ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С НИЗКИМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОМЕХАМИ Российский патент 2020 года по МПК F03D80/00 F03D80/30 F03D80/60 F03D15/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к ветряной турбине с низким испусканием электромагнитного излучения, к системе, содержащей как приемный блок, чувствительный к электромагнитному излучению, так и одну или более ветряных турбин с низким испусканием электромагнитного излучения, причем ветряные турбины могут находиться на расстоянии менее чем 20 км от указанного приемного блока, и к способу оптимизации указанной системы и к способу измерения испускания электромагнитного излучения ветряной турбины.

Уровень Техники Изобретения

Испускание электромагнитного излучения, также называемого EM–излучение, ветряными турбинами обычно не является проблемой, поскольку турбины соответствуют международным нормам, ограничивающим уровни излучения. Однако в некоторых конкретных случаях уровни излучения все–таки являются помехой для приемных блоков. Приемным блоком может быть любой блок, который субъективно или объективно чувствителен к электромагнитному излучению. Примером подобных блоков являются антенны так называемой LOFAR, низкочастотной антенной решетки, настроенной для приема космического излучения в частотном диапазоне от 10 мГц до 250 мГц. Еще одним примером являются люди, которые утверждают, что чувствительны к электромагнитному излучению и иногда испытывают помехи. Некоторые люди утверждают, что электромагнитное излучение является помехой в целом для живых организмов и во флоре и в фауне. В заключение, несмотря на то, что ветряные турбины соответствуют нормативам по уровням излучения, многие приемные блоки все–таки испытывают помехи от электромагнитного излучения, испускаемого ветряными турбинами. Это является препятствием для использования энергии ветра и, следовательно, для перехода на возобновляемые источники энергии.

Известное основное решение для уменьшения помех заключается в согласовании определенных периодов, когда ветряные турбины ветряной электростанции останавливают и/или выключают. Другое известное решение состоит в том, что установку ветряных турбин просто не разрешают в определенных областях. В обоих случаях результатом является то, что замедляется использование энергии ветра, или ветряные электростанции производят меньше энергии и становятся неэкономичными. Третий путь вперед заключается в том, чтобы установить ветряную электростанцию, и игнорировать жалобы людей, испытывающих помехи прямо или косвенно через другие живые организмы. Это, конечно, нежелательный путь, поскольку он создает большое противодействие энергии ветра.

Сущность Изобретения

Целью изобретения является преодоление вышеуказанных недостатков существующих решений.

Кроме того, в последние десятилетия использование энергии ветра растет, и ветряные турбины устанавливают в наиболее подходящих местах. Поэтому для установки ветряных электростанций теперь рассматриваются другие районы, иногда тихие районы, где в приемные блоки, попадают люди, в том числе с высокой чувствительностью к помехам от электромагнитного излучения. Поэтому ожидается усиление помех от электромагнитного излучения, испускаемого ветряными турбинами.

Поэтому существует необходимость эффективного устранения помех, в частности, с помощью метода, в котором не игнорируют жалобы людей и который серьезно не препятствует внедрению ветряных электростанций.

При этом согласно одному аспекту настоящего изобретения в областях, где имеется объективная или субъективная чувствительность к помехам от электромагнитного излучения от ветряных турбин, предложено устанавливать ветряные турбины с переменной скоростью вращения ротора с номинальной мощностью более 1 МВт и диаметром ротора по меньшей мере 50 м, содержащие несколько основных частей, таких как башня, гондола, которая может быть объединена с генератором, ступица и по меньшей мере одна лопасть, дополнительно содержащие трансформатор и главный преобразователь для адаптации переменной частоты электроэнергии генератора к частоте сети, причем ветряная турбина выполнена с возможностью уменьшения электромагнитного излучения, в частности, в диапазоне от 10 МГц до 250 МГц.

В одном варианте осуществления изобретения, дальше обозначаемом как «в одном варианте осуществления», ветряная турбина выполнена с возможностью уменьшения испускания электромагнитного излучения, когда одна или более частей ветряной турбины выполнены с возможностью уменьшения испускания электромагнитного излучения. В другом варианте осуществления ветряная турбина считается источником электромагнитного излучения, который выполнен с возможностью уменьшения эквивалентной изотропно–излучаемой мощности в частотном диапазоне между 30 МГц и 230 МГц до уровня ниже 2,5 пВт/Гц (пиковатт на герц) и, в частности, ниже 0,25 пВт/Гц, а более конкретно ниже 0,025 пВт/Гц, и еще более конкретно ниже 0,0025 пВт/Гц. В еще одном варианте осуществления ветряная турбина выполнена с возможностью уменьшения предела напряженности испускаемого электромагнитного поля в частотном диапазоне между 30 МГц и 230 МГц в полосе частот 120 кГц на расстоянии 30 м от гондолы до уровня ниже 24 дБмкВ/м, в частности, ниже 18 дБмкВ/м, а более конкретно ниже 12 дБмкВ/м и еще более конкретно ниже 9 дБмкВ/м.

В одном варианте осуществления ветряная турбина содержит первую основную часть и вторую основную часть, причем эти части шарнирно соединены друг с другом, и при этом указанные части содержат экран для электромагнитного излучения, который экранирует устройство, которое может быть источником электромагнитного излучения, причем указанные экраны имеют токопроводящее соединение друг с другом, в частности, с помощью контактных колец, так что экраны образуют общий экран, который может представлять собой замкнутое общее поле.

В одном варианте осуществления экран первой основной части и, возможно, также экран второй основной части продолжается в определенной степени или полностью до центра вращения поворотного соединения и заземлен или соединен с соседним экраном. Продолжение в определенной степени можно определить как продолжение к центру вращения на расстоянии менее 1 м от него, в частности менее 0,6 м, а более конкретно менее 0,3 м. Преимущество этой схемы состоит в том, что сам экран может образовывать замкнутую поверхность для электромагнитного излучения частотном диапазоне от 10 МГц до 250 МГц. В случае двух смежных экранов двух основных частей, которые соединены с возможностью поворота, преимущество заключается в том, что для закрытия экранов требуется меньше проводящих соединений между экранами (например, контактных колец, щеток или контактов на основе жидкого металла) или даже их отсутствие. В одном варианте осуществления для контакта на основе жидкого металла вместо ртути используют сплав на основе галлия.

