Вітроенергетична установка

1. Ветроэнергетическая установка, содержа щая башню, установленный на ней ветродвига тель, кинематически связанный с насосом, кото рый гидравлически соединен с гидромотором, ус тановленным параллельно гидромотору клапаном давления и гидробаком, а гакже генератор, датчик скорости и двухпозиционный гидрораспределигель, отличающаяся тем, что она снабжена регу лятором расхода, который установлен параллель но с двухпозиционным гидрораспределителем в Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для получения электрической энергии от энергии ветра. Известны ветроэнергетические установки, содержащие башню, установленный на ней ветродвигатель в виде ветрового колеса, кинематически связанный с генератором и датчиком скорости ветроколеса [1,2] сливной гидролинии гидромотора, кинематически связанного с генератором, причем датчик скорости кинематически связан с генератором, а функционально через релейный элемент - с органом управления гидрораспределителя. 2. Ветроэнергетическая установка по п. 1, отли чающаяся тем, что она снабжена вторыми гидро мотором, кинематически связанным с ним генера тором, двухпозиционным гидрораспределителем, регулятором расхода, а также датчиком давления и дросселем, насос через второй гидрораспреде литель соединен со вторым пдцромогором, в сливной гидролинии которого установлен второй регулятор расхода, а в сливной гидролинни кла пана давления установлен датчик давления и дроссель, причем датчик давления, выполненный в виде реле давления, через последовательно ус тановленные логические элементы ИЛИ и И свя зан с органом управления второго гидрораспре делителя, а со вторыми входами этих элементов соответственно связаны выходы логического эле мента И и релейного элемента датчика скорости. 3. Ветроэнергетическая установка по п.2, отли чающаяся тем, что она снабжена третьими гид ромотором, кинематически связанным с ним гене ратором, двухпозиционным гидрораспределите лем и регулятором расхода, насос через третий гидрораспределитель соединен с третьим гидро мотором, в сливной гидролинии которого услановлен третий регулятор расхода, причем датчик давления через последовагельно установленные элемент задержки, вторые логические элементы ИЛИ и И связан с органом управления третьего гидро распределителя, а вторые входы этих логи ческих элементов связаны соответственно с вы ходами второго логического элемента И и релей ного элемента датчика скорости. Недостатком известных технических решений является их низкая надежность и безопасность в работе из-за возможного выхода их из строя, отрыва лопастей при сильном и ураганном ветре, Известна ветроэнергетическая установка, содержащая башню, установленный на ней ветродвигатель в виде ветрового колеса, кинематически связанный с датчиком скорости, генератором, компрессором и насосом, а насос гидравлически О in со 00 СМ 27865 связан с гидромотором, предохранительным клапаном и гидробаком, причем гидромотор кинематически связан с насосом, питающим систему орошения [3]. Недостатком известного технического решения является низкая надежность, безопасность работы установки, вызванная возможностью выхода из строя установки при сильном ветре, а также нестабильность электрических выходных параметров генератора, обусловленная зависимостью частоты вращения генератора от силы ветра. Известна ветроэнергетическая установка, содержащая башню, установленный на ней ветродвигатель, выполненный в виде ветроколеса и кинематически соединенный с насосом, а насос гидравлически соединен с гидроцилиндром изменения угла атаки лопастей ветроколеса, гидробаком, а через регулируемый дроссель с гидромотором, который кинематически связан с насосом для подачи воды [4]. Недостатком известного технического решения является сложность и низкая надежность работы системы стабилизации частоты вращения насоса за счет изменения угла атаки лопастей при изменении силы ветра. Наиболее близким техническим решением (прототипом) является ветроэнергетическая установка, содержащая башню, установленный на ней ветродвигатель, кинематически связанный с насосом, который гидравлически соединен с гидромотором, установленным параллельно гидромотору предохранительным клапаном и гидробаком, а также генератор, датчик скорости и двухпозиционный гидрораспределитель, причем ветродвигатель выполнен в виде ветрового колеса, вертикальный вал кинематически связан с генератором и датчиком скорости ветроколеса, гидромотор кинематически связан с насосом подачи воды в бак, двухпозиционный гидрораспределитель установлен в гидролинии разгрузки предохранительного клапана, а его орган управления через логический блок связан с датчиками уровня воды в баке [5]. Недостатком известного технического решения является зависимость частоты вращения генератора ветроустановки от скорости ветра, вызывающая нестабильность