ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2012 года по МПК F03D1/02 F03D7/04 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к многолопастным ветрогенераторам с горизонтальной осью, и может быть использовано в ветроэнергетических установках (ВЭУ).

Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2009 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 157 гигаватт, увеличившись вшестеро с 2000 года.

Одной из эксплуатационных проблем ветроэнергетики является аэродинамический шум - шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки и низкочастотные вибрации, возникающие при прохождении лопасти мимо башни ВЭУ.

Обычно слух воспринимает колебания в пределах 16-20000 Гц. Неприятные последствия вызывает не только чрезмерный шум в слышимом диапазоне колебаний, но и инфразвук в не воспринимаемых слухом человека диапазоне от 16 Гц до 0.001 Гц. Инфразвук вызывает нервное перенапряжение, недомогание, головокружение, изменение деятельности внутренних органов, особенно нервной и сердечно-сосудистой систем. Самым опасным здесь считается промежуток от 6 до 9 Гц. Значительные психотропные эффекты сильнее всего выказываются на частоте 7 Гц, созвучной альфа-ритму природных колебаний мозга, причем любая умственная работа в этом случае делается невозможной, поскольку кажется, что голова вот-вот разорвется на мелкие кусочки. Звук малой интенсивности вызывает тошноту и звон в ушах, а также ухудшение зрения и безотчетный страх. Звук средней интенсивности расстраивает органы пищеварения и мозг, рождая паралич, общую слабость, а иногда слепоту.

Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с трехлопастным ветроколесом и горизонтальной осью вращения. При вращении трехлопастного ветроколеса с частотой 100 об/мин при прохождении лопастей мимо башни ВЭУ возникают колебания частотой около 5 Гц, при вращении двухлопастного ветроколеса с той же угловой скоростью возникают колебания частотой 3,3 Гц, пятилопастного - 8,3 Гц.

В настоящее время проблема инфразвука решается на законодательном уровне путем ограничения минимального расстояния места установки ВЭУ от жилых домов, не решая проблемы в целом.

Техническими решениями по устранению причины возникновения низкочастотных колебаний при работе ВЭУ могут быть увеличение числа его лопастей или повышение скорости вращения ветроколеса.

Повышение скорости вращения ветроколеса зависит от силы ветра - фактора, отличающегося большим непостоянством. Непостоянство силы ветра является причиной неравномерности выдачи электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему, создающей другую эксплуатационную проблему ветроэнергетики.

Один из известных подходов решения этой проблемы предполагает введение в конструкцию ВЭУ дополнительных узлов, например, узла накопления пневматической энергии (описание к патенту RU 2304232, МПК F03D 7/02 (2006.01)) или электрохимической накопительной батарей (описание RU 2336433, МПК F03D 7/04 (2006.01). Введение дополнительных узлов усложняет конструкцию ВЭУ и при этом не решается проблема возникновения инфразвука.

Для повышения равномерности выдачи электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему известно применение автоматического регулирования частоты вращения ветроколеса в широком диапазоне скоростей потока воздуха. Регулирование осуществляется управлением угла установки лопастей ветроколеса.

Так известна ветроэнергетическая установка «Радуга-1» (изготовитель ОАО «Тушинский машиностроительный завод» с трехлопастным ветроколесом, установленным на поворотной опоре башни, и, оборудованным системой управления угла установки лопастей.

Известная конструкция ВЭУ по основным техническим характеристикам работает при переменной частоте вращения ветрового колеса 21-42 об/мин, что не решает полностью проблемы равномерности выдачи электроэнергии в энергосистему и, но и при прохождении лопасти мимо башни ВЭУ возникают низкочастотные вибрации частотой соответственно 1,05-2,1 Гц.

Известна ВЭУ, содержащая размещенную на башне поворотную головку с мультипликатором, связанным с валом электрического генератора и горизонтальным валом, на котором на неравных расстояниях от оси вращения поворотной головки установлены два ветроколеса, имеющие закрепленные на осях радиальные лопасти числом не менее трех, снабженные системой управления углом поворота (описание к патенту RU 2210001, МПК⁷ F03D 7/02).

В известной конструкции второе ветроколесо выполняет главным образом функцию ориентации и в меньшей степени силовую, что снижает КПД. Размещение ветроколес на одном валу снижает возможности регулирования его частоты вращения, и, как следствие, вала электрогенератора. Частота вращения последнего определяет колебания выходного напряжения.

Задача изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик ветроэнергетической установки за счет экологической безопасности и упрощения конструкции энергогенератора путем исключения узлов переключения скоростей и вариаторов оборотов.

Технический результат - предотвращение возникновения инфразвука и повышение равномерности выдачи электроэнергии.

Технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке, включающей размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными многолопастными ветроколесами с горизонтальной осью и поворотный корпус с электрогенератором и мультипликатором, связанным с валом электрического генератора и валами ветроколес, снабженных системой управления углами установки лопастей, ветроколеса установлены по одну сторону от оси вращения корпуса на коаксиальных валах и выполнены с количеством лопастей, выбранным из условия z₁·z₂>f/ω_с, где z₁ и z₂ - количество лопастей на первом и втором ветроколесах соответственно; f - безопасная частота инфразвука не менее 10 Гц; ω_c=ω₁+ω₂ - относительная частота вращения ветротурбины, ω₁ и ω₂ - частота вращения первого и второго ветроколеса, об/с.

При этом мультипликатор выполнен в виде дифференциального механизма, а система управления углами установки лопастей дополнительно снабжена системой контроля частоты вращения выходного вала мультипликатора и выполнена с возможностью поддержания постоянной частоты вращения последнего.

Мультипликатор может быть выполнен с возможностью поддержания частоты выходного вала 1500 или 1800 об/мин при скорости ветра от 3 до 15 м/с.

Ветроколеса могут быть выполнены с возможностью вращения в одном или противоположных направления.

На фиг.1 представлена блок-схема ВЭУ; на фиг.2-фиг.4 представлены кинематические схемы мультипликатора, обеспечивающего поддержание частоты вращения на выходном валу 1500 или 1800 об/мин при скорости ветра от 3 до 15 м/с, из них на фиг.2 и фиг.3 - варианты кинематических схем мультипликатора для ветротурбины с ветроколесами одностороннего вращения; на фиг.4 - вариант кинематической схемы мультипликатора для ветротурбины с ветроколесами противоположного вращения.

ВЭУ фиг.1 включает ветротурбину 1 с двумя ветроколесами, установленными на коаксиальных валах, дифференциальный мультипликатор 2, электрогенератор 3, систему управления 4 лопастями ветроколес, систему контроля 5 частоты вращения выходного вала мультипликатора, блок метеоизмерений 6.

Валы ветроколес соединены с входными валами мультипликатора, выходной вал последнего соединен с валом электрогенератора. Весь энергоблок размещен в корпусе на опорно-поворотном узле башни.

Ветроколеса установлены по одну сторону от оси вращения корпуса и выполнены с количеством лопастей, выбранным из условия z₁·z₂>f/ω_с, где z₁ и z₂ - количество лопастей на первом и втором ветроколесах соответственно; f - безопасная частота инфразвука, не менее 10 Гц; ω_c=ω₁+ω₂ - относительная частота вращения ветротурбины, ω₁ и ω₂ - частота вращения первого и второго ветроколеса, об/с.

Так, ветротурбина с номинальной мощностью 1000 кВт и рабочей частотой вращения ветроколес ω₁=0,317 об/с, ω₂=0,383 об/с, ω_с=0,7 об/с для выполнения условия излучения шума не менее 10 Гц должна содержать z₁ и z₂ - количество лопастей на первом и втором ветроколесах, удовлетворяющее условию z₁z₂>10/0,7; z₁z₂>14,3. Данному условию отвечают, например, ветроколеса с 3-мя и 5-ю лопастями, с 4-мя или 5-ю лопастями на каждом и т.д.

Два ветроколеса на коаксиальных валах 7, 8 в сочетании с системой управления углами установки лопастей ветроколес, мультипликатором и системой контроля частоты вращения выходного вала 9 последнего позволяют получать вращение вала электрогенератора с постоянной частотой при различных скоростях воздушного потока. Изменение частоты вращения выходного вала 9 мультипликатора и входного вала электрогенератора фиксирует соответствующий датчик числа оборотов и выдает сигнал в систему автоматического управления лопастями. Изменением углов установки лопастей получают рабочие обороты вращения ветроколес и входных валов мультипликатора.

На кинематических схемах (фиг.2, фиг.3, фиг.4) мультипликаторов при диаметрах зубчатых колес в указанном масштабе показаны планы изменения окружных скоростей и, соответственно, чисел оборотов.

В схемах (фиг.2, фиг.4) при увеличении скорости ветра в 5 раз обороты первого колеса (ω₁) увеличиваются в 3,67 раза. Обороты второго ветроколеса (ω₂) с нуля возрастают до значения (ω₂=0,82 ω₁). На схеме (фиг.3) при том же соотношении скоростей ветра обороты первого ротора (ω₁) возрастают в 2 раза, а обороты второго ротора (ω₂) с нуля увеличиваются до (ω₂=0,75 ω₁). Число оборотов вала электрогенератора остается постоянным.