Согласно варианту осуществления экран закрывают в том месте, где соединены две основные части шарнирно, экран может иметь проход для обслуживающего персонала или для транспортировки запасных частей. Этот проход может иметь форму двери или люка и сам может быть экранирован.

Основные части относятся к башне, гондоле, содержащей по меньшей мере статор генератора, ступице, возможно, содержащей ротор генератора, и любой из лопастей. Две основные части, которые соединены с возможностью поворота, относятся к башне и гондоле, гондоле или генератору, гондоле и ступице или ступице и лопасти.

Экраны согласно изобретению могут содержать неэкранированные участки с максимальным неэкранированным расстоянием менее 1 м, в частности, менее 0,3 м, а более конкретно, менее 0,1 м и предпочтительно менее 0,03 м. Кроме того, любой из экранов может быть отдельным экраном или может быть объединен с другой частью ветряной турбины. Например, без ограничения корпус генератора может служить как экраном для электромагнитного излучения, так и корпусом. Также наружная поверхность гондолы может быть объединена с экраном от электромагнитного излучения. Кроме того, такой экран может иметь другие функции, такие как, без ограничения, конструктивная функция или молниезащита.

В одном варианте осуществления ветряная турбина содержит по меньшей мере две основные части, которые могут двигаться с возможностью вращения друг относительно друга, и каждая из которых содержит экран для электромагнитного излучения, причем указанные экраны заземлены и имеют перекрытие по меньшей мере 10 см, в частности, на уровне не менее 30 см, а более конкретно не менее 1 м.

В одном варианте осуществления ветряная турбина содержит две основные части, причем первая основная часть представляет собой статор генератора с прямым приводом, а вторая основная часть, которая шарнирно соединена с первой основной частью, представляет собой ротор генератора с прямым приводом, причем обе основные части содержат экран от испускания электромагнитного излучения, который экранирует границу друг с другом вдоль замкнутой кривой вокруг оси вращения генератора, причем экраны электрически соединены вдоль этой замкнутой кривой, при этом наибольшее расстояние между электрическими соединениями, такими как контактные кольца, щетки или контакты на основе жидкого металла или любые другие известные электропроводящие соединения, измеренное вдоль кривой, составляет менее 1 м, в частности, менее 0,3 м, а более конкретно менее 0,1 м.

Предпочтительно, ветряная турбина согласно изобретению дополнительно содержит люк с экраном люка для электромагнитного излучения, причем экран люка граничит с экраном для электромагнитного излучения, который является отдельной или интегрированной частью основной части или основания, и при этом указанный экран люка содержит одно или несколько электропроводящих соединений с указанным экраном, причем в случае нескольких соединений наибольшее расстояние между соединениями, измеренное вдоль замкнутой кривой, вдоль которой экран люка граничит с экраном, составляет менее 1 м, в частности, менее 0,3 м, а более конкретно менее 0,1 м. Следует отметить, что слово «люк» может относиться к любому отверстию в ветряной турбине. Таким образом, люком может считаться отверстие, такое как дверь, вентиляционное отверстие, смотровое отверстие или люк–лаз, любое из которых может быть расположено в башне, в основании, в гондоле, в ступице или в лопасти.

В одном варианте осуществления гондола и/или ступица ветряной турбины содержит электронное оборудование, причем указанное оборудование окружено во всех направлениях или во всех направлениях, кроме направления вниз, заземленной проводящей поверхностью, которая может содержать неэкранированные зоны менее 1 м², в частности, менее 0,3 м² и предпочтительно менее 0,1 м².

В одном варианте осуществления наружная поверхность гондолы и экран для электромагнитного излучения объединены, и, в частности, гондола содержит металлическую наружную поверхность или поверхность из композита, объединенного с проводящим материалом, который экранирует электромагнитное излучение.

В одном варианте осуществления ветряная турбина содержит по меньшей мере один силовой кабель между главным преобразователем и трансформатором, причем длина указанного силового кабеля составляет менее 20 м, в частности, менее 10 м и, предпочтительно, менее 5 м. Было показано, что, в частности, силовые кабели, подключенные к главному преобразователю, являются источником электромагнитного излучения, и что трансформатор демпфирует электромагнитное излучение, поэтому целесообразно устанавливать преобразователь вблизи трансформатора, чтобы можно было уменьшить длину кабелей, из которых происходит испускание электромагнитного излучения.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления силовые кабели между преобразователем и трансформатором, в частности также кабели между преобразователем и генератором, фильтруют по низким частотам, между фазами и землей и/или между фазами, с частотой отсечки менее 50 МГц и, в частности, менее 10 МГц, чтобы соответственно уменьшить сигналы синфазного режима и сигналы дифференциального режима. Такой фильтр низких частот может представлять собой электронную схему, содержащую конденсатор, соединяющий фазы с землей или друг с другом. Другая возможность заключается в применении синусоидального фильтра к соединенным с преобразователем фазам.

В одном варианте осуществления по меньшей мере один силовой кабель к главному преобразователю и, в частности, все силовые кабели к нему окружены одним или несколькими ферритовыми сердечниками, которые могут быть магнитными. Предпочтительно любой из одного или нескольких ферритовых сердечников установлен рядом с главным преобразователем, например, на расстоянии менее 1 м от него. Преимущественно ферритовый сердечник окружен заземленной проводящей поверхностью. Следует заметить, что применение ферритовых сердечников вокруг всех кабелей к главному преобразователю, а следовательно, и для неэнергетических кабелей, эффективно снижает электромагнитное излучение. Те же меры полезны для других меньших преобразователей в ветряной турбине, таких как преобразователи в источниках питания, преобразователи для приведения в действие двигателей поворота вокруг вертикальной оси или поперечной оси или преобразователи для приведения в действие охлаждающих насосов или вентиляторов. Термин «преобразователь» в данном описании может также относиться к инвертору, сервоприводу, электрическому приводу или преобразователю частоты.

