятора, требуется увеличенная емкость аккумулятора и длительное время работы для разгона ветроколеса.

При создании ВЭУ, рассчитанных на работу в низкоскоростных потоках ветра, одним из основных проблемных вопросов является обеспечение надежного пуска ВЭУ при низких ветрах и различных температурных условиях, поэтому целью изобретения является: увеличение коэффициента использования ВЭУ за счет обеспечения возможности пуска ВЭУ в низкоскоростных ветропотоках; обеспечение возможности пуска ВЭУ в автоматическом режиме использования при минимальных энергозатратах; увеличение надежности пуска ВЭУ; расширение диапазона скоростей ветра, при котором работоспособна ВЭУ; увеличение выработки электроэнергии, а также снижение стоимости ВЭУ за счет упрощения конструкции и снижения требований.

Данная цель достигается тем, что при пуске ВЭУ с помощью электродвигателя разгон ветроколеса производят до промежуточной скорости вращения, составляющей 0,3 - 0,6 номинальной скорости, затем отключив электродвигатель, выдерживают ветроколесо на промежуточной скорости вращения, поддерживая его скорость вращения постоянной, и после этого переводят ветроколесо на номинальную скорость вращения и затем переводят ветроколесо в режим вращения генератора.

Дополнительным отличием является то, что при возникновении замедления вращения ветроколеса на промежуточной скорости производят дополнительное периодическое подключение электродвигателя к ветроколесу до достижения устойчивого вращения ветроколеса на промежуточной скорости, а регулировку угла установки лопастей при вращении ветроколеса на промежуточной скорости вращения производят из условия поддержания положительного значения углового ускорения ветроколеса.

Величину промежуточной скорости ω вращения ветроколеса в диапазоне 0,3 - 0,6 номинальной скорости вращения ω_н задают из соотношения:

где
ϑ^~ - скорость ветропотока;
- значение быстроходности ветроколеса, при котором для ϑ^~ достигается максимальное значение коэффициента мощности;
ϑ_ном - скорость ветропотока, при которой ветроколесо выходит на номинальную мощность;
z_maxном - значение быстроходности ветроколеса для скорости ветропотока, равной ϑ_ном ;
ω_н - номинальная скорость вращения ветроколеса.

На фиг. 1 изображена схема ветроэнергетической установки; на фиг. 2 - график зависимости момента, развиваемого на ветроколесе, от скорости вращения ветроколеса; на фиг. 3 - график зависимости коэффициента мощности C_p (z) от быстроходности z ветроколеса; на фиг. 4 - типовой график зависимости развиваемой ветроколесом механической мощности N_мех от скорости ветра.

Ветроэнергетическая установка, в которой реализован предложенный способ, состоит из башни 1, гондолы 2, ветроколеса 3 с лопастями 4, вала 5, соединенного силовой передачей 6 через муфту сцепления 7 с электрической машиной 8, которая может работать в режиме генератора или в режиме электродвигателя.

ВЭУ содержит устройство для регулирования скорости вращения ветроколеса, состоящее из электродвигателя 9, червячного редуктора 10, винта 11, подшипниковой опоры 12, толкателя 13, кулисно-шатунного механизма 14 и втулок 15, на которых закреплены лопасти 4.

Поворотом лопастей 4 по сигналам системы управления (не показана) регулируют скорость вращения ветроколеса 3.

Способ управления ветроэнергетической установкой состоит в следующем.

При пуске ВЭУ переводят из режима работы ветроколеса с генератором в режим разгона ветроколеса от электродвигателя. В качестве разгонного электродвигателя может быть использован генератор, работающий в режиме электродвигателя, или дополнительный электродвигатель.

На электродвигатель подают электропитание от аккумуляторной батареи, разгоняют ветроколесо электродвигателем до промежуточной скорости вращения, составляющей 0,3 - 0,6 номинальной скорости вращения ω_н и отключают электродвигатель. На этой промежуточной скорости вращения выдерживают ветроколесо в течение некоторого времени и поддерживают скорость вращения постоянной при помощи системы управления, регулируя для этого угол установки лопастей относительно плоскости вращения - угол заклинения.

На этой промежуточной скорости вращения развивается наибольший момент от ветрового потока на ветроколесе. При этом максимальном моменте на проворачивание ветроколеса производится разогрев смазки силовой передачи и подшипников ВЭУ.

После выдержки ветроколеса на промежуточной скорости вращения его переводят на номинальную скорость вращения. После нагревания смазки сопротивление силовой передачи и подшипников уменьшается, это обеспечивает возможность работы ВЭУ при номинальной скорости несмотря на уменьшение развиваемого ветроколесом момента при увеличении скорости вращения до номинальной. Выдержка ветроколеса на промежуточной скорости вращения необходима не только при низких температурах. При работе ВЭУ в этом режиме возможно проведение тестирования систем и агрегатов ВЭУ, что повышает надежность функционирования ВЭУ.

В процессе пуска измеряют текущее угловое ускорение ветроколеса и при возникновении замедления вращения ветроколеса на промежуточной скорости после отключения электродвигателя производят дополнительное периодическое подключение электродвигателя к ветроколесу до достижения устойчивого вращения ветроколеса на промежуточной скорости
Для облегчения пуска ветроколесо переводится вначале на промежуточную скорость вращения ω = (0,3-0,6)ω_н , после достижения устойчивого вращения на этой скорости его переводят в режим номинальной скорости вращения.

