ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2020 года по МПК F03D7/02 

Данное изобретение касается способа эксплуатации ветроэнергетической установки, а также касается такой ветроэнергетической установки.

Ветроэнергетические установки известны, и современные ветроэнергетические установки, как правило, относятся к так называемым горизонтально-осевым ветроэнергетическим установкам, у которых ось ротора расположена, по существу, горизонтально, а роторные лопасти ометают, по существу, вертикальную ометаемую ротором площадь. Таких ветроэнергетических установок или, соответственно, ветроэнергетических установок этого типа касается и данное изобретение.

Зачастую такие современные ветроэнергетические установки имеют три роторные лопасти, которые к тому же могут регулироваться по своему углу установки лопасти. При этом они могут регулярно переставляться между флюгерным положением примерно под 90^о и вплоть до оптимального угла при работе в режиме частичной нагрузки около 0^о, или по меньшей мере лишь на несколько градусов ниже нуля. Данное изобретение касается также ветроэнергетической установки с роторными лопастями, регулируемыми по своему углу установки.

Перестановка роторных лопастей обычно используется для того, чтобы поворачивать роторные лопасти от ветра, начиная с номинальной скорости ветра при все более возрастающей скорости ветра, а именно для увеличения их угла установки лопасти. Кроме того, в основу данного изобретения для угла установки лопасти положена номенклатура, что этот угол увеличивается до достижения флюгерного положения.

В диапазоне частичной нагрузки, в котором скорость ветра еще не достигла номинальной скорости, зачастую жестко устанавливается оптимальный угол установки лопасти. Этот угол установки лопасти, который можно обозначить как угол при частичной нагрузке, выбран аэродинамически оптимальным. Для этого ветроэнергетическая установка эксплуатируется по возможности с оптимальным коэффициентом быстроходности в этом режиме частичной нагрузки. При этом следует учитывать, что этот оптимальный угол при частичной нагрузке регулируется по оптимальному коэффициенту быстроходности, т.е. отношению частоты вращения ротора к скорости ветра.

Ветроэнергетические установки все чаще устанавливаются в отдаленных регионах, которые могут также значительно отличаться от обычных краевых условий климатически и по монтажной высоте. В таком случае, чем сильнее эти краевые условия, и особенно атмосферные условия отличаются от обычных условий, тем меньше допущения, лежащие в основе вычисления оптимального угла при частичной нагрузке и оптимального коэффициента быстроходности, подходят для конкретного места сооружения. Соответственно, можно установить по крайней мере более низкую эффективность при работе в режиме частичной нагрузки. Это даже может привести к тому, что работа в режиме частичной нагрузки будет невозможна так, как это было запланировано, по меньшей мере будет сравнительно нестабильной. В частности, могут возникать нежелательные срывы потока.

Решение проблемы могло бы состоять в том, чтобы каждую ветроэнергетическую установку соответственно индивидуально настраивать под запланированное место сооружения. Однако, по меньшей мере в данном случае проблема заключается в том, что такая индивидуализированная конструкция может быть дорогой, и к тому же предполагает соответственное знание запланированного места сооружения. Кроме того, следует также обеспечить доставку такой индивидуализированной ветроэнергетической установки на предназначенное для нее место сооружения. По меньшей мере следует позаботиться о том, чтобы на месте сооружения было проведено корректное параметрирование.

Даже если эти проблемы будут решены, тем не менее, могут возникнуть проблемы, обусловленные, например, колебаниями, связанными с временем года, временем суток, или другими колебаниями.

Различные способы управления ветроэнергетическими установками, в которых обнаруживаются вышеназванные недостатки, по меньшей мере не в полном объеме, известны, например, из US 2013/0101413 A1, US 2013/0280066 A1, US 2012/0139244 A1 и DE 10 2010 054 013 A1.

В заявке US 2013/0101413 A1 раскрыт способ управления углом установки ветроэнергетической установки. Эта ветроэнергетическая установка содержит ротор с по меньшей мере одной роторной лопастью. Способ включает в себя установку угла установки по меньшей мере одной роторной лопасти как функцию определенной плотности воздуха.

