Пристрій для дослідження екологічного впливу на біоценоз акустичних і візуальних чинників, пов’язаних з роботою вітроустановки

Пристрій для дослідження екологічного впливу на біоценоз акустичних і візуальних чинників, пов'язаних з роботою вітроустановки, що містить 3 ВЕУ, як найбезпечніші в екологічному відношенні пристрої, з великою ефективністю використовуються на територіях, поставлених під державну охорону по екологічному параметру. В цих зонах більша кількість техногенних чинників відносять до розряду небажаних і підлягаючих обмеженню або нейтралізації. При установці в місцях поселення полохливих видів птахів і ссавців ці чинники можуть стати причиною міграцій місцевої фауни. Саме так йде справа в антарктичному та арктичному ареалах, заповідниках, заказниках та островах, які з'являються зонами перепочинку птахів під час сезонної міграції, а також заселених рідкісними тваринами. І цією обставиною продиктовані всі надзвичайні запобіжні засоби, які приймаються суспільством, і ті параметри тестування технічних пристроїв, які узаконені міжнародними угодами. Повномасштабна, повністю укомплектована ВЕУ є великогабаритним і масивним механізмом, доставка і монтаж якого в заполярних умовах обходяться недешево. Якщо його робота в ареалі базування має стресову дію на місцевих мешканців, то подальший демонтаж і повернення виробнику буде ще більш затратним. У результаті збитки можуть у кілька разів перевищити вартість самої установки. Через ці особливості комплекс робіт по розміщенню ВЕУ в охоронних зонах збільшується за рахунок додаткової процедури екологічної адаптації механізму у вибраному регіоні. Цих, та супутніх їм, втрат можна уникнути, застосувавши методику макетування, для чого створюється максимально спрощений макет ВЕУ, не здатний виконувати його робочі функції, але який продукує два найзначніші антропогенні чинники екологічного втручання в обстановку: акустичний фон характерного спектра і візуальне враження відповідного вигляду. Відомий спосіб випробування вітроелектричної установки і пристрій для його здійснення за а.с. № 1828943, МПК5 F03D 9/00, В.І. Валенко, Інститут електродинаміки АН УРСР, пріоритет від 22.05.89, опубл. 23.07.93, Бюл. № 27. Установка для здійснення способу складається з автомобільного причепа, опори, вітродвигуна з генератором і механічною передачею. 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 з'єднаний з регульованим навантаженням. Спосіб реалізується наступним чином. Причіп за допомогою автомобільного тягача переміщають із швидкістю, дорівнюючою середньорічній швидкості вітру в передбачуваному місці експлуатації ВЕУ. При цьому вітроколесо відключають від генератора і заміряють синхронну частоту обертання. Потім сполучають вітроколесо з генератором із вибраним передавальним відношенням, переміщають причіп і вимірюють електричне навантаження генератора та визначають найбільшу потужність останнього, фіксуючи при цьому частоту 94318 4 обертання вітроколеса. До недоліків винаходу можна віднести те, що досліджуються тільки технічні характеристики ВЕУ без урахування екологічної якості акустичного частотного спектра. Але частоти, випромінювані установкою, можуть бути патогенними, внаслідок чого ВЕУ неможливо буде встановити поблизу житла або в місцевостях мешкання домашніх або цінних диких тварин. Найближчим технічним рішенням, узятим як прототип, є відомий пристрій для аеродинамічних випробувань моделей вітроустановок за а. с. № 1209920 МПК5 F03D 9/00, G01М 9/00, авторів В.М. Ляхтер, П.Г. Колокольцев, И.И. Ільїних та О.Б. Борський, 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 розташовану під моделлю площадку, встановлену на транспортному засобі з можливістю переміщення у вертикальному напрямі і забезпечену напрямними. Крім того, (згідно з п.2) вона забезпечена ємкістю, наповненою рідиною і гранулами більш легкого, ніж вода матеріалу (для обваження набігаючого потоку і імітації граду, снігу...), і сопло, встановлене на площадці і сполучене з ємкістю (для імітації дощу). До недоліків прототипу можна віднести неповноту одержуваної інформації про роботу роторів ВЕУ. Імітується і досліджується на моделях тільки вплив на роботу пристроїв складних погодних умов і особливостей рельєфу місцевості, але не враховуються при цьому чинники зустрічного впливу роботи ВЕУ на стан навколишнього середовища. В основу винаходу поставлена задача підвищення економічності процедури екологічної адаптації вітроустановки на місцевості шляхом забезпечення за допомогою макета вітроустановки імітації акустичного фону в поєднанні з візуальною дією. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої для дослідження екологічного впливу на біоценоз акустичних і візуальних чинників, пов'язаних з роботою вітроустановки, що містить макет вітроустановки з горизонтальноосьовим ротором і контрольно-вимірювальні прилади з датчиками, пристосовані для установки на транспортних засобах, опора виконана у вигляді трубчастої стійки з розчалками, конструкція якої дає можливість швидкого монтажу і демонтажу, а також транспортування по регіону на будь-яких транспортних засобах, лопаті імітатора ротора виконані у вигляді махів зі встановленими на них трубчастими фальш-лопатями, на кінці яких нагвинчують знімні насадки, які відтворюють під час примусового обертання спектр акустичного фону, ідентичний спектру конкретної вітроустановки, а ротор укріплений на валу електродвигуна, який обертає ротор від стороннього джерела живлення через перетворювач частоти струму. Проведемо аналіз відповідності відмінних 5 ознак поставленій задачі. 