Спосіб випробування вітроенергетичної установки

Реферат: Спосіб випробування вітроенергетичної установки (ВЕУ) полягає в тому, що спарені повномасштабні ВЕУ однакового типу встановлюють на спільному майданчику, при цьому одну з установок використовують як еталонну, не змінюючи її конструкції, а іншу, досліджувану, як таку, що модифікується. Досліджувану ВЕУ встановлюють стаціонарно, а еталонну використовують в мобільному виконанні. Обидві ВЕУ розміщують на мінімальній відстані одна від одної, при якій вони взаємно не затінюють вітроколеса. Потім проводять синхронний запуск установок і оцінку ефективності роботи досліджуваної ВЕУ шляхом диференціального порівняння вихідних потужностей (струмів), що виробляються генераторами обох установок. Потім проводять поетапне модифікування вітроколеса досліджуваної ВЕУ і після кожної зміни повторюють запуск і випробування за однаковою програмою. За однотипними випробуваннями отримують роздільну статистику по всьому спектру змін характерних сезонних метеоумов, а також по всіх румбах вітрових фронтів. Складену інформаційну базу оптимізують по сезонах, виготовляючи для кожного сезону своє вітроколесо, яке дає максимальну продуктивність, причому максимальне доведення отримує одне вітроколесо, уніфіковане по повній карті вітрів. Одержану адаптовану модифікацію ВЕУ запускають в серію для комплектації цілого енергопарку, розміщуваного на майданчику, де проводилися випробування, а еталонну ВЕУ переміщають на місця закладки інших енергопідприємств з іншими регіональними особливостями поведінки вітрів і структурою їх течій. UA 106656 C2 (12) UA 106656 C2 UA 106656 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області енергетики, а саме до способів випробувань вітроустановок, що розробляються для забезпечення електроенергією споживачів, розташованих в регіонах з складним рельєфом місцевості. Якість реального вітрового потоку залежить від рельєфу місцевості (орографії), румбу вітрового тиску та погодних умов (вогкості повітря, температури, типу опадів). Під якістю потоку, в першу чергу, мається на увазі тип і ступінь його турбулізації, тобто насиченість дрібномасштабними вихоровими утвореннями, а також вірогідність появи великомасштабних турбулентностей, збуджених великими об'єктами, розташованими на місцевості із сторони надходження фронту. До характеристик якості належать також стійкість швидкісного натиску, рискання градієнта тиску (зміна швидкості і напряму в різних струменях і шарах), поривчастість вітру. Інтегральний структурний стан потоку є його якісною характеристикою, яка виражає не енергетичний потенціал, а можливий результат енергоперетворення, який для кожного робочого органу ВЕУ конкретного типу, експлуатованої в конкретній місцевості дещо приблизно виражається в показнику КВЕВ (коефіцієнті використання енергії вітру). Комп'ютерне моделювання процесів, що протікають на роторі ВЕУ, яке дає достатньо достовірну інформацію, придатну для прийняття конструкторських рішень, бере за похідну ситуацію ідеальний (ламінарний) стан набігаючого потоку. Турбулентні потоки не прораховуються через невизначеність і структурну складність початкових умов. Тому робочі органи ВЕУ проходять стадію стендових випробувань в аеродинамічних трубах. Проте в них неможливо моделювати потік заданої якості. Він залежить від випадковостей конструкції стенда і не варіюється. Поява крупних енергокомплексів типу полів ВЕУ, вітропарків, енергопарків, і, особливо, промислових енергопарків, робить все більш актуальною проблему максимальної адаптації ВЕУ до локальної якості повітряних течій. Особливу гостроту цей параметр набуває для промислових енергопарків, унаслідок того, що в цих типах енергопарків самі промислові корпуси і службові споруди використовуються як опори, ВЕУ встановлюються в штучних концентраторах енергії вітру - в просторах між спорудами, або просто на будь-яких вільних майданчиках на території підприємств. Нове покоління малошумних ВЕУ, встановлюваних прямо на стінах або дахах житлових будинків, використовує потоки зі структурою непередбачуваної складності. Оскільки від структури потоку в помітному ступені залежать режимні відхилення, то всі ці обставини сучасного стану вітроенергетики ставлять задачу модифікації ВЕУ під конкретні потоки місцевої якості. Ця задача в задовільному ступені може бути вирішена тільки експериментальними способами в натурних умовах. Дотепер таких розробок робилося відносно небагато. Так, відомий пристрій для аеродинамічних випробувань моделей вітроустановок за а.