В US 2013/0280066 A1 описан способ эксплуатации ветроэнергетической установки, включающий в себя эксплуатацию ветроэнергетической установки в режиме снижения шума, основывающемся на по меньшей мере одном заданном значении одного параметра ветроэнергетической установки таким образом, что производимый ветровой турбиной шум остается ниже предварительно заданного уровня шумовыделения. Предусмотрено использование поправочного коэффициента для указанного по меньшей мере одного заданного значения одного параметра ветроэнергетической установки. Этот поправочный коэффициент определяется в зависимости от значения плотности воздуха.

В заявке US 2012/0139244 A1 раскрыт способ управления по меньшей мере одной ветросиловой установкой, включающий в себя выбор первой эффективной рабочей характеристики из множества рабочих характеристик и применение указанной первой эффективной рабочей характеристики для управления по меньшей мере одной ветросиловой установкой. Эти рабочие характеристики могут складываться из сегментов рабочих характеристик.

В заявке DE 10 2010 054 013 A1 раскрыт, наконец, способ эксплуатации ветроэнергетической установки с регулированием угла атаки лопастей, содержащей по меньшей мере одну роторную лопасть, переставляемую относительно ее продольной оси, и один генератор, в котором в зависимости от частоты вращения генератора или ротора задается заданное значение генераторного момента, причем предусмотрена точка перехода, в которой происходит переключение с режима работы в режиме частичной нагрузки на режим работы под максимальной нагрузкой, причем этот способ включает в себя следующие этапы: определение значения плотности воздуха ρ, установку предварительного угла атаки ϕ_pre, начиная с частоты вращения при предварительном угле атаки (Vorpitchdrehzahl), которая меньше, чем частота вращения в точке перехода, причем величина предварительного я угла атаки ϕ_pre зависит от определенного значения плотности воздуха ρ таким образом, что при незначительной плотности воздуха устанавливается больший предварительный угол атаки, чем при большей плотности воздуха.

В основу изобретения положена, таким образом, задача решения по меньшей мере одной из вышеназванных проблем. В частности, должно быть предложено решение, которое учитывает конкретные атмосферные условия или по меньшей мере учитывает их лучше, чем до сих пор. По меньшей мере должна быть предложена альтернатива известным решениям.

Согласно изобретению, предлагается способ эксплуатации ветроэнергетической установки согласно независимому пункту 1 формулы изобретения. Таким образом, данное изобретение исходит из ветроэнергетической установки с аэродинамическим ротором, имеющим несколько роторных лопастей, которые выполнены регулируемыми по своему углу установки лопасти. В принципе может применяться также ротор лишь с одной роторной лопастью, но предпочтительно предлагается аэродинамический ротор с тремя роторными лопастями. Кроме того, этот ротор может эксплуатироваться с изменяемой частотой вращения ротора. Таким образом, частота вращения ротора может изменяться, например, в зависимости от скорости ветра, особенно во время работы в режиме частичной нагрузки.

Аэродинамический ротор связан с генератором, который вырабатывает выходную мощность. Без учета мощности на покрытие потерь этот генератор, тем самым, вырабатывает мощность, отбираемую из ветра.

При работе в режиме частичной нагрузки, при котором ветер настолько слабый, что ветроэнергетическая установка еще не может эксплуатироваться со своей максимальной выходной мощностью, выходная мощность устанавливается в зависимости от ветра, т.е. в зависимости от скорости ветра. Работа в режиме частичной нагрузки представляет собой, тем самым, режим, при котором ветроэнергетическая установка из-за слишком слабого ветра еще не может достичь своей максимальной выходной мощности, в частности, она еще не может достичь своей номинальной мощности. Обычно эта номинальная мощность может достигаться тогда, когда скорость ветра достигла номинальной скорости. Соответственно, режим частичной нагрузки относится также к режиму ветроэнергетической установки вплоть до номинальной скорости.

Предлагается определять актуальную плотность воздуха ветра, т.е. актуальную плотность воздуха атмосферы, окружающей эту ветроэнергетическую установку.

Предлагается также устанавливать каждый угол установки лопасти в зависимости от выходной мощности или частоты вращения ротора и в зависимости от определенной плотности воздуха.