В одном варианте осуществления ветряную турбину можно переключать в режим с низким уровнем испускания электромагнитного излучения, в котором основной преобразователь постоянно отключен или силовые цепи основного преобразователя не активированы. В одном варианте осуществления другие преобразователи, такие как преобразователи для двигателей поворота и наклона, отключают в течение периодов, когда необходимо уменьшить помехи, по меньшей мере в течение 50% времени, в частности, в течение, по меньшей мере, 90% времени, а более конкретно в течение всего периода. Приемный блок, такой как LOFAR, уменьшает электромагнитные помехи путем усреднения, поэтому короткие периоды активности преобразователя являются приемлемыми и в то же время достаточными для сохранения выравнивания ветряной турбины с ветром за счет поворота и управления мощностью турбины путем наклона. В дополнительном варианте осуществления ветряная турбина может работать в специальном режиме с фиксированной скоростью вращения, при этом преобразователь в силовой цепи неактивен, а генератор подключен непосредственно к сети. Например, в случае ветряной турбины с генератором двойного питания это реалистичный вариант. Предпочтительно углы наклона лопастей турбины больше регулируют в направлении положения лопасти, чем обычно, в случае работы с фиксированной скоростью вращения ротора, так что превышение мощности исключается.

В одном варианте осуществления двигатели поворота и наклона ветряной турбины работают без преобразователя, и, предпочтительно, чтобы избежать высоких пиковых токов, для приведения в действие двигателей поворота и наклона можно использовать устройство плавного пуска, а реле, которые запускают и останавливают двигатели, можно фильтровать по низким частотам.

В одном варианте осуществления главный преобразователь установлен в нижней четверти башни, и один или несколько силовых кабелей соединяют главный преобразователь с генератором, причем один или несколько силовых кабелей содержат экраны, которые заземлены на башню на некотором расстоянии от преобразователя и на некотором расстоянии от генератора, причем указанное некоторое расстояние составляет менее 10 м, в частности, менее 3 м, а более конкретно менее 1 м. Предпочтительно экраны кабелей заземлены непосредственно на экран преобразователя. Варианты осуществления такого экрана кабеля включают в себя обычный экран кабеля, выполненный из сетчатого проводящего провода, оплетки или фольги, или конструктивную часть, такую как проводящая труба или металлический кабельный лоток, который прикреплен к стене или гондоле башни. Экраны кабеля могут быть внешними экранами или могут быть встроены в изолятор кабеля.

В одном варианте осуществления узел молниеотвода ветряной турбины с приемниками на гондоле и в лопастях и молниезащитный кабель от упомянутых приемников к башне содержит по меньшей мере один искровой промежуток, над которым электронная схема предотвращает статические разряды в промежутке, проводя заряд мимо промежутка. В предпочтительном варианте осуществления сопротивление электронной схемы при более высоком напряжении в цепи ниже, чем сопротивление при более низком напряжении в цепи, так что сигналы низкого напряжения, связанные с электромагнитным излучением, не проходят через зазор в лопасти. Такая электронная схема может содержать устройство защиты от перенапряжений, которое может содержать диод Зенера или варистор, например, относящийся к типу оксида металла.

В одном варианте осуществления ветряной турбины электронное оборудование, установленное снаружи башни или гондолы, такое как анемометры, флюгеры, сигнальные огни или оборудование LIDAR, экранировано от электромагнитного излучения. Оборудование можно экранировать, покрывая его заземленной проводящей поверхностью или сеткой. Альтернативно, оборудование может быть установлено в окружающей содержащей форму проволочной сетке, в которой размер ячеек составляет менее 1 м х 1 м и, в частности, менее 0,3 м х 0,3 м, а более конкретно менее 0,1 м х 0,1 м.

В одном варианте осуществления лопасти или башня турбины покрывают слоем краски, который оптимизирован для поглощения электромагнитного излучения, уменьшая фактор отраженного электромагнитного излучения. В альтернативном варианте лопасти могут иметь заземленную проводящую поверхность.

Система

Согласно аспекту изобретения предложена система, содержащая приемный блок, чувствительный к электромагнитному излучению, и одну или несколько ветряных турбин согласно изобретению, причем эти ветряные турбины расположены на расстоянии менее 20 км от упомянутого приемного блока, и при этом указанная система выполнена с возможностью уменьшения помех приемного блока за счет электромагнитного излучения, испускаемого и/или отражаемого одной или несколькими ветряными турбинами, и, в частности, при этом указанный приемный блок содержит по меньшей мере одну антенну для приема космического электромагнитного излучения в диапазоне частот между 10 МГц и 250 МГц. Приемный блок следует объяснять в широком смысле: это может быть техническое устройство или человек, или любое живое животное или растение, которое объективно или субъективно чувствительно к электромагнитному излучению, испускаемому или отражаемому любой из одной или нескольких ветряных турбин. В одном варианте осуществления приемный блок содержит пространственную решетку антенн, которая чувствительна к электромагнитному излучению.

Одним удивительным преимуществом изобретения является то, что с ветряными турбинами или системой согласно изобретению использование энергии ветра получает лучшее признание, что способствует использованию ветряных электростанций, когда воздействие электромагнитного излучения воспринимается серьезно, независимо от объективного определения воздействия. Идея открытия заключается в том, чтобы уменьшить электромагнитное излучение, испускаемое ветряными турбинами, в гораздо большей степени, чем предписано нормативными актами, а также снизить электромагнитное излучение ниже уровня, который научно доказан как вредный для живых организмов и людей в частности. Удивительным результатом этого шага, который можно считать иррациональным с научной точки зрения, является то, что он способствует использованию энергии ветра и устраняет большое противодействие.