выходных электрических параметров (например, частоты переменного тока) генератора, так как с изменением скорости ветра повышается частота вращения ветроколеса, а, следовательно, частота переменного тока генератора. Задачей изобретения является получение от ветроэнергетической установки электрической энергии со стабильной частотой переменного тока, вырабатываемого генераторами, и увеличение отбираемой от установки мощности при увеличении силы ветра за счет ступенчатого автоматического подключения генераторов, стабильный режим работы которых обеспечивается предложенным в изобретении гидроприводом, а автоматизация переключения - предложенной в изобретении логической системой управления. Эта задача решается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая башню, установленный на ней ветродвигатель, кинематически связанный с насосом, который гидравлически соединен с гидромотором, установленным параллельно гидромотору клапаном давления и гидробаком, а также генератор, датчик скорости и двухпозиционный гидрораспределитель, согласно предлагаемому техническому решению, снабжена регулятором расхода, который установлен параллельно с двухпозиционным гидрораспределителем в сливной гидролинии гидромотора, кинематически связанного с генератором, причем датчик скорости кинематически связан с генератором, а функционально - с органом управления ги д рорасп редел ител я. Установка может быть снабжена вторым гидромотором, кинематически связанным с ним генератором, двухпозиционным гидрораспределителем, регулятором расхода, датчиком давления и дросселем, насос через второй гидрораспределитель соединен со вторым гидромотором, в сливной гидролинии которого установлен второй регулятор расхода, а в сливной гидролинии клапана давления установлены датчик давления и дроссель, причем датчик давления, выполненный в виде реле давления, через последовательно установленные логические элементы ИЛИ и И связан с органом управления второго гидрораспределителя, а со вторыми входами этих элементов соответственно связаны выход логического элемента И и датчик скорости. Установка также может быть снабжена третьими гидромотором, кинематически связанным с ним генератором, двухпоэиционным гидрораспределителем и регулятором расхода, насос через третий гидрораспределитель соединен с третьим гидромотором, в сливной гидролинии которого установлен третий регулятор расхода, причем датчик давления через последовательно установленные элемент задержки, вторые логические элементы ИЛИ и И связан с органом управления третьего гидрораспределителя, а вторые входы этих логических элементов связаны соответственно с выходом второго логического элемента И и датчиком скорости. В установке ветродвигатель может быть выполнен в виде роторного ветродвигателя (ветродвигателя Савониуса). Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая ветросиловая установка отличается наличием новых элементов, связей и, таким образом, соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение предлагаемого технического решения с другими техническими решениями показывает, что ветроэнергетические установки сами по себе известны. Однако снабжение установки регуляторами расхода, двухпозиционными гидрораспределителями, дополнительными гидромоторами, соединенными с генераторами, установка параллельно в сливной гидролинии первого гидромотора регулятора потока и двухпозиционного гидрораспределителя, в нагнетательных гидролиниях остальных гидромоторов двухпозиционных гидрораспределителей, а в сливной гидролинии предохранительного клапана, дросселя и датчика давления, выполненного в виде реле давления, связь датчика скорости с генератором, органов управления гид рорасп редел ител ей, с датчиками скорости и давления через логические блоки, 27865 включающие логические элементы И, ИЛИ с подачей на вход последних сигналов с органов управления гидрораспределигелей, ступенчатое подключение и отключение гидродвигателей с генераторами в зависимости от силы ветра при одновременной стабилизации частоты вращения генераторов за счет установки регуляторов расхода, обеспечивающих постоянный расход независимо от нагрузки, позволяют сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение явным образом не следует из уровня техники и может найти промышленную применимость с положительным эффектом, заключающимся в повышении надежности, безопасности работы и стабильности частоты вращения генераторов ветроэнергетической установки. На чертеже представлена принципиальная схема ветроэнергетической установки. Установка содержит башню I, установленный на ней ветродвигатель 2, кинематически связанный вертикальным валом 3 через редуктор 4, и муфту, снабженную фиксатором 5, с насосом 6. В нагнетательной гидролинии 7 насоса параллельно установлены клапан 8 давления и гидромотор 9. Насос 6, клапан 8 давления и гидромотор 9 