Таким образом, предлагается, чтобы при работе в режиме частичной нагрузки регулировался угол установки каждой роторной лопасти. Это может означать также, что они устанавливаются синхронно друг с другом с одними и теми же значениями. Однако, таким образом не предусматривается постоянный угол установки лопасти во всем диапазоне работы в режиме частичной нагрузки, но он изменяется. Это изменение происходит в зависимости от выходной мощности или частоты вращения ротора. Выходная мощность или частота вращения ротора образуют тем самым входную величину для такой установки угла установки лопасти. Для этого можно считать, что выходная мощность или, соответственно, частота вращения ротора определяются непосредственно и используются для такой установки угла установки лопасти, или что используется эквивалентное выходной мощности или частоте вращения ротора значение, например, пропорциональное выходной мощности или, соответственно, частоте вращения ротора значение, которое в результате нормирования колеблется от нуля до единицы.

Дополнительно для установки угла установки лопасти учитывается зависимость от определенной плотности воздуха. Угол установки лопасти зависит, тем самым, также и непосредственно от плотности воздуха. Таким образом может учитываться также изменяющаяся во время работы плотность воздуха, и ее учет происходит здесь через соответствующую установку угла установки лопасти.

Таким образом, предлагается решение, которое позволяет учитывать различные значения плотности воздуха. Тем самым, возможно согласование режима ветроэнергетической установки с местом ее расположения со средними значениями плотности воздуха, которые значительно отклоняются от обычных значений плотности воздуха. Возможен, однако, и учет колеблющих значений плотности воздуха. Таким образом хороший режим работы ветроэнергетической установки может быть реализован также в местах, где возможны сильные колебания плотности воздуха.

При этом было установлено, что особенно низкие значения плотности воздуха приводят к тому, что уменьшается эффективный угол установки роторной лопасти. За счет перестановки угла установки лопасти в зависимости от плотности воздуха, что специалисты называют также установкой угла атаки, может быть снова скомпенсирован этот увеличенный эффективный угол установки лопасти.

При этом угол установки лопасти представляет собой угол между роторной лопастью и кажущимся ветром, т.е. угол между роторной лопастью и направлением потока воздуха, фактически набегающего в этом режиме, т.е. с учетом движения роторной лопасти. Угол установки лопасти может также называться эффективным углом установки лопасти.

Предпочтительно для определения плотности воздуха измеряют давление воздуха и температуру воздуха снаружи ветроэнергетической установки, но вблизи этой ветроэнергетической установки, и по ним определяют плотность воздуха, в частности, вычисляют ее по этим данным. Тем самым, давление воздуха определяется непосредственно путем актуальных измерений, и за счет этого могут быть тут же установлены изменения плотности воздуха, и при необходимости может обеспечиваться реакция на них.

Согласно одному варианту выполнения предлагается осуществлять установку угла установки лопасти в зависимости от кривой изменения угла атаки (Pitchkennlinie). Эта кривая изменения угла атаки для работы в режиме частичной нагрузки задает подлежащий установке угол установки лопасти как функцию выходной мощности или частоты вращения ротора. Для этого предлагается, чтобы кривая изменения угла атаки, кроме того, зависела от плотности воздуха. Таким образом, установка угла установки лопасти может осуществляться простым образом с помощью кривой изменения угла атаки. Такая установка в зависимости от выходной мощности может быть успешно реализована, поскольку выходная мощность зачастую присутствует в используемой управляющей вычислительной машине как величина, относящаяся к технике автоматического регулирования. Если частота вращения ротора используется как входная величина, то она может измеряться и может применяться как таковая в используемой управляющей вычислительной машине. Кроме того, эта выходная мощность и эта частота вращения ротора зачастую находятся в жестко установленной взаимосвязи.

Следует учитывать, что динамика регулирования мощности является гораздо более быстрой, чем динамика регулирования угла атаки, так что благодаря этому удается избежать и возможных проблем с колебаниями между регулированием мощности, с одной стороны, и регулированием угла атаки, с другой стороны.

Предпочтительно предлагается запоминать несколько кривых изменения угла атаки и в зависимости от определенной плотности воздуха из этих сохраненных кривых изменения угла атаки выбирать одну кривую изменения угла атаки, которая подходит для соответствующей плотности воздуха или, соответственно, была запомнена для этой соответствующей плотности воздуха. Эта кривая изменения угла атаки затем используется для установки угла установки лопасти. Благодаря этому простым образом может учитываться плотность воздуха по этой кривой изменения угла атаки за счет того, что именно эта кривая изменения угла атаки как таковая указывает лишь одну взаимосвязь между углом установки лопасти и частотой вращения ротора, однако, зависимость от плотности воздуха учитывается за счет того, что сохранено несколько кривых изменения угла атаки, т.е., в частности, семейство кривых изменения угла атаки, и выбирается кривая изменения угла атаки, подходящая для конкретной плотности воздуха.