с. № 5 1209920 МПК F03D 9/00, G01M 9/00, автори В.М. Ляхтер, П.Г. Колокольцев, И.И. Ильиных і О.Б. Борский, Куйбишевській філіал Всесоюзного ордена Леніна проектно-дослідницького і науководослідного інституту "Гідропроект" ім. С.Я. Жука, пріоритет від 15.02.84, опубл. 07.02.86, Бюл. № 5. Пристрій містить встановлену на транспортному засобі модель вітроустановки і контрольновимірювальні прилади з датчиками. Додатково містить розташований під моделлю майданчик, встановлений на транспортному засобі з можливістю переміщення у вертикальному напрямі і оснащений направляючими. Крім того, (згідно з п. 2) вона забезпечена ємкістю, наповненою рідиною і гранулами більш легкого, ніж вода, матеріалу (для імітації граду, снігу, дощу…), і сопло, встановлене на майданчику і сполучене з ємкістю (для імітації атмосферних опадів). До недоліків аналога можна віднести неповноту одержуваних даних про роботу ВЕУ. Імітується тільки швидкість потоку без урахування його структури, характерної для місця установки пристрою. Найближчим до того, що заявляється, технічним рішенням, узятим як прототип, є спосіб 5 випробування вітроелектричної установки за а.с. № 1828943, МПК F03D 9/00, В.И. Валенко, Інститут електродинаміки АН УРСР, пріоритет від 22.05.89, опубл. 23.07.93, Бюл. № 27. Спосіб полягає в тому, що вітроустановку, яка містить вітродвигун з генератором і механічною передачею, встановлену на вимірювальній опорі, розміщують на автомобільному причепі. Верхня частина опори сполучена із засобом вимірювання швидкості вітру і шарнірно сполучена з підвісом, вільний кінець якого прикріплений до вітродвигуна. Вал вітроколеса оснащений датчиком кутової швидкості, а підвіс сполучений нерухомо з опорою за допомогою датчика сили. Генератор сполучений з регульованим навантаженням. Спосіб реалізується наступним чином. Причеп за допомогою автомобільного тягача переміщають із швидкістю, яка дорівнює середньорічної швидкості вітру в передбачуваному місці експлуатації ВЕУ. При цьому вітроколесо відключають від генератора і заміряють синхронну частоту обертання. Потім сполучають вітроколесо з генератором з вибраним передавальним відношенням вузла 1 UA 106656 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 передачі, переміщають причеп і вимірюють електричне навантаження генератора та визначають найбільшу потужність останнього, вимірюючи при цьому частоту обертання вітроколеса. До недоліків винаходу можна віднести те, що досліджуються технічні характеристики ВЕУ без урахування особливостей процесів вітроприйому. При швидкості руху, рівній середній швидкості вітру в даному регіоні, встановлюється оптимальна частота обертання вітроколеса, при якому вихідна потужність генератора максимальна. При цьому не враховується реальна якість вітрового потоку в місці монтажу установки. Крім того, інформація, одержувана у випробуваннях, використовується для оптимізації кінематики установки, а не для оптимізації вітроприймального органу. В основу винаходу поставлена задача розробки способу збільшення ефективності ВЕУ шляхом адаптації її конструкції до місцевої якості вітрових потоків, а також підвищення достовірності одержуваної інформації шляхом використання еталонної установки. Поставлена задача вирішується тим, що замість імітаційної використовується натурна методика, для чого спарені повномасштабні ВЕУ однакового типу встановлюють на спільному майданчику, при цьому одну з установок використовують як еталонну, не змінюючи її конструкції, а іншу (досліджувану), як таку, що модифікується, досліджувана ВЕУ встановлюється стаціонарно, а еталонна використовується в мобільному виконанні, обидва ВЕУ розміщують на мінімальній відстані одна від одної, при якій вони взаємно не затінюють вітроколеса, потім проводять синхронний запуск установок і оцінку ефективності роботи досліджуваної ВЕУ шляхом диференціального порівняння вихідних потужностей (струмів), що виробляються генераторами обох установок, потім проводять поетапне модифікування вітроколеса досліджуваної ВЕУ і після кожної зміни повторюють запуск і випробування за однаковою програмою, однотипні випробування дають роздільну статистику по всьому спектру змін характерних сезонних метеоумов, а також по всіх румбах вітрових фронтів, складену інформаційну базу оптимізують по сезонах, виготовляючи для кожного сезону (якщо