В одном варианте осуществления системы выбор одной или нескольких ветряных турбин преднамеренно переключают на режим более низких электромагнитных помех в зависимости от вклада ветряной турбины. Такой способ снижения электромагнитных помех может быть рабочим режимом, в котором использование преобразователей сведено к минимуму, или может означать отключение турбины, возможно, за исключением защитных устройств. Преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что он уменьшает помехи для приемного блока до приемлемых уровней, только изменяя рабочий режим выбора ветряных турбин, которые в значительной степени вносят вклад в помехи, и оставляет другие турбины без изменений, чтобы они все–таки производили энергию. Другими словами, вместо выключения всех турбин, которые являются частью системы, и потери всей мощности, снижение мощности сводится к минимуму, и уровень помех все–таки остается приемлемым.

В одном варианте осуществления система также имеет блок обработки, который получает информацию как от приемного блока, так и от одной или нескольких ветряных турбин и управляет приемным блоком и/или одной или несколькими ветряными турбинами, так чтобы уменьшать помехи, в частности, путем переключения любой из одной или нескольких ветряных турбин в режим более низких электромагнитных помех. В одном варианте осуществления, когда режим низких помех относится к состоянию остановки, в качестве положения, соответствующего минимальным помехам, можно выбрать положение любой из одной или нескольких ветряных турбин, которое определяют по углу поворота гондолы, азимутальному углу ротора и углу наклона по меньшей мере одной лопасти. Преимущественно система имеет блок обработки, который получает информацию от одной или нескольких ветряных турбин и от приемного блока и использует эту информацию для оптимизации системы за счет уменьшения помех и максимизации прибыли ветряной электростанции. Например, блок обработки может регулировать положение ветряных турбин. В соответствии с другим примером, в котором несколько турбин отключают для уменьшения помех и внезапного сбоя в работе приемного блока, блок обработки может затем немедленно использовать эту информацию для включения турбин. Другой пример состоит в том, что блок обработки может передавать информацию о положении любой из одной или нескольких ветряных турбин в приемный блок. Эта информация может быть преимуществом для приемного блока, поскольку она может лучше компенсировать отражение электромагнитного излучения, например, путем фильтрации, после того как положение турбин стало известно.

В одном варианте осуществления система устроена так, что, когда ветряную турбину останавливают, чтобы уменьшить помехи, ее останавливают в положении, которое считается безопасной позицией для ветряной турбины. Следует заметить, что когда ветряную турбину останавливают в положении, которое считается безопасным, это позволяет переключать защитные устройства в режим с более низкой активностью, включая режим бездействия, который может дополнительно уменьшать электромагнитное излучение.

В одном варианте осуществления система содержит измерительный инструмент или алгоритм оценки, который может быть дополнительным инструментом или может быть интегрирован в приемный блок. Этот измерительный инструмент выполнен с возможностью измерения электромагнитного излучения, испускаемого любой из одной или нескольких ветряных турбин, и, в частности, излучения, испускаемого любой из одной или нескольких ветряных турбин и направленного на приемный блок для использования этого измеренного электромагнитного излучения для уменьшения помех. Данные измерений можно использовать для фильтрации данных, собранных приемным блоком. Предпочтительно измеренные данные используют для проведения различия электромагнитного излучения между ветряными турбинами, так чтобы можно было отследить ветряные турбины с наибольшим вкладом в помехи и впоследствии переключить их в режим более низких помех. Другим предпочтительным вариантом осуществления является вариант, в котором указанный измерительный инструмент передает собранные данные или их результаты в блок обработки.

В одном варианте осуществления система дополнительно содержит по меньшей мере антенну, например, антенную решетку, и электронное устройство для приема и обработки электромагнитного излучения. Электронное устройство может фильтровать принятые сигналы в режиме реального времени или ретроспективно на основе данных о ветряных турбинах, таких как мощность ветряных турбин, частота вращения ротора, азимут ротора и углы наклона лопастей в зависимости от времени, чтобы уменьшать помехи и/или улучшать качество данных приемных блоков.

В одном варианте осуществления систему используют для измерения электромагнитного излучения, и в случае, когда электромагнитное излучение все еще вызывает помехи, чтобы уменьшить электромагнитное излучение, испускаемое или отражаемое любой ветряной турбиной, например, путем улучшения экранирования ветряной турбины или путем изменения положения турбины или путем уменьшения источников излучения или путем изменения рабочих параметров турбины или системы.

В общедоступной литературе, в «Verstoring van het elektromagnetische milieu ter plaatse van de LOFAR kern door het windturbinepark Drentse Monden en Oostermoer», № 2016–09190001 от Agentschap Telecom в качестве экрана от электромагнитного излучения предлагается использовать наращиваемую стену. Такая стена, однако, имеет несколько недостатков. Это дорого для реализации, так как может потребоваться высота в десятки метров. Кроме того, поскольку она обязательно имеет широкое основание, необходимо перемещать много земли, в то время как только верхняя часть стены эффективно экранирует электромагнитное излучение турбины. Кроме того, если оказывается, что стена экранирует космическое излучение, которое изучается приемным устройством, удаление стены является дорогостоящим. Поэтому простой тест для проверки эффективности такой стены путем временной установки стены не является реалистичным.

Удивительно, что вариант осуществления системы, включающей в себя сетку, например, установленную между стойками, не имеет указанных недостатков. Она эффективно защищает антенны от электромагнитного излучения ветряных турбин. Сетка дешевле стены, ее можно легко снять или переместить. И, что удивительно, в отличие от варианта со стеной, около земли требуется меньше материала, чем на больших высотах: для экономии материала она даже может быть открыта около земли. Сетка может быть открыта около земли по двум причинам: во–первых, только небольшая часть создающего помехи электромагнитного излучения от турбин поступает в антенны примерно в горизонтальном направлении, так как земля гасит сигналы, и, во–вторых, потому что электромагнитное излучение по большей части испускается или отражается более высокими частями турбины, такими как, например, лопасти, ступица и гондола. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения сетчатый экран устанавливают ближе к приемному блоку, чем к ближайшей ветряной турбине. Соотношение между расстоянием до турбины и расстоянием до приемного устройства должно быть не менее 3 и, в частности, не менее 10. Преимущественно сетчатый экран предназначен для экранирования электромагнитного излучения в диапазоне от 10 МГц до 250 МГц. В предпочтительном варианте осуществления сетчатый экран устанавливают по меньшей мере между приемным блоком и самой близкой турбиной и, в частности, также между приемным блоком и второй самой близкой турбиной. В случае, когда приемный блок содержит более одной антенны, для экранирования любой из этих антенн может быть выполнено множество сеток.

