Ветроэнергетическая установка с устройством управления

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в механизмах для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Установка содержит горизонтальную опорную поверхность, вертикально закрепленный на ней вал, переднюю и заднюю поперечные тяги, боковые продольные тяги, на которых вертикально закреплены опорные рамы, в которых установлены на вертикальных осях поворотные лопатки, среднюю продольную тягу, флюгер, механизм преобразования вращения и электрогенератор. Дополнительно установка содержит устройство управления, состоящее из датчика скорости ветра, датчика нагрузки электрогенератора, датчика текущего угла отклонения поперечных тяг от среднего положения, вычислителя оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения, сравнивающего устройства, релейного устройства и электропривода, причем входы вычислителя оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения соединены с выходами датчиков скорости ветра и нагрузки электрогенератора, входы сравнивающего устройства соединены соответственно с выходом датчика текущего угла отклонения поперечных тяг от среднего положения и выходом вычислителя оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения, выход сравнивающего устройства электрически соединен с входом релейного устройства, выход релейного устройства электрически соединен с электроприводом. Изобретение обеспечивает повышение энергоотдачи устройства в условиях случайно изменяющихся скорости ветра и нагрузки. 4 ил.

 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую энергию.

Наиболее близкой по технической сущности является выбранная за прототип (патент РФ 2173791, МПК⁷ F03D 3/06) ветроэнергетическая установка, содержащая вертикальный вал, закрепленный с возможностью вращения относительно горизонтальной опорной поверхности, две опорные рамы, плоскости которых вертикальны и параллельны друг другу, установленные в опорных рамах на вертикальных осях поворотные лопатки, образующие рабочие парусообразные плоскости, горизонтально расположенный механизм параллелограммного типа, состоящий из связанной жестко своей средней точкой с валом передней поперечной тяги, равной и параллельной ей задней поперечной тяги, связывающих шарнирно концы поперечных тяг боковых продольных тяг, на которых перпендикулярно к ним вертикально закреплены опорные рамы, параллельной боковым тягам средней продольной тяги, передняя и промежуточная точки которой связаны шарнирно соответственно с валом и с серединой задней поперечной тяги, закрепленный в конце средней продольной тяги вертикально и параллельно продольным тягам флюгер, выполненный в закрытом корпусе, и прикрепленный снизу к опорной поверхности механизм преобразования вращения, входная ось которого связана с валом, последовательно установленные на выходной оси механизма преобразования вращения маховик и электрогенератор, а также механизм поворота лопаток.

Недостатком конструкции ветроустановки является отсутствие регулировки максимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения, что приводит к снижению энергоотдачи ветроустановки при изменениях скорости воздушного потока и нагрузки электрогенератора.

Техническим результатом изобретения является управление временным моментом переключения поворотных лопаток, зависящего от скорости ветра и нагрузки электрогенератора и влияющего на максимальный угол отклонения поперечных тяг от среднего положения.

Сущность изобретения заключается в том, что в ветроэнергетическую установку (показана на фиг.1), содержащую вертикальный вал 2, закрепленный с возможностью вращения относительно горизонтальной опорной поверхности 1, две опорные рамы 3 и 4, плоскости которых вертикальны и параллельны друг другу, установленные в опорных рамах на вертикальных осях поворотные лопатки 5, образующие рабочие парусообразные плоскости, горизонтально расположенный механизм параллелограммного типа, состоящий из связанной жестко своей средней точкой с валом передней поперечной тяги 6, равной и параллельной ей задней поперечной тяги 7, связывающих шарнирно концы поперечных тяг боковых продольных тяг 8 и 9, на которых перпендикулярно к ним вертикально закреплены опорные рамы, параллельной боковым тягам средней продольной тяги 10, передняя и промежуточная точки которой связаны шарнирно соответственно с валом и с серединой задней поперечной тяги, закрепленный в конце средней продольной тяги вертикально и параллельно продольным тягам флюгер 11, выполненный в закрытом корпусе и прикрепленный снизу к опорной поверхности механизм преобразования вращения 12, входная ось которого связана с валом, последовательно установленные на выходной оси механизма преобразования вращения маховик 13 и электрогенератор 14, а также механизм поворота лопаток (не показан), добавлено устройство управления, содержащее датчик скорости ветра, датчик нагрузки электрогенератора, датчик отклонения поперечных тяг от среднего положения, вычислитель оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения, сравнивающее устройство, командное устройство и электропривод, причем входы вычислителя оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения электрически соединены с выходами датчиков скорости ветра и нагрузки электрогенератора, входы сравнивающего устройства электрически соединены соответственно с выходом датчика текущего угла отклонения поперечных тяг от среднего положения и выходом вычислителя оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения, выход сравнивающего устройства электрически соединен с входом релейного устройства, выход релейного устройства электрически соединен с электроприводом.