це необхідно) своє вітроколесо, яке дає максимальну продуктивність, причому в спрощеному варіанті максимальне доведення отримує одне вітроколесо, уніфіковане по повній карті вітрів, одержана адаптована модифікація ВЕУ може бути запущена в серію для комплектації цілого енергопарку, розміщуваного на майданчику, де проводилися випробування, а еталонну ВЕУ переміщають на місця закладки інших енергопідприємств з іншими регіональними особливостями поведінки вітрів і структурою їх течій. Проведемо аналіз відповідності відмінних ознак поставленій меті. Перевага способу, що патентується, полягає в тому, що ідеально сконструйована ВЕУ, розроблена при опорі на інформацію, отриману в аеродинамічній трубі, або в імітаторі умов (як в прототипі) може недостатньо ефективно працювати в реальному некондиційному вітровому потоці, який формують в місці експлуатації рельєф місцевості та метеоумови. Для цього в точці передбачуваного місця експлуатації проводяться натурні доведення конструкції ВЕУ з використанням еталонної ВЕУ для збереження базових параметрів. Спосіб, що патентується, дає можливість використовувати набагато більше конструктивних прийомів для зміни конструкції досліджуваної ВЕУ. Якщо в прототипі зміні підлягає тільки кінематичний вузол, то в установці, що патентується варіюється форма вітроколеса - ступінь крутки, вид профілізації і т.ін. Крім того, допускається використання різноманітної аероарматури: накладок, наконечників, насадок, топологічних пасток для вітру, конфузорних обрамлень та інших концентраторів потоку. За підсумками випробувань, проведених способом, що патентується, можна отримати не ідеальну ВЕУ, а ідеально адаптовану ВЕУ, здатну показувати максимально ефективну роботу в повітряних потоках із складною структурою (типу загальної турбулізації). Рентабельність способу, що патентується, вище, ніж у стендових (в аеродинамічних трубах) або імітаційних способів. І хоча ці випробування забирають більше часу, ніж ті, що протиставлені, але одержувана точність адаптації під місцеві умови виправдовує витрати. Спарені для випробувань ВЕУ є в деякому роді натурною стендовою конструкцією, в якій еталонна ВЕУ дублює досліджувану. Крім того в ній скасовані датчики численних технічних параметрів, реєструюча апаратура, складна система управління. Таким чином, складність конструкції менше, ніж у прототипі. Відповідно спрощеним є і сам спосіб. Він заснований на обліку мінімуму даних, керуючись тільки показником величини струму або вихідної потужності. Простота оцінних операцій дає, проте, більш інформативні результати, оскільки в даній постановці задачі значущими є тільки коливання відносності облікових величин. В цьому значенні спосіб випробувань, що патентується, гарантує більшу точність, як в порівнянні з прототипом, так і з аналогом. В частині достовірності одержаних результатів він суттєво 2 UA 106656 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 перевершує їх, оскільки не імітує умов експлуатації, а реально випробовує вплив існуючих природних умов. Адаптація одиничної ВЕУ, проведена заявленим способом, це не остання операція в багатоходовому технологічному ланцюгу. Установка береться як зразковий шаблон для серійного виробництва партії ВЕУ для формування енергопарку. В той час, як спосіб-прототип дає можливість провести тільки режимну корекцію однієї установки і тільки по одному внутрішньому параметру. Суть винаходу, що заявляється, не слідує для фахівців явним чином з відомого розділу техніки. Сукупність ознак, які характеризують відомий спосіб, не забезпечує появи нових властивостей і лише наявність відмітних ознак дає можливість одержати новий технічний результат. Критерій "промислове впровадження" підтверджується простотою здійснення заявленого способу випробувань, для чого можуть бути використані ВЕУ будь-яких типів, якими забезпечуються вітропарки. Спосіб, що заявляється, здійснюється наступним чином. Замість імітаційної використовується методика прямої утилізації енергії повітряних мас. Випробування проводять із залученням одночасно двох ВЕУ однакового типу. Одну з установок використовують як еталонну, не змінюючи її конструкції, іншу - як досліджувану. Досліджувана ВЕУ встановлюється стаціонарно на фундаменті, а еталонна використовується в мобільному виконанні, на опорі, здатній переміщатися буксируванням або за допомогою незалежного приводу. Мобільність еталонної ВЕУ дає можливість не тільки багаторазово