В одном варианте осуществления системы периоды, в которые любую из одной или нескольких ветряных турбин переключают в режим пониженной выработки энергии, чтобы уменьшить помехи, выбирают в пользу финансового дохода одной или нескольких ветряных турбин. Преимущественно периоды выбирают во время интервалов скоростей ветра, связанных с низкой выработкой энергии, например, при скоростях ветра ниже 8 м/с, в частности, ниже 7 м/с, а более конкретно ниже 6 м/с. Также период можно выбрать во время периодов высокой скорости ветра, когда турбины необходимо выключать, или имеется высокая вероятность выключения, чтобы избежать перегрузки, например, при скорости ветра выше 20 м/с и, в частности, выше 25 м/с. Скорости ветра могут относиться к фактическим скоростям ветра или ожидаемым скоростям ветра или ожидаемым средним скоростям ветра в период, когда помехи должны быть минимизированы. Как в условиях низкой скорости ветра, так и в условиях высокой скорости ветра, ожидаемая финансовая доходность является низкой. Иногда ожидаемые или средние скорости ветра находятся в диапазоне, в котором вырабатывается много энергии, в то время как цена на энергию низкая, например, когда многие ветряные турбины в окрестностях производят так много, что в сети происходит перепроизводство. Такие условия также являются благоприятными периодами для выполнения измерений с помощью приемного устройства и выключения определенных турбин для уменьшения помех. Другим примером является тот, в котором техническое обслуживание ветряных турбин планируют в периоды, когда помехи должны быть низкими. Это уменьшит техническое обслуживание в другие периоды и, таким образом, увеличит доступность ветряных турбин в периоды, когда помехи не являются проблемой, чтобы производить больше энергии. В одном варианте осуществления планирование периодов низких помех и работ по техническому обслуживанию оптимизируют на основании оптимизации финансового результата ветряных турбин или оптимизации выработки энергии турбинами.

Один вариант осуществления, в котором блок обработки может улучшить систему, представляет собой вариант, когда в течение периода, когда приемный блок работает, а одну или несколько ветряных турбин переключают в режим пониженного испускания электромагнитного излучения по определенной причине, например, из–за неисправности приемного блока, нет необходимости продолжать запланированный период и, таким образом, ветряные турбины снова можно переключить в обычный режим. В этом случае блок обработки может выполнять переключение турбин между рабочими режимами, например, на основе информации от приемного блока, чтобы в целом повысить эффективность системы.

В одном варианте осуществления рабочий период приемного блока передают в являющиеся помехами устройства, отличные от одной или нескольких ветряных турбин, чтобы эти устройства можно было переключать в режим с более низким излучением или можно было выключить. Преимущество заключается в более низком уровне помех или в том, что меньшее количество турбин необходимо переключать в режим с низким излучением, и при этом достигается приемлемый уровень помех.

В одном варианте осуществления изобретения дополнительно содержится антенна, которую прикрепляют к ветряной турбине, в частности, на высоте, по меньшей мере, 50% высоты оси ветряной турбины над уровнем земли. Интерпретация термина «прикреплен к» заключается в том, что антенна имеет по меньшей мере одно конструктивное соединение с ветряной турбиной и, в частности, это соединение поддерживает подъем антенны над уровнем земли. Эта антенна предназначена для измерения излучения и/или отражения электромагнитного излучения ветряной турбиной. Такая измерительная установка полезна, например, для определения эффективности различных мер по снижению электромагнитного излучения, для определения соответствия турбины определенным уровням электромагнитного излучения или для использования измеренных данных в качестве входных данных для оптимизации системы. Антенну можно закрепить, например, с помощью конструкции, такой как стержень, возможно, усиленный стойкой, причем эту конструкцию прикрепляют к ветряной турбине. В частности, конструкцию прикрепляют к гондоле, к генератору или к ступице так, чтобы она следовала за движением гондолы вокруг вертикальной оси, а риск столкновения между лопастями и конструкцией был минимальным. В другом предпочтительном варианте осуществления конструкцию прикрепляют к башне турбины так, чтобы она не следовала за движением относительно вертикальной оси, чтобы ее можно было использовать для измерения тангенциального распределения вокруг оси поворота электромагнитного излучения посредством обеспечивающей поворот относительно вертикальной оси части турбины. В одном варианте осуществления антенну прикрепляют к веревке между ветряной турбиной и землей. Веревку можно прикрепить к земле на расстоянии от 50 до 500 м от нижней части башни. Антенну можно прикрепить к веревке через конструкцию, содержащую стержень, который прикреплен к веревке и несет антенну на одном конце и имеет противовес на другом конце. Вместо противовеса также можно применить другой трос от нижнего конца стержня к земле. В одном варианте осуществления антенну закрепляют на расстоянии от оси поворота турбины менее 100 м, а более конкретно, менее 60 м и предпочтительно на расстоянии менее 40 м. В одном варианте осуществления антенну располагают по меньшей мере в 5 м и, в частности, по меньшей мере, в 10 м от гондолы. В альтернативном варианте осуществления антенну располагают рядом с ветряной турбиной с помощью дрона или более легкого, чем воздух транспортного средства, такого как дирижабль или воздушный шар или их комбинация. Электропровод может подавать питание на дрон от ветряной турбины, например, от гондолы, или от земли. Более легкое, чем воздух, транспортное средство также можно удерживать на месте с помощью одного или нескольких тросов между транспортным средством и землей или между транспортным средством и ветряной турбиной.

Краткое описание чертежей

На следующих чертежах представлены иллюстративные варианты осуществления изобретения:

Фиг.1: ветряная турбина с низким уровнем испускания электромагнитного излучения.

Фиг.2: ветряная турбина с низким уровнем испускания электромагнитного излучения.