Предпочтительно предлагается увеличивать угол установки лопасти по мере снижения плотности воздуха. В частности, за счет этого можно оказывать противодействие возрастанию эффективного угла установки лопасти из-за падающей плотности воздуха. Было установлено, что путем увеличения угла установки лопасти по мере снижения плотности воздуха можно избежать повышения эффективного угла установки лопасти и, тем самым, предотвратить срыв потока.

Вследствие этого, особенно при сравнительно низких плотностях воздуха может возникать срыв потока, чего теперь удается избежать.

Согласно одному варианту выполнения предлагается способ, характеризующийся тем, что установку выходной мощности осуществляют динамично с первой постоянной времени, а установку угла установки роторной лопасти осуществляют с второй постоянной времени. Для этого предлагается выбирать первую постоянную времени меньшей, чем вторая постоянная времени, предпочтительно по меньшей мере в 10 раз меньше. Тем самым, предлагается регулировать выходную мощность с более высокой динамикой. В частности, здесь в качестве динамики может приниматься динамика звена запаздывания первого порядка или звена запаздывания второго порядка, и для этого постоянная времени определяется согласно общепринятому определению. В качестве постоянной времени при этом для звена запаздывания первого порядка может приниматься время, при котором реакция на ступенчатое воздействие на входе звена запаздывания принимает значение 0,63, отнесенное к ступенчатому изменению входного сигнала с амплитудой 1.

Тем самым может обеспечиваться приоритетное регулирование при работе в режиме частичной нагрузки посредством установки выходной мощности. В частности, при незначительных колебаниях скорости ветра и, тем самым, незначительных колебаниях частоты вращения ротора это может ограничиваться, по существу, реакцией на регулирование выходной мощности. Предпочтительно в таком случае зачастую осуществляют меньше перестановок лопастей или по меньшей мере со сравнительно меньшей амплитудой.

Согласно еще одному варианту выполнения предлагается при работе в режиме частичной нагрузки регулировать выходную мощность с помощью рабочей характеристики. Эта рабочая характеристика показывает подлежащую установке выходную мощность в зависимости от частоты вращения ротора. Такая рабочая характеристика может, таким образом, быть сохранена, как и вышеуказанная кривая изменения угла атаки или вышеуказанные кривые изменения угла атаки.

Для этого дополнительно предлагается, чтобы выходная мощность дополнительно зависела от определенной плотности воздуха. Это может быть реализовано, в частности, так, что для учета различных плотностей воздуха сохраняется несколько рабочих характеристик и они выбираются в зависимости от плотности воздуха. В данном случае здесь может сохраняться семейство рабочих характеристик, причем к одной рабочей характеристике привязана одна плотность воздуха, и в зависимости от определенной плотности воздуха выбирается соответствующая ей рабочая характеристика.

Предпочтительно предлагается использование рабочей характеристики для установки выходной мощности и тогда, когда эта рабочая характеристика не зависит непосредственно от плотности воздуха, т.е. если плотность воздуха учитывается только или, в частности, через установку угла установки лопасти.

Данное изобретение касается также ветроэнергетической установки для генерирования электрической мощности из ветра, и такая ветроэнергетическая установка содержит аэродинамический ротор с роторными лопастями, регулируемыми по своему углу установки, причем этот ротор может эксплуатироваться с изменяемой частотой вращения ротора. Указанная ветроэнергетическая установка имеет также связанный с аэродинамическим ротором генератор, с помощью которого вырабатывается выходная мощность. Эти ветроэнергетические установки предназначены для того, чтобы эксплуатироваться в режиме частичной нагрузки режим, который охарактеризован выше. При этом предусмотрено определение актуальной плотности воздуха ветра и установка каждого угла установки лопасти в зависимости от частоты вращения ротора или выходной мощности и, кроме того, в зависимости от определенной плотности воздуха.