Промежуточная скорость вращения при низких скоростях ветропотока является выгодной, так как мощность, развиваемая ветроколесом, при этом значительно превосходит мощность, развиваемую на номинальной скорости вращения. Фактически ветроколесо возвращается на оптимальные значения коэффициента мощности C_p за счет уменьшения быстроходности z, определяемой из соотношения:
.

При низких значениях скорости ветра, например, составляющих 1,5 - 2,5 м/с, при пуске ВЭУ необходимо произвести разгон ветроколеса до промежуточной скорости ω = (0,3-0,6)ω_н . Нижний предел в соотношении относится к скорости ветра 1,5 - 2,0 м/с, а верхний - к 2,5 - 3,0 м/с.

Оптимальным в пределах диапазона ω = (0,3-0,6)ω_н является задание скорости вращения ветроколеса согласно соотношения:

где
ϑ^~ - скорость ветропотока;
- значение быстроходности ветроколеса, при котором для ϑ^~ достигается максимальное значение коэффициента мощности;
ϑ_ном - скорость ветропотока, при которой ветроколесо выходит на номинальную мощность;
z_maxном - значение быстроходности ветроколеса для скорости ветропотока, равной ϑ_ном ;
ω_н - номинальная скорость вращения ветроколеса.

Для ветроколеса, вращающегося на промежуточной скорости ω = 0,4ω_н для скоростей ветра 1,0 - 3,0 м/с при радиусе ветроколеса R = 8,0 м, в частности имеют место характеристики, представленные в таблице.

Из приведенных данных видно, что режим промежуточной скорости вращения выгоден именно при низких скоростях ветра.

При скорости ветра, достигающей 3,0 - 3,5 м/с, коэффициенты C_p начинают уменьшаться, что свидетельствует о необходимости увеличения скорости вращения ветроколеса, например до 0,5 - 0,6 номинальной, и далее по мере возрастания скорости ветра - к номинальной скорости вращения.

Способ управления ВЭУ обеспечивает запуск ВЭУ при низкой температуре в условиях Крайнего Севера, уменьшает потребную мощность аккумуляторной батареи, а также количество энергии аккумуляторной батареи, необходимой для запуска ВЭУ, увеличивае6т коэффициент использования ВЭУ по времени года за счет уменьшения величины скорости ветра, при которой возможен запуск и работа ВЭУ, расширяет диапазон скоростей ветра, при котором работоспособна ВЭУ, и тем самым увеличивает выработку электроэнергии ВЭУ, упрощает конструкцию ВЭУ, снижает ее стоимость.

Использование: в ветроэнергетике и касается способов пуска ветроэнергетической установки. Сущность изобретения: способ управления ветроэнергетической установкой (ВЭУ) заключается в том, что при пуске ВЭУ ветроколесо разгоняют с помощью электродвигателя, после набора скорости ветроколеса прекращают его разгон и переводят ветроколесо в режим вращения генератора по достижению номинальной скорости вращения. При пуске ВЭУ с помощью электродвигателя разгон ветроколеса производят до промежуточной скорости вращения ω составляющей 0,3 - 0,6 номинальной скорости ω_н, затем, отключив электродвигатель, выдерживают ветроколесо на промежуточной скорости вращения, регулируя при этом угол установки лопастей и поддерживая скорость вращения ветроколеса в пределах 0,3 - 0,6 номинальной скорости, после чего переводят ветроколесо на номинальную скорость вращения. 3 з.п.ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ управления ветроэнергетической установки, заключающийся в том, что при пуске ветроколесо разгоняют с помощью электродвигателя, после набора скорости ветроколеса прекращают его разгон и переводят ветроколесо в режим вращения генератора по достижению номинальной скорости вращения, отличающийся тем, что при пуске с помощью электродвигателя разгон ветроколеса производят до промежуточной скорости вращения ω, составляющей 0,3 - 0,6 номинальной скорости ω_н, затем, отключив электродвигатель, выдерживают ветроколесо на промежуточной скорости вращения, регулируя при этом угол установки лопастей и поддерживая скорость вращения ветроколеса в пределах 0,3 - 0,6 номинальной скорости, после чего переводят ветроколесо на номинальную скорость вращения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе пуска измеряют текущее угловое ускорение ветроколеса и при возникновении замедления вращения ветроколеса на промежуточной скорости после отключения электродвигателя производят дополнительное периодическое подключение электродвигателя к ветроколесу до достижения устойчивого вращения ветроколеса на промежуточной скорости. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулировку угла установки лопастей при вращении ветроколеса на промежуточной скорости вращения производят из условия поддержания положительного значения углового ускорения ветроколеса. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину промежуточной скорости ω вращения ветроколеса в диапазоне 0,3 - 0,6 номинальной скорости вращения ω_н задают из соотношения

где v^~ - скорость ветропотока;
- значение быстроходности ветроколеса, при котором для v^~ достигается максимальное значение коэффициента мощности;
V_ном - скорость ветропотока, при которой ветроколесо выходит на номинальную мощность;
Z_maxном - значение быстроходности ветроколеса для скорости ветропотока, равной V_ном;
ω_н - номинальная скорость вращения ветроколеса.