Фиг.3: система с приемным блоком и одной или несколькими ветряными турбинами.

Должно быть понятно, что чертежи нарисованы не в масштабе.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показан вариант осуществления ветряной турбины, выполненной с низким уровнем испускания электромагнитного излучения. Ветряная турбина содержит башню 2, гондолу 3, генератор 4, ступицу 5 и по меньшей мере одну лопасть 6. Внутри гондолы находится платформа 11 и электронное оборудование 10. В нижней части башни установлена другая платформа 9, которая содержит преобразователь 8. Трансформатор 7 установлен в нижней части башни. Ветряная турбина оборудована антенной 14 для измерения испускания электромагнитного излучения. Антенна прикреплена к стержню 12, который усилен стойкой 13. И стержень, и стойка прикреплены к башне 2.

На фиг.2 показан иллюстративный вариант осуществления верхней части ветряной турбины, выполненной с низким испусканием электромагнитного излучения. На задней части гондолы установлен люк 20, который сам защищен от электромагнитного излучения экраном люка, который покрывает поверхность люка. Экран люка соединен с экраном гондолы электропроводящими соединениями 21. Комель лопасти закрыт люком 22, который также имеет экран люка, который соединен электропроводящими соединениями 23 с экраном ступицы.

Башня, которая в этом варианте осуществления сама по себе является экраном, например, потому что она изготовлена из заземленных стальных пластин, и гондола, которая в этом варианте осуществления имеет встроенный экран, могут быть соединены таким способом, который выполнен с возможностью уменьшения испускания электромагнитного излучения путем применения перекрытия 24.

Гондола со статором генератора (27) прямого привода является основной частью, а ступица с ротором генератора (28) прямого привода является другой основной частью, причем эти основные части шарнирно соединены. Обе основные части содержат экран от испускания электромагнитного излучения, который экранирует границу друг с другом вдоль замкнутой кривой 26 вокруг оси вращения. Вдоль кривой 26 экраны соединены электропроводящими соединениями 25, которые могут быть контактными кольцами или другими соединениями, которые допускают относительное перемещение.

Башня является основной частью, которая шарнирно соединена с гондолой, которая является другой основной частью. Вблизи шарнирного соединения экран башни продолжается экраном 31 до центра шарнирного соединения. Также экран гондолы продолжается экраном 30 к центру шарнирного соединения. Экраны соединены через соединение 32, которое может представлять собой кабель, который допускает скручивание кабеля во время поворота турбины, или соединение типа контактного кольца.

Другим вариантом осуществления экранов, которые продолжаются к центру поворотного соединения, являются экраны 33 и 34, которые соответственно продолжают экран гондолы и экран ступицы к центру оси ротора. Экраны соединены соединением 35, которое является электропроводным соединением, которое обеспечивает вращение.

Показаны три способа соединения различных экранов: путем перекрытия 24, путем использования контактных колец 23, 25 или путем продолжения экрана в направлении центров вращения, где выполнено соединение 30, 31, 32, 33, 34, 35. Применение трех способов не ограничено положениями в ветряной турбине, где они нарисованы. В каждом положении любого из соединений возможно любое из упомянутых соединений.

На фиг.2 также показана мачта 40, которая служит в качестве приемника 41 молнии и служит для установки оборудования, такого как сигнальный огонь 44, анемометр 42 и флюгер 43. Согласно варианту осуществления изобретения все это оборудование защищено от испускания электромагнитного излучения путем заземления внешней поверхности всей электроники. Кроме того, сетки, которые полностью окружают оборудование, за исключением молниеприемника, эффективно экранируют испускание электромагнитного излучения. В одном варианте осуществления ячейка сеток составляет менее 1 м × 1 м, в частности, менее 0,3 м × 0,3 м, а более конкретно менее 0,1 м × 0,1 м. В одном варианте осуществления согласно изобретению электроника оборудования, установленного вне гондолы, соединена с землей через фильтр низких частот с частотой отсечки менее 10 МГц, в частности, менее 100 кГц, а более конкретно менее 1 кГц.

На фиг.3 показана иллюстративная система 50 согласно изобретению, причем эта система содержит приемный блок 51, который в этом иллюстративном случае содержит антенну 52, датчик 53 и электронную и/или оптическую схему 55. Система дополнительно содержит несколько ветряных турбин. 1, на расстоянии менее 20 км и блок 57 обработки, который может обмениваться данными через соединение 60 с ветряными турбинами, а через соединения 58 и 59 с приемной системой. Соединения показаны как физические соединения, однако они также могут быть беспроводными. Блок обработки может использовать рабочие данные турбин и передавать их в приемный блок для оптимизации фильтрации. Блок обработки может также использовать рабочие данные приемного блока и/или измерительного инструмента, чтобы оптимально управлять турбинами, чтобы минимизировать помехи или максимизировать финансовые доходы или реализовать другие оптимальные решения.

Система может содержать экран, подобный проволочной ткани или сетке 61 на фиг. 3. Плотность сетки может увеличиваться с высотой в определенном вертикальном диапазоне, и, в частности, сетка начинается на определенном расстоянии 63 над землей, которое предпочтительно составляет по меньшей мере 2 метра. Сетка или проволочная ткани могут быть установлены любым известным способом, например, путем их фиксации между полюсами 62, и предпочтительно их устанавливают, по меньшей мере, между антенной и ближайшей ветряной турбиной.

Следует понимать, что в настоящей заявке термин «содержащий» не исключает другие элементы или этапы. Кроме того, каждый из неопределенных артиклей не исключает множественности. Любой ссылочный знак в формуле изобретения не следует истолковывать как ограничивающий объем формулы изобретения. Термин «заземленный» в этом тексте может относиться к прямому соединению с землей, но также может относиться к непрямому соединению с землей, например, через другое устройство. Такое соединение может содержать контактное кольцо или другой тип электропроводного контакта между частями, которые движутся друг относительно друга. Термин заземление может также относиться к соединению с проводящим экраном устройства. Наконец, термин заземление может относиться к соединениям экранов, так что они образуют больший экран.