Таким образом, здесь тоже при работе в режиме частичной нагрузки выходная мощность регулируется в зависимости от ветра. Это происходит при этом не безусловно в непосредственной зависимости от ветра, т.е. не безусловно в зависимости от результата измерения ветра, а предпочтительно путем установки выходной мощности в зависимости от частоты вращения ротора. Предпочтительно при этом находят стабильную рабочую точку, при которой эта установленная выходная мощность регулируется так, что частота вращения ротора не меняется до тех пор, пока скорость ветра тоже не изменится. Благодаря этому выходная мощность в таком случае в результате настраивается на господствующую в данный момент скорость ветра.

Указанная ветроэнергетическая установка может быть, в частности, выполнена с возможностью установки угла установки лопасти в зависимости от частоты вращения ротора или выходной мощности и в зависимости от определенной плотности воздуха благодаря тому, что управляющая вычислительная машина или в целом предусмотренное в ветроэнергетической установке управление процессом или техника управления процессом вообще в состоянии определять плотность воздуха. Для этого может быть предусмотрен, например, сенсор для измерения давления воздуха и, кроме того, сенсор для измерения температуры воздуха. Альтернативно возможно использование соответствующих входов данных. Далее, может быть предусмотрено соответственное хранилище данных, в котором соответствующие желаемые взаимосвязи между углом установки лопасти и плотностью воздуха запоминаются дискретно или как функция. В частности, может быть предусмотрено хранилище данных, в котором запоминается семейство кривых изменения угла атаки.

Предпочтительно предусмотрено средство управления мощностью, которое предназначено для установки выходной мощности в зависимости от частоты вращения ротора. Это управляющее средство может, в частности, предусматривать для синхронного генератора с независимым возбуждением установку этого независимого возбуждения. Для это может быть предусмотрен, например, соответствующий реостат для установки тока возбуждения, который может регулироваться, в частности, в зависимости от частоты вращения ротора.

Далее, предусмотрено средство управления углом атаки, предназначенное для установки угла установки лопасти в зависимости от частоты вращения ротора и плотности воздуха. Это средство управления углом атаки может, тем самым, например, для каждой роторной лопасти содержать привод механизма изменения угла атаки и, кроме того, для этого может быть предусмотрено управляющее вычислительное устройство, которое управляет установкой угла атаки в зависимости от частоты вращения ротора и плотности воздуха, что затем реализует привод механизма изменения угла атаки. Часть вычисления соответствующего настраиваемого угла установки лопасти может также осуществляться централизованно для всех роторных лопастей и, тем самым, для всех приводов механизма изменения угла атаки.

Кроме того, предлагается средство хранения информации, предназначенное для того, чтобы сохранять настройки углов установки лопасти в зависимости от частоты вращения ротора и плотности воздуха. Здесь, в частности, предусматривается, что это средство хранения информации запоминает кривые изменения угла атаки в зависимости от плотности воздуха.

Предпочтительно эта ветроэнергетическая установка предназначена для того, чтобы осуществлять способ согласно по меньшей мере одному из вышеописанных вариантов выполнения. В частности, такой способ может быть реализован на управляющем устройстве в ветроэнергетической установке.

Данное изобретение в качестве примера поясняется ниже более подробно на вариантах его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи. На чертежах показано следующее.

Фиг. 1 - схематично, ветроэнергетическая установка, в аксонометрии,

Фиг. 2 и Фиг. 3 - соответственно семейства кривых изменения угла атаки,

Фиг. 4 - упрощенная блок-схема регулирования для осуществления установки угла установки лопасти при работе в режиме частичной нагрузки в зависимости от выходной мощности и определенной плотности воздуха.

На Фиг. 1 показано схематичное изображение ветроэнергетической установки согласно изобретению. Эта ветроэнергетическая установка 100 имеет башню 102 и гондолу 104 на этой башне 102. На гондоле 104 предусмотрен аэродинамический ротор 106 с тремя роторными лопастями 108 и обтекателем 110. Аэродинамический ротор 106 в рабочем режиме ветроэнергетической установки приводится ветром во вращательное движение и тем самым вращает также электродинамический ротор или якорь генератора, который прямо или опосредованно связан с аэродинамическим ротором 106. Этот электрический генератор установлен в гондоле 104 и вырабатывает электрическую энергию. Углы установки роторных лопастей 108 могут изменяться посредством моторов для изменения угла атаки (Pitchmotor) на комлях 108b соответствующих роторных лопастей 108.