гидравлически связаны с гидробаком 10. Установка содержит также генератор 11, датчик 12 скорости и двухпозиционный гидрораспределитель 13. Установка снабжена регулятором 14 расхода, регулятор 14 и гидрораспределитель 13 установлены параллельно в сливную гидролинию 15 гидромотора 9, который кинематически связан с генератором 11. Датчик 12 скорости кинематически связан с генератором 11, а функционально через релейный элемент 16 с органом 17 управления гидрораспределителя 13. Установка может быть снабжена гидромотором 18, кинематически свя- занным с ним генератором 19, двухпозиционным гидрораспределителем 20, регулятором 21 расхода, датчиком 22 давления и дросселем 23. Датчик 22 давления, выполненный в виде реле давления, через последовательно установленные логические элементы ИЛИ 26 и И 27 связан о органом 28 управления гидрораспределителя 20, а со вторыми входами этих элементов связаны соответственно выход элемента И 27 и релейный элемент 16. Установка также может быть снабжена гидромотором29,кинематически связанным с генератором 30, двухпозиционным гидрораспределителем 31, регулятором 32 расхода. Насос 6 нагнетательной линией 7 через гидрораспределитель 31 соединен с гидромотором 29, в сливной гидролинии 33 которого установлен регулятор 32 расхода. Датчик 22 давления через последовательно установленные элемент 34 задержки, логический элементы ИЛИ 35 и И 36 связан с органом 37 управления гидрораспределителя 31, в вторые входы этих логических элементов соответственно связаны с выходом элемента И 36 и релейным элементом 16. Ветродвигатель установки может быть выполнен в виде роторного ветродвигателя - ветродвигателя Савониуса [6]. Генераторы 11,19,30 через электропереключатели 38,39,40 линиями 41 и 42 могут быть связаны с потребителем электроэнергии или элект росетью (на чертеже не показано). Органы 17,28,37 управления гидрораспределителями 13, 20, 31 могут быть выполнены в виде электромагнитов. Фиксатор 5 может быть выполнен в виде штыря, входящего в отверстие муфты, ленточного или колодочного тормоза. Элемент 34 задержки может быть выполнен стандартным, например, в виде реле времени. Логические элементы ИЛИ 26,35, И 27,36 также могут быть выбраны стандартными и выполнены электрическими [7]. При необходимости ветроэнергетическая установка может быть снабжена дополнительными блоками, аналогичными дополнительному блоку, содержащему гидромотор 29, гидрораспределитель 31, регулятор 32 расхода, генератор 30, электропереключатель 40, элемент 34 задержки, логические элементы ИЛИ 35 и И 36, каждый из которых соединен с ветроэнергетической установкой, а его элементы связаны между собой так же, как это показано в п.З формулы изобретения. Вся гидроаппаратура может быть выбрана стандартной [8,9]. На выходе релейного элемента 16, датчика 22 давления, логических элементов ИЛИ 26, И 27, элемента 34 задержки, логических элементов И 36, ИЛИ 35 вырабатываются сигналы Хі ,Хг ,Уі >Уг ,Уз ,У4, Z , которые могут иметь два уровня значений 0 и 1. Логические элементы ИЛИ 26,35, И 27,36 выполняют операции одноименных логических функций. Таблицы их состояний приведены в таблицах 1 и 2. Таблица I. Логическая функция ИЛИ. № элемента 26 35 Входные сигналы х2 Уз 0 1 0 1 Уа Ул 0 0 1 1 У, Z 0 1 1 1 Выходные сигналы Таблица 2. Логическая функция И. № элемента 27 36 Входные сигналы Хі Хі 0 1 0 1 Уі z 0 0 1 1 У4 0 0 0 1 Выходной Уг сигнал Элемент 34 задержки задерживает поступающий к нему входной сигнал на время ti задержки. Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. 27865 При очень слабом ветре оператор освобождает фиксатор 5. Роторный ветродвигатель через вертикальный вал 3 и редуктор 4 начинает медленно вращать вал насоса 6. Рабочая жидкость от насоса по гидропинии 7 поступает в гидромотор 9. Поскольку частота вращения гидромотора 9 и генератора 11 ниже номинальной, сигнал на выходе релейного элемента 16 Хі=0, гидрораспределитель 13 установлен в левую по чертежу позицию, в результате чего рабочая жидкость из гидромотора 9 по сливной гидролинии 15 свободно через открытый гидрораспределитель 13 отводится в гидробакЮ. При слабом ветре частота вращения ветродвигателя 2 и насоса 6 возрастает. Увеличивается частота вращения гидромотора 9, генератора 11, в результате чего сигнал на выходе релейного элемента 16 Х-|=1 поступает к органу 17 управления гидрораспределителя 13, который переключает его в правую по чертежу позицию, рабочая жидкость из гидромотора 9 по линии 15 через регулятор 14 расхода поступает в гидробак 10, в результате чего генератор 11 работает при номинальной частоте вращения. Электроэнергия с заданными параметрами в зависимости от положения переключателя 38 поступает к потребителю по линии 40 или в сеть по линии 42. При среднем ветре подача насоса 6 увеличивается. Открывается клапан 8 давления и избыток рабочей жидкости по гидролинии 