На фиг.2 представлена структурная схема предлагаемого устройства управления ветроэнергетической установкой.

Устройство управления ветроэнергетической установкой содержит вычислитель оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения 17, имеющий два входа, на один из которых поступает сигнал с выхода датчика скорости ветра 15, на другой поступает сигнал с выхода датчика нагрузки электрогенератора 21. Выход вычислителя оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения подключен к первому входу сравнивающего устройства 18, второй вход сравнивающего устройства соединен с выходом датчика угла отклонения поперечных тяг от среднего положения 16. Выход сравнивающего устройства последовательно соединен с командным устройством 19 и электроприводом 20.

Устройство управления ветроустановкой работает следующим образом. Датчик скорости ветра 15 измеряет текущую скорость воздушного потока v(t), датчик нагрузки электрогенератора 21 измеряет текущий момент нагрузки электрогенератора M_H(t). Сигналы с выходов указанных датчиков v_ИЗМ и М_{Н ИЗМ}, соответствующие измеренным скорости ветра v(t) и нагрузки M_H(t), поступают на входы вычислителя оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения 17.

Вычислитель оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения создан на базе микропроцессора и запоминающего устройства, в которое занесены данные о конструктивных особенностях конкретной ветроустановки. Проведенные исследования (Петров, Г.А. Система управления ветроэнергетической установкой колебательного типа. / Г.А.Петров // Вестн. ТГТУ. - 2008. - Т.14, №1. - С.164-170) показали, что энергоотдача ветроустановки рассматриваемого типа существенно зависит от значения максимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения: выигрыш в коэффициенте полезного действия ветроустановки может достигать 30%. Причем значение оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения изменяется в зависимости от скорости ветра, нагрузки электрогенератора и конструктивных особенностей конкретной ветроустановки: длины поперечных и продольных тяг, размеров опорных рам, параметров маховика и электрогенератора.

На основании измеренных данных, полученных с датчиков скорости ветра и нагрузки, вычислитель 17 определяет оптимальный угол максимального отклонения поперечных тяг от среднего положения φ_ОПТ, при котором энергоотдача в данных условиях наибольшая.

Сигнал, соответствующий вычисленному оптимальному углу φ_ОПТ, поступает на один из входов сравнивающего устройства 18. На другой вход сравнивающего устройства с выхода датчика 16 поступает сигнал φ_ИЗМ, соответствующий измеренному текущему значению угла отклонения поперечных тяг от среднего положения. При совпадении величин ф_ОПТ и φ_ИЗМ сравнивающее устройство выдает сигнал x(t), поступающий на вход командного устройства 19, основу которого представляет релейная система с зоной нечувствительности и отрицательным гистерезисом (Цыпкин, Я.З. Релейные автоматические системы. / Я.З.Цыпкин - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1974. - 576 с). Характеристика релейной системы Ф(φ) показана на фиг.3 и описывается выражением:

где С - амплитуда управляющего сигнала, φ_Опт - вычисленный оптимальный угол отклонения поперечных тяг от среднего положения, φ′ - угол, на который по инерции отклоняются поперечные тяги в течение времени, затрачиваемого на переключение поворотных лопаток, sign() - функция, возвращающая знак аргумента.

Управляющее воздействие u(t), форма которого показана на фиг.4, с выхода командного устройства поступает на электропривод 20. U - амплитуда управляющего воздействия.

Зубчатое колесо, насаженное на выходной вал электропривода, связано цепной передачей с зубчатыми колесами (не показано), посаженными на нижние оси поворотных лопаток 2 (фиг.1). Вращение вала электропривода в направлении, определяемом командным устройством, осуществляет переключение поворотных лопаток в требуемые моменты времени.

Таким образом, изобретение позволяет существенно повысить энергоотдачу ветроэнергетической установки в условиях случайно изменяющихся скорости воздушного потока и нагрузки на электрогенератор.

Ветроэнергетическая установка, содержащая горизонтальную опорную поверхность, вертикально закрепленный на ней вал, переднюю и заднюю поперечные тяги, боковые продольные тяги, на которых вертикально закреплены опорные рамы, в которых установлены на вертикальных осях поворотные лопатки, среднюю продольную тягу, флюгер, механизм преобразования вращения и электрогенератор, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство управления, состоящее из датчика скорости ветра, датчика нагрузки электрогенератора, датчика текущего угла отклонения поперечных тяг от среднего положения, вычислителя оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения, сравнивающего устройства, релейного устройства и электропривода, причем входы вычислителя оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения соединены с выходами датчиков скорости ветра и нагрузки электрогенератора, входы сравнивающего устройства электрически соединены соответственно с выходом датчика текущего угла отклонения поперечных тяг от среднего положения и выходом вычислителя оптимального угла отклонения поперечных тяг от среднего положения, выход сравнивающего устройства электрически соединен с входом релейного устройства, выход релейного устройства электрически соединен с электроприводом.