На Фиг. 2 и Фиг. 3 в принципе показаны два различных вида семейств кривых. На обеих Фиг. 2 и Фиг. 3 показаны к тому же соответствующий угол α установки лопасти, который может называться также углом атаки или углом установки лопасти, в зависимости от выходной мощности P. В обоих случаях сначала при незначительных мощностях имеется постоянный угол α установки лопасти, который может иметь значение жестко заданного угла α_Т при частичной нагрузке. При возрастающей мощности P предлагается увеличивать угол α установки лопасти. При этом в зависимости от плотности воздуха ρ предусматриваются различные кривые для изменения углов установки лопасти, которые образуют тем самым семейство кривых. Этим отличаются друг от друга оба представленных в качестве примера варианта по Фиг. 2 и Фиг. 3.

На Фиг. 2 показан график, согласно которому угол установки лопасти увеличивается при тем меньших мощностях P, чем незначительнее плотность воздуха ρ. Показанная сплошной линией кривая отражает при этом характер изменения угла установки лопасти для принятой за нормальную плотности воздуха ρ₀, для которой в основу положено значение 1,225 кг/м³. Для этой нормальной плотности воздуха угол установки лопасти повышается, начиная с мощности P₀. Пунктирная кривая показывает изменение для меньшей плотности воздуха ρ₁, а штрихпунктирная кривая показывает изменение угла для еще меньшей плотности воздуха ρ₂. Согласно обеим этим кривым угол установки лопасти увеличивается уже для меньшей выходной мощности, чем P₀. Значение ρ₂ может составлять, например, 1 кг/м³, а значение ρ₁ составлять 1,1 кг/м³.

Следует признать, что кривые на Фиг. 2 были выбраны так, чтобы они проходили примерно параллельно друг другу.

В варианте выполнения по Фиг. 3 предлагается увеличивать угол установки лопасти также и для различных плотностей воздуха ρ₀, ρ₁ и ρ₂, начиная с мощности P₀. Однако, в таком случае предлагается тем более крутой график, чем ниже плотность воздуха.

Значения для P₀, ρ₀, ρ₁ и ρ₂, могут быть одинаковыми для обеих Фиг. 2 и Фиг. 3. На обеих Фиг. 2 и Фиг. 3 тоже показан один характер графиков углов установки лопасти и, тем самым, семейств кривых вплоть до номинальной мощности P_N.

На блок-схеме регулирования по Фиг. 4 наглядно показаны генератор 401 и роторная лопасть 403, которая может переставляться с помощью привода 405 механизма изменения угла атаки. Эти элементы представлены чисто символически, и могут быть предусмотрены, например, три роторные лопасти 403 с приводом 405 механизма изменения угла атаки каждая, которые приводятся в действие ветром и за счет этого приводят в действие генератор 401.

Генератор 401 здесь выполнен как синхронный генератор с независимым возбуждением и в этой системе управляется с помощью реостата 407, который регулирует ток возбуждения I_E. Вследствие этого предпринимается управление мощностью, которое показано здесь лишь упрощенно, но оно может осуществляться и иначе. Также могут быть предусмотрены и другие генераторы. Реостат 407 здесь тоже является репрезентативным примером для других устройств управления мощностью. Он получает значение мощности P как предписанную величину, и это значение мощности P получается из кривой «частота вращения/мощность», сохраненной в блоке 409 характеристик. Блок 409 характеристик, исходя из кривой «частота вращения/мощность» в зависимости от частоты вращения n ротора, к которому относятся роторные лопасти 403, выдает значение мощности P.

Это значение мощности P поступает не только на реостат, чтобы с помощью этого реостата 407 управлять мощностью генератора 401, но также это значение мощности P используется как входная величина для блока 411 задания угла установки лопасти. Блок 411 задания угла установки лопасти в зависимости от мощности P определяет подлежащий установке угол α установки лопасти. При этом предпочтительно в качестве входной величины используется выходная мощность ветроэнергетической установки, т.е. мощность, фактически выдаваемая ветроэнергетической установкой. Ради простоты и наглядности здесь эта выходная мощность может, однако, устанавливаться одинаковой с мощностью P, выдаваемой блоком 409 характеристик. Эта выходная мощность регулируется с высокой динамикой, так что такое упрощение для наглядности является допустимым, и не возникает никаких проблем с колебаниями или риском их возникновения между установкой мощности, с одной стороны, и перестановкой угла установки лопасти, с другой стороны.