Настоящее изобретение относится к ветряной турбине с низким испусканием электромагнитного излучения. Представлена ветряная турбина (1) с переменной скоростью вращения ротора с номинальной мощностью более 1 МВт и диаметром ротора по меньшей мере 50 м, содержащая несколько основных частей, таких как башня (2), гондола (3), которая может быть объединена с генератором (4) прямого привода, ступица (5) и по меньшей мере одна лопасть (6), дополнительно содержащая трансформатор (7) и главный преобразователь (8) для адаптации переменной частоты энергии генератора к частоте сети, причем ветряная турбина выполнена с возможностью уменьшения испускания электромагнитного (EM) излучения, в частности, в диапазоне от 10 до 250 МГц, причем ветряная турбина содержит первую основную часть и вторую основную часть, причем эти части шарнирно соединены друг с другом, и при этом любая из указанных частей содержит экран для электромагнитного излучения, который окружает устройство, которое может быть источником электромагнитного излучения, при этом вблизи шарнирного соединения экран (30, 31, 33, 34) продолжается в определенной степени по направлению к центру вращения шарнирного соединения и заземлен (32, 35), в частности, через контактные кольца, причем экраны могут содержать неэкранированные области с максимальным неэкранированным расстоянием менее 1 м, в частности менее 0,3 м, а более конкретно менее 0,1 м и, предпочтительно, менее 0,03 м. Техническим результатом изобретения является обеспечение уменьшения испускания электромагнитного излучения. 5 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветряная турбина (1) с переменной скоростью вращения ротора с номинальной мощностью более 1 МВт и диаметром ротора по меньшей мере 50 м, содержащая несколько основных частей, таких как башня (2), гондола (3), которая может быть объединена с генератором (4) прямого привода, ступица (5) и по меньшей мере одна лопасть (6), дополнительно содержащая трансформатор (7) и главный преобразователь (8) для адаптации переменной частоты энергии генератора к частоте сети, причем ветряная турбина выполнена с возможностью уменьшения испускания электромагнитного (EM) излучения, в частности в диапазоне от 10 МГц до 250 МГц, причем ветряная турбина содержит первую основную часть и вторую основную часть, причем эти части шарнирно соединены друг с другом, и при этом любая из указанных частей содержит экран для электромагнитного излучения, который окружает устройство, которое может быть источником электромагнитного излучения, при этом вблизи шарнирного соединения экран (30, 31, 33, 34) продолжается в определенной степени по направлению к центру вращения шарнирного соединения и заземлен (32, 35), в частности, через контактные кольца, причем экраны могут содержать неэкранированные области с максимальным неэкранированным расстоянием менее 1 м, в частности менее 0,3 м, а более конкретно менее 0,1 м и предпочтительно менее 0,03 м.

2. Ветряная турбина по п. 1, содержащая по меньшей мере две основные части, которые могут вращаться относительно друг друга и каждая из которых экранирована для электромагнитного излучения, причем указанные экраны заземлены и имеют перекрытие (24) по меньшей мере 10 см, и, в частности, по меньшей мере 30 см, а более конкретно по меньшей мере 1 м.

3. Ветряная турбина по любому из пп. 1, 2, содержащая две основные части, причем первая основная часть содержит статор (27) генератора (4) с прямым приводом, а вторая основная часть, которая шарнирно соединена с первой основной частью, содержит ротор (28) генератора с прямым приводом, при этом обе основные части содержат экран от испускания электромагнитного излучения, который экранирует границу друг с другом вдоль замкнутой кривой (26) вокруг оси вращения генератора, причем экраны электрически соединены (25) вдоль этой замкнутой кривой, при этом наибольшее расстояние между электрическими соединениями, измеренными вдоль кривой, составляет менее 1 м, в частности менее 0,3 м, а более конкретно менее 0,1 м.

4. Ветряная турбина по любому из пп. 1–3, дополнительно содержащая люк (20, 22) с экраном люка для электромагнитного излучения, причем экран люка граничит с экраном для электромагнитного излучения, который является отдельной или интегрированной частью ступицы, гондолы, башни, основания или лопасти, при этом указанный экран люка содержит одно или несколько электропроводных соединений (21, 23) с указанным экраном, причем в случае нескольких соединений наибольшее расстояние между указанными соединениями, измеренное вдоль замкнутой кривой, вдоль которой экран люка граничит с экраном, составляет менее 1 м, в частности менее 0,3 м, а более конкретно менее 0,1 м.

5. Ветряная турбина по любому из пп. 1–4, в которой гондола и/или ступица содержит электронное оборудование, причем указанное оборудование закрыто во всех направлениях или во всех направлениях, кроме направления вниз в верхнюю часть башни, с помощью заземленной проводящей поверхности, в частности, с неэкранированными зонами, причем неэкранированные зоны имеют максимальный непроводящий диапазон менее 1 м, в частности менее 0,3 м, более конкретно менее 0,1 м, а предпочтительно менее 0,03 м.

6. Ветряная турбина по п. 5, в которой наружная поверхность гондолы и экран для электромагнитного излучения объединены, причем, в частности, гондола содержит металлическую наружную поверхность или наружную поверхность из композита, скомбинированного с проводящим материалом, который экранирует электромагнитное излучение.

7. Ветряная турбина по любому из пп. 1–6, содержащая по меньшей мере один силовой кабель между главным преобразователем и трансформатором, причем длина силового кабеля составляет менее 20 м, в частности менее 10 м и предпочтительно менее 5 м.

8. Ветряная турбина по любому из пп. 1–7, содержащая по меньшей мере один силовой кабель, соединенный с главным преобразователем, причем электрический сигнал силового кабеля подвергается низкочастотной фильтрации для синфазного и/или дифференциального сигналов с частотой отсечки менее 50 МГц, и в частности менее 10 МГц.

9. Ветряная турбина по любому из пп. 1–8, в которой по меньшей мере один силовой кабель, соединенный с главным преобразователем, и, в частности, все силовые кабели, соединенные с ним, окружены одним или несколькими ферритовыми сердечниками, которые предпочтительно установлены в пределах 1 м от основного преобразователя или встроены в основной преобразователь, и, в частности, указанный ферритовый сердечник окружен заземленной проводящей поверхностью.