При одностороннем вращении ветроколес работа мультипликаторов (фиг.2) при минимальной эксплутационной скорости ветра осуществляется следующим образом.

Вал 8 ветротурбины вместе с колесом b не вращается.

Момент с вала 7 ветротурбины через колесо е передается на малое колесо f сателлита. За счет зацепления неподвижного колеса b и большого колеса сателлита g вращение передается на центральное выходное колесо а и вал 9.

При номинальной скорости ветра момент с вала 7 через колесо (е) передается на малое колесо f сателлита. За счет зацепления колеса b, на которое передается момент с вала 8, и большого колеса сателлита g происходит сложение скоростей этих колес. Далее суммарный момент передается на центральное выходное колесо а и вал 9.

По второму варианту кинематической схемы (фиг.3) при одностороннем вращении ветроколес работа мультипликатора при минимальной эксплутационной скорости ветра осуществляется следующим образом.

Вал 8 вместе с двумя венцами колеса b не вращается. Момент с вала 7 через первый сателлит g передается на малое центральное колесо а₂ и далее через водило на второй сателлит g. За счет зацепления второго неподвижного венца колеса b и второго сателлита g вращение передается на выходное центральное колесо a₁ и вал 9.

При номинальной скорости ветра вал 8 вращается вместе с двумя венцами колеса b. Момент с вала 7 через первый сателлит g передается на малое центральное колесо а₂. В этот момент происходит сложение скоростей вращения сателлита и первого венца колеса b. Далее, через водило момент передается на второй сателлит g. За счет зацепления второго венца колеса b и второго сателлита g происходит второе сложение скоростей вращения, которое передается на центральное выходное колесо a₁ и вал 9.

При противоположном вращении ветроколес работа мультипликатора (фиг.4) при минимальной эксплутационной скорости ветра осуществляется следующим образом.

Вал 8 вместе с колесами 11, 13, b и промежуточными колесами 12 не вращается.

Момент с вала 7 через колесо е передается на малое колесо f сателлита. За счет зацепления неподвижного колеса b и большого колеса сателлита g вращение передается на центральное выходное колесо а и вал 9.

При номинальной скорости ветра вал 8 вращается вместе с закрепленным на нем коническим колесом 11. Через промежуточные колеса 12 и колесо 13 момент с этого вала 8 передается на колесо b, при этом меняется направление вращения, на противоположное. Момент с вала 7 через колесо е передается на малое колесо f сателлита. За счет зацепления колеса b, на которое передается момент с вала 8 и большого колеса сателлита g происходит сложение скоростей. Далее суммарный момент передается на центральное выходное колесо а и вал 9.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветроэнергетическая установка включает размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными многолопастными ветроколесами с горизонтальной осью и поворотный корпус с электрогенератором и мультипликатором. Мультипликатор связан с валом электрического генератора и валами ветроколес. Ветроколеса снабжены системой управления углами установки лопастей. Ветроколеса установлены по одну сторону от оси вращения корпуса на коаксиальных валах и выполнены с количеством лопастей, выбранным из условия z₁·z₂>f/ω_c, где z₁ и z₂ - количество лопастей на первом и втором ветроколесах соответственно; f - безопасная частота инфразвука, не менее 10 Гц; ω_c=ω₁+ω₂ - относительная частота вращения ветротурбины, ω₁ и ω₂ - частота вращения первого и второго Ветроколеса, об/с. Изобретение направлено на предотвращение возникновения инфразвука и повышение равномерности выдачи электроэнергии. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными многолопастными ветроколесами с горизонтальной осью и поворотный корпус с электрогенератором и мультипликатором, связанным с валом электрического генератора и валами ветроколес, снабженных системой управления углами установки лопастей, отличающаяся тем, что ветроколеса установлены по одну сторону от оси вращения корпуса на коаксиальных валах и выполнены с количеством лопастей, выбранным из условия z₁·z₂>f/ω_c,
где z₁ и z₂ - количество лопастей на первом и втором ветроколесах соответственно;
f - безопасная частота инфразвука, не менее 10 Гц;
ω_c=ω₁+ω₂ - относительная частота вращения ветротурбины;
ω₁ и ω₂ - частота вращения первого и второго ветроколес, об/с.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что мультипликатор выполнен в виде дифференциального механизма, а система управления углами установки лопастей дополнительно снабжена системой контроля частоты вращения выходного вала мультипликатора и выполнена с возможностью поддержания постоянной частоты вращения последнего.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что мультипликатор выполнен с возможностью поддержания частоты вращения выходного вала 1500 или 1800 об/мин при скорости ветра от 3 до 15 м/с.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ветроколеса выполнены с возможностью вращения в одном или противоположных направлениях.