Блок 411 задания угла установки лопасти содержит несколько блоков характеристик, из которых здесь в качестве примера показано три блока K1, K2 и K3 характеристик. Каждый из этих блоков характеристик содержит одну кривую зависимости угла установки лопасти от мощности, которые вместе образуют семейство кривых и, соответственно, предоставляют возможность выбора. Предлагается в зависимости от плотности воздуха ρ выбирать один из блоков характеристик и, тем самым, одну из кривых. Для этого плотность воздуха r может определяться, например, посредством измерительного блока 413.

Угол α установки лопасти может, таким образом, регулироваться в зависимости от выходной мощности P и плотности воздуха ρ. Для этого выходная мощность P образует входную величину для блока 411 задания угла установки лопасти, а плотность воздуха ρ учитывается за счет того, что в зависимости от плотности воздуха ρ выбирается подходящая кривая. Определенный таким образом угол α установки лопасти затем подается на привод 405 механизма изменения угла атаки, чтобы соответственно переустановить соответствующую роторную лопасть 403.

Таким образом, согласно изобретению, предложено решение, которое усовершенствует уровень техники, и при котором роторные лопасти рассчитываются так, что они при нормальной плотности воздуха ρ=1,225 кг/м³ в любой точке рабочего режима установки обтекаются ветром без срыва потока. Было установлено, что все чаще планируется сооружение установок в местах, в которых плотность воздуха имеет значения ниже стандартных, местами значительно ниже. Это приводит к тому, что за счет возрастания эффективных углов α установки лопасти на роторной лопасти могут возникать срывы потока, что в свою очередь может приводить к значительным потерям мощности. При этом было установлено, что чем меньше становится плотность воздуха, тем больше возрастают эффективные углы α установки лопасти и тем вероятнее, что возникнут срывы потока, вызывающие снижение мощности. Благодаря изменению угла атаки роторных лопастей эти срывы потока могут предотвращаться. При этом предлагается, чтобы такое изменение угла атаки роторных лопастей согласовывалось с плотностью воздуха. Таким образом, предлагается, чтобы подлежащий установке угол установки являлся функцией выходной электрической мощности, а именно выходной мощности и плотности воздуха. Тем самым, предложено, чтобы в основу установки угла установки лопасти была положена не только функция от выходной электрической мощности. Таким образом, предложено измерять на ветроэнергетической установке давление воздуха и температуру, и по этим данным рассчитывать плотность воздуха, так что с помощью запомненной функции может определяться соответствующий угол установки.

И, наконец, таким образом может обеспечиваться также повышение годовой генерирования ветроэнергетической установки с регулируемым углом установки лопастей и с переменной частотой вращения благодаря предложенному использованию кривых изменения угла атаки, согласованных с плотностью воздуха в месте расположения установки.

Данное изобретение касается способа эксплуатации ветроэнергетической установки для генерирования электрической мощности из ветра, причем эта ветроэнергетическая установка содержит аэродинамический ротор с роторными лопастями, регулируемыми по своему углу установки, и этот ротор может эксплуатироваться с изменяемой частотой вращения ротора. Далее, эта ветроэнергетическая установка содержит связанный с аэродинамическим ротором генератор для генерирования выходной мощности. При этом в режиме частичной нагрузки, в котором ветер настолько слабый, что ветроэнергетическая установка еще не может эксплуатироваться со своей максимальной выходной мощностью, эта выходная мощность регулируется в зависимости от параметров ветра, определяют актуальную плотность воздуха ветра, и каждый угол установки лопасти регулируется в зависимости от частоты вращения ротора и в зависимости от определенной плотности воздуха. Кроме того, данное изобретение касается ветроэнергетической установки. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ эксплуатации ветроэнергетической установки для генерирования электрической мощности из ветра, причем

- ветроэнергетическая установка содержит аэродинамический ротор с роторными лопастями, регулируемыми по их углу установки, и ротор выполнен с возможностью эксплуатироваться с изменяемой частотой вращения ротора, и