використовувати її в різних регіонах в тій же якості. Випробування, що проводяться для вітрів всіх напрямів для даного майданчика, можуть мати мертві зони, коли одна установка потрапляє в аеродинамічний слід іншої. Рухливість однієї з них дозволяє змінювати їх відносне місцеположення і попереджати утворення мертвих зон для вимірювань. Обидві ВЕУ встановлюють на мінімальній відстані одну від одної, в позиції, при якій вони не затінюють вітроколеса (для вітру, що актуально використовується) і не погіршують якості струменів. Потім приводять установки в дію одночасно, причому оцінку ефективності роботи досліджуваної ВЕУ проводять без використання різноманітних засобів вимірювань окремих функціональних характеристик, а шляхом диференціального порівняння вихідних потужностей (або струмів), що виробляються генераторами обох установок, тобто - єдиного параметра, узятого у відносній формі. Для цього крутильний момент від кожного вітроколеса подають за допомогою трансмісійного вала на електрогенератори, розміщені на ВЕУ. Вихідна потужність кожного генератора надходить на управляючу систему, де порівнюється. Причому інформативною є відношення потужностей, а не їх номінальне значення. В підготовчому циклі випробувань набирають початкову статистику випадкових коливань зовнішніх чинників. Потім проводять поетапну модифікацію вітроколеса досліджуваної ВЕУ. Після кожної зміни конструкції вітроколеса (варіювання кута атаки, ширини лопатей, приємистості і т.і. при стабільній площі перетину захвату потоку) проводять новий цикл випробувань. Статистика набирається по всьому спектру змін характерних сезонних станів (виключаючи випадкові флуктуації), а також по всіх румбах вітрових фронтів. Накопичення малих конструктивних змін дає в результаті оптимальне для даних умов експлуатації вітроколесо. Складену базу оптимізують по сезонах, виготовляючи для кожного сезону своє вітроколесо, яке дає максимальну продуктивність по повній карті вітрів. Одержана адаптована модифікація ВЕУ може бути запущена в серію для комплектації ВЕУ цілого енергопарку, розміщеного на майданчику, де проводилися випробування. А еталонна ВЕУ транспортується на місця закладки інших енергопідприємств з іншими регіональними особливостями поведінки вітрів і іншою структурою течій. Таким чином, суттю технічного рішення є розробка такого методу модифікування універсальних ВЕУ, результатом якого є отримання ВЕУ, пристосованих для ефективної роботи тільки у конкретній місцевості з унікальною орографією. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Спосіб випробування вітроенергетичної установки (ВЕУ), який полягає в тому, що її поміщають в умови, близькі до експлуатаційних, оснащують системою вимірювання технічних і енергетичних параметрів і на базі одержаної інформації проводять зміни в конструкції, який відрізняється тим, що використовується натурна методика, для чого спарені повномасштабні ВЕУ однакового типу встановлюють на спільному майданчику, при цьому одну з установок 3 UA 106656 C2 5 10 15 використовують як еталонну, не змінюючи її конструкції, а іншу, досліджувану, як таку, що модифікується, досліджувану ВЕУ встановлюють стаціонарно, а еталонну використовують в мобільному виконанні, обидві ВЕУ розміщують на мінімальній відстані одна від одної, при якій вони взаємно не затінюють вітроколеса, потім проводять синхронний запуск установок і оцінку ефективності роботи досліджуваної ВЕУ шляхом диференціального порівняння вихідних потужностей (струмів), що виробляються генераторами обох установок, потім проводять поетапне модифікування вітроколеса досліджуваної ВЕУ і після кожної зміни повторюють запуск і випробування за однаковою програмою, за однотипними випробуваннями отримують роздільну статистику по всьому спектру змін характерних сезонних метеоумов, а також по всіх румбах вітрових фронтів, складену інформаційну базу оптимізують по сезонах, виготовляючи для кожного сезону своє вітроколесо, яке дає максимальну продуктивність, причому максимальне доведення отримує одне вітроколесо, уніфіковане по повній карті вітрів, одержану адаптовану модифікацію ВЕУ запускають в серію для комплектації цілого енергопарку, розміщуваного на майданчику, де проводилися випробування, а еталонну ВЕУ переміщають на місця закладки інших енергопідприємств з іншими регіональними особливостями поведінки вітрів і структурою їх течій. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4