1. Опора виконана у вигляді трубчастої стійки з розчалками, конструкція якої дає можливість швидкого монтажу і демонтажу, а також транспортування по регіону на будь-яких транспортних засобах. Опорі такої конструкції притаманна максимальна простота при високому рівні міцності та надійності. Для фіксації підстави стійки використовуються механічні властивості льоду при низьких температурах. Охолоджений до мінус 20-30 °С лід добре тримає навантаження (слабо тече під тиском). Враховуючи мінімізовану вагу пристрою установка макета прямо на лід (на обмежений час експерименту) технологічно виправдана. А простота монтажу і нескладність транспортування при цьому є параметрами, що не виходять за межі загальної політики максимального спрощення і здешевлення процесу введення експериментального пристрою в експлуатацію. Площа прямого тиску стійки на лід може бути збільшена за рахунок використання підп'ятника, а стійкість опори залежить від рознесення точок закріплення анкерів для розчалок і не має принципових обмежень. Елементарність конструкції опори дає можливість тимчасово використовувати труби необхідних габаритів з місцевого матеріально-технічного запасу, а не обов'язково доставляти їх з материка. 2. Лопаті імітатора ротора виконані у вигляді махів зі встановленими на них трубчастими фальш-лопатями, на кінці яких нагвинчують знімні насадки, які відтворюють під час примусового обертання спектр акустичного фону, ідентичний спектру конкретної вітроустановки. Імітатор забезпечений трубчастими лопатями, які закріплені на махах. Під час примусового обертання потік, що діє на лопаті, здобуває такі структурні особливості, які супроводжуються генерацією звукових коливань, тому що відрив вихорів енергією обтікаючих струменів йде в автоколивальному режимі. Різні точки лопатей мають різну лінійну швидкість, завдяки чому звукові хвилі мають різну частоту. Набір частот може в принципі відповідати робочим тонам реального ротора ВЕУ. У разі, якщо в експериментах стане зрозуміло, що імітатор не відображає повного акустичного спектра модельованої ВЕУ, використовують насадки, які нагвинчують на кінці трубчастих лопатей. Насадки змінюють спектр звукового фону. Кожний імітатор укомплектований набором насадок, спектр яких нормований по тих типах ВЕУ, які можуть бути встановлені на даній станції. Причому зміни наближають частотний набір до характеристичного спектра конкретних ВЕУ (фірм, типів, моделей). Насадки можуть бути забезпечені найпростішими турбулізаторами потоку типу виступів, канавок, інтерцепторів, та іншими нескладними конструктивними особливостями для збагачення спектра частот і корекції флуктуацій вихідних параметрів. Практична робота з ними в місцях майбутнього монтажу реальних ВЕУ дасть можливість одержати еталони звукового спектра з відфільтрованими суб'єктивно "патогенними" поєднаннями частот. При непередбачених змінах в програмі випробувань, беручи до уваги віддаленість району 94318 6 досліджень від заводів, технічні проблеми доставки, що занадто збільшують строк виконання заказу, профілі насадок, яких бракує, можуть бути виготовлені з льоду. Слід розділяти об'єктивно патогенну складову фону (інфразвук та ультразвук), відлякуючі смуги частот (незалежні від потужності) і порогові потужності всіх частотних смуг) вище за які вони викликають занепокоєння фауни. Одержати повний спектр можна і за допомогою тільки трубчастих фальш-лопатей (без насадок), але для цього двигун повинен забезпечити всі необхідні швидкості обертання імітатора. Якщо це неможливо внаслідок великого аеродинамічного опору імітатора (або для підстраховки), то слід мати комплект змінюваних насадок Для відтворення шумів зазвичай використовують електронні засоби імітації. Але в даному випадку вони багато чим поступаються макетним пристроям. Це обумовлено тим, що спектри і розподіл енергії по смугах частот залежать не тільки від аеродинамічних якостей робочих органів і опорних конструкцій, але змінюються залежно від фізичного стану атмосфери (вогкості, температури, в'язкості, ступеня турбулізації низової течії), а також від наявності атмосферних опадів, заметілі, налипання снігу. В цьому полягає суб'єктивна якість інтегрального шуму. Фонограми (синтезовані або одержані в лабораторних умовах) не можуть відобразити всі ці нюанси. Окрім того, робота трансляторів в умовах постійної високої вологості повітря та низьких температур супроводжується обледенінням, що призводить до якісних деформацій звукових сигналів, що посилаються динаміками. Механічний імітатор має можливості самоочищення, чому сприяють вібрація махів, різкі прискорення при зміні швидкості обертання, обдув швидкісними зустрічними потоками і т.і. Більш того, при фізичному макетуванні зберігається такий важливий сигнал, як візуальноакустичний образ, який формується в свідомості тварин при повному сприйнятті об'єкта. Звук, тіньові і світлові відблиски, які йдуть від крупногабаритної споруди, що має рухомі вузли, весь цей комплекс подразників може створювати ефект психічної взаємосинергії. Крім того, при використанні електронних фонограм не відтворюється такий важливий фізичний чинник, як вібрації ґрунту, що передаються від працюючої ВЕУ на великі відстані і з великою швидкістю. А оскільки ці сигнали суб'єктивно більш пов'язані із сторожовими емоціями у ссавців, то картина без них є неповною. При екологічному підході до проблем спектральний аналіз акустичного фону повинен проходити при зниженні ролі об'єктивних ознак, і збільшенні значення суб'єктивних критеріїв. А такий матеріал можна отримати тільки натурними експериментами. Тому неможливим є теоретичне корегування спектра (видалення або нейтралізація скомпрометованих частот), засноване тільки