- ветроэнергетическая установка содержит связанный с аэродинамическим ротором генератор для генерирования выходной мощности,

причем способ включает в себя следующие этапы:

- при работе в режиме частичной нагрузки, в котором ветер настолько слабый, что ветроэнергетическая установка еще не может эксплуатироваться со своей максимальной выходной мощностью, устанавливают выходную мощность в зависимости от ветра,

- определяют актуальную плотность воздуха ветра, и

- устанавливают каждый угол установки лопасти в зависимости от выходной мощности или частоты вращения ротора и, кроме того, в зависимости от определенной плотности воздуха,

отличающийся тем, что выходную мощность устанавливают динамично с первой постоянной времени, а угол установки роторной лопасти устанавливают динамично со второй постоянной времени, причем первую постоянную времени выбирают меньшей, чем вторая постоянная времени.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для определения плотности воздуха измеряют давление воздуха и температуру воздуха снаружи ветроэнергетической установки, и по ним определяют плотность воздуха, в частности, вычисляют.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что установку угла установки лопасти осуществляют в зависимости от кривой изменения угла атаки, которая для работы в режиме частичной нагрузки показывает подлежащий установке угол установки лопасти как функцию от выходной мощности или частоты вращения ротора, причем кривая изменения угла атаки зависит от плотности воздуха.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сохраняют несколько кривых изменения угла атаки, и из сохраненных кривых изменения угла атаки в зависимости от определенной плотности воздуха выбирают одну кривую изменения угла атаки и используют для установки угла установки лопасти.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что угол установки лопасти увеличивают по мере снижения плотности воздуха, в частности, для противодействия эффективному углу установки, увеличивающемуся из-за снижающейся плотности воздуха.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что как первая, так и вторая постоянные времени соответственно являются постоянной времени звена запаздывания первого порядка или звена запаздывания второго порядка.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что при работе в режиме частичной нагрузки выходную мощность устанавливают с помощью рабочей характеристики, которая показывает подлежащую установке выходную мощность в зависимости от частоты вращения ротора, причем выходная мощность дополнительно зависит от определенной плотности воздуха, в частности, так, что для учета различных плотностей воздуха сохраняют несколько рабочих характеристик, и в зависимости от плотности воздуха выбирают одну из этих рабочих характеристик.

8. Ветроэнергетическая установка для генерирования электрической мощности из ветра, содержащая:

- аэродинамический ротор с роторными лопастями, регулируемыми по их углу установки, причем ротор выполнен с возможностью эксплуатироваться с изменяемой частотой вращения ротора, и

- связанный с аэродинамическим ротором генератор для генерирования выходной мощности, причем ветроэнергетическая установка предназначена для того, чтобы

- при работе в режиме частичной нагрузки, в котором ветер настолько слабый, что ветроэнергетическая установка еще не может эксплуатироваться со своей максимальной выходной мощностью, генерировать выходную мощность в зависимости от ветра,

- определять актуальную плотность воздуха ветра, и

- устанавливать каждый угол установки лопасти в зависимости от выходной мощности или от скорости вращения ротора, и, кроме того, в зависимости от определенной плотности воздуха,

отличающаяся тем, что ветроэнергетическая установка дополнительно выполнена с возможностью динамично устанавливать выходную мощность с первой постоянной времени, а угол установки роторной лопасти устанавливать динамично со второй постоянной времени, причем первая постоянная времени выбирается меньшей, чем вторая постоянная времени.

9. Ветроэнергетическая установка по п. 8, отличающаяся тем, что

- предусмотрено средство управления мощностью, предназначенное для установки выходной мощности в зависимости от частоты вращения ротора,

- предусмотрено средство управления углом атаки, предназначенное для установки угла установки лопасти в зависимости от частоты вращения ротора и плотности воздуха, и

- предусмотрено средство хранения информации, предназначенное для сохранения установок углов установки лопасти в зависимости от частоты вращения ротора и плотности воздуха, в частности, для сохранения характеристик угла атаки в зависимости от значений плотности воздуха.

10. Ветроэнергетическая установка по п. 8 или 9, отличающаяся тем, что она предназначена для осуществления способа по любому из пп. 1-7, в частности, для этого она содержит управляющее устройство.