10. Ветряная турбина по любому из пп. 1–9, которую можно переключать в режим с низким уровнем испускания электромагнитного излучения, в котором главный преобразователь постоянно отключен или силовые цепи главного преобразователя не активированы, причем, в частности, если они присутствуют, преобразователи для двигателей поворота и наклона выключены в течение по меньшей мере 50% времени, и в частности в течение по меньшей мере 90% времени, а более конкретно в течение всего периода режима испускания низкого электромагнитного излучения.

11. Ветряная турбина по любому из пп. 1–10, в которой главный преобразователь (8) установлен в нижней четверти башни (2), а один или несколько силовых кабелей соединяют главный преобразователь с генератором (4), причем один или несколько силовых кабелей содержат электропроводные экраны, которые заземлены на башню на определенном расстоянии от преобразователя и на определенном расстоянии от генератора, причем указанное определенное расстояние составляет менее 10 м, в частности менее 3 м, а более конкретно менее 1 м, а предпочтительно заземлены непосредственно на преобразователь и/или генератор.

12. Ветряная турбина по любому из пп. 1–11, дополнительно содержащая молниеотвод с приемниками на гондоле и на лопастях и молниезащитный кабель от указанных приемников к башне, содержащий по меньшей мере один искровой разрядник в молниезащитном кабеле, причем по меньшей мере один искровой разрядник содержит электронную схему, предназначенную для уменьшения испускания электромагнитного излучения за счет статических разрядов, причем, в частности, сопротивление электронной схемы при более высоком напряжении в цепи ниже, чем при более низком напряжении в цепи.

13. Ветряная турбина по любому из пп. 1–12, дополнительно содержащая электронное оборудование (41, 42, 43, 44), установленное снаружи башни или гондолы, причем указанное оборудование защищено от электромагнитного излучения, причем, в частности, указанное оборудование покрыто заземленной проводящей поверхностью или частично или полностью окружено проводящей сетчатой поверхностью.

14. Ветряная турбина по любому из пп. 1–13, в которой любое из лопастей, гондолы или башни покрыто краской, поглощающей электромагнитное излучение.

15. Система (1), содержащая приемный блок (51), чувствительный к электромагнитному излучению, и одну или несколько ветряных турбин (1) по любому из пп. 1–14, причем ветряные турбины расположены на расстоянии менее 20 км от указанного приемного блока, при этом указанная система выполнена с возможностью уменьшения помех приемного блока от испускаемого или отраженного электромагнитного излучения одной или нескольких ветряных турбин, причем, в частности, приемный блок содержит по меньшей мере антенну (52) для приема космического электромагнитного излучения в диапазоне частот от 10 до 250 МГц.

16. Система по п.15, в которой в зависимости от вклада каждой ветряной турбины в помехи выбор одной или нескольких ветряных турбин намеренно переключают в режим, в котором помехи от электромагнитного излучения уменьшаются, причем, в частности, режим основан на сниженной активности преобразователей ветряных турбин, а более конкретно этот режим не является генерирующим энергию режимом.

17. Система по п. 15 или 16, причем система дополнительно содержит блок (57) обработки, который принимает информацию как от приемного блока (51), так и от одной или нескольких ветряных турбин, (1) и управляет приемным блоком и/или одним или несколькими ветряными турбинами, так что указанные помехи уменьшаются, в частности, путем переключения любой из одной или нескольких ветряных турбин в рабочий режим с уменьшенным вкладом в помехи, в частности, путем управления положением любой из одной или более ветряных турбин, положение которых определяется любым из угла поворота гондолы, азимутального угла ротора и угла наклона по меньшей мере одной лопасти.

18. Система по любому из пп. 15–17, в которой предусмотрен измерительный инструмент, который может быть отдельным инструментом или инструментом, объединенным с приемным блоком, выполненный с возможностью измерения электромагнитного излучения, испускаемого любой из одной или нескольких ветряных турбин, в частности излучения, испускаемого любой из одной или нескольких ветряных турбин и направленного в сторону приемного блока, чтобы использовать это измеренное электромагнитное излучение для уменьшения помех.

19. Система по любому из пп. 15–18, дополнительно содержащая антенну (52) и устройство (53) для приема и обработки электромагнитного излучения, причем данные ветряной турбины, такие как генерируемая мощность, число об/мин ротора, азимут ротора и углы наклона лопасти в зависимости от времени любой из одной или нескольких турбин применяются приемным блоком для фильтрации сигналов, принимаемых антенной, чтобы уменьшать помехи.

20. Система по любому из пп. 15–19, в которой между любой из одной или нескольких ветряных турбин (1) и приемным блоком (51) установлена проводящая сетка (61) для экранирования электромагнитного излучения, причем, в частности, средний размер ячеек сетки вблизи земли больше, чем размер ячеек на большей высоте над землей, причем, в частности, нижняя часть сетки начинается на 2 м над уровнем земли или выше.

21. Способ оптимизации системы по любому из пп. 15–20, в котором периоды, в которых любую из одной или нескольких ветряных турбин переключают на режим пониженного производства энергии, чтобы уменьшить помехи, выбирают в пользу финансового дохода от одной или нескольких ветряных турбин, в частности, путем выбора периодов в течение интервалов скоростей ветра с низкой выработкой энергии или в течение интервалов, когда цена на произведенную энергию является низкой, или в течение интервалов, когда запланировано обслуживание ветряных турбин.

22. Способ оптимизации системы по любому из пп. 15–20, в котором период, в течение которого приемный блок находится в рабочем состоянии, передают в создающие помехи устройства, отличные от одной или нескольких ветряных турбин, чтобы эти устройства можно было переключить на более низкий режим излучения или можно было отключить.

23. Способ измерения испускания электромагнитного излучения ветряной турбины по любому из пп. 1–12, в котором к ветряной турбине прикрепляют антенну (14), в частности, выше по меньшей мере 50% высоты оси ветряной турбины над уровнем земли.