25 через дроссель 23 поступает в гидробак 10. Благодаря дросселю поднимается давление в гидролинии 25. Замыкаются контакты датчика 22 давления и сигнал Хг=1 поступает к логическому элементу ИЛИ 26. На вход логического элемента И 27 поступают сигналы Уі =1 (см. табл.1) и Хі=1. Сигнал Уг =1 (см. табл.2) поступает к органу 28 управления гидрораспределителя 20, который переключает его в верхнюю по чертежу позицию. Рабочая жидкость от насоса 6 по гидролинии 7 поступает к гидромотору 18. Гидромотор приводит в движение генератор 19, а его номинальная частота вращения поддерживается за счет установки в сливную гидролинию 24 регулятора 21 расхода. После начала вращения гидромотора 18 клапан 8 давления частично или полностью закрывается. Давление в сливной гидролинии 25 падает. Размыкаются контакты датчика 22 давления и сигнал Хг=0. Однако сигнал Уг =1 поступает на второй вход логического элемента ИЛИ 26, сигнал Уі =1 (см. таблицу I) и электроэнергия от генераторов 11 и 19 с заданными электрическими параметрами через переключатели 38, 39 поступает по линиям 41 к потребителю или 42 в сеть. При сильном ветре подача насоса 6 увеличивается. Открывается клапан 8 давления, поднимается давление в сливной гидролинии 25, замыкаются контакты датчика 22 давления и сигнал Х2=1 поступает к элементу 34 задержки, время t-t задержки которого больше времени достижения гидромотором 18 заданной частоты вращения. Через время ti сигнал У3=1 подводится к логическому элементу ИЛИ 35. Сигнал Z=1 {см. табл.1) подводится к логическому элементу И 36. Сигнал У4=1 (см. табл.2) подводится к органу 36 управления гидрораспределителя 31, который переключает его в верхнюю по чертежу позицию. Рабочая жидкость по нагнетательной гидролинии 7 подводится к гидромотору 29, который приводит во вращение генератор 30. Номинальная частота вращения генератора обеспечивается за счет установки в сливную гидролинию 33 гидромотора 29 регулятора 32 расхода. При достижении генератором 30 номинальной частоты вращения клапан 8 давления частично или полностью закрывается. Давление в сливной гидролинии 25 падает. Контакты датчика 22 давления размыкаются и сигнал Хг=0 подводится к элементу 34 задержки. Через время ti сигнал У3=0 поступает к логическому элементу ИЛИ 35. Но поскольку на его втором входе сигнал У4 =1, сигнала Z =1 (см. табл. 1), У4 =1 (см. табл.2) и три генератора 11,19 и 30 подают электроэнергию с заданными электрическими параметрами к потребителю или в сеть. Как указывалось выше, к установке могут быть подключены еще блоки, содержащие гидромоторы, генераторы, гидрораспределители, регуляторы скорости, элементы задержки, логические элементы ИЛИ, И, включенные между собой, как элементы поэ. 29,30,31,32,34,35,36. В этом случае по мере увеличения ветра будет поочередно включаться в работу каждый последующий блок, а время іг задержки элемента задержки первого дополнительного блока должно быть больше времени достижения номинальных оборотов генератором 30 и т.д. По мере уменьшения силы ветра уменьшится частота вращения генератора 11, сигнал на выходе репейного элемента 16 Х^ =0 поступает на вход логических элементов И 27 и 36, сигналы Уг= Ул = 0 (см. табл.2) поступят к органам 28,37 управления гидрораспределителей 20 и 31, которые перекроют напорные гидролинии 7 гидромоторов 18 и 29. Эти гидромоторы остановятся. Генератор 11 вновь достигнет стабильной частоты вращения, Xi=1. Откроется клапан 8 давления и Хг-1. Гидрораспределитель 20 вновь переключится в верхнюю по чертежу позицию, в результате чего генераторы 11 и 19 обеспечат подачу электроэнергии с заданными параметрами в сеть или к потребителю. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получать от ветродвигателя электроэнергию с заданными электрическими параметрами без установки в электросеть после генератора сложных электрических приборов (преобразователей частоты и пр.). Здесь обеспечивается увеличение отбираемой от установки мощности при увеличении силы ветра за счет ступенчатого автоматического подключения генераторов, стабильный режим работы которых обеспечивается гидроприводом, а автоматизация переключения - логической системой управления. Простота и надежность роторного ветродвигателя - ветродвигателя Савониуса (не нужна установка на ветер, нет конической передачи с головкой, не нужно устанавливать и автоматически регулировать угол атаки лопастей, нет опасности отрыва лопастей и возможность работы при сильном ветре) обуславливает простоту и надежность работы всей ветроэнергетической установки. 4 4 27865 27865 \ I ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Бульв. Лесі Українки, 26, Київ, 01133, Україна (044) 254-42-30, 295-61-97 Підписано до ДРУКУ 6 p. Формат 60x84 1/8. д д p р Обсяг с? 62 обл.-вид арк. Тираж 50 прим. Зам. УкріНТЕІ Бул. Горького, 180, Київ, 03680 МСП, Україна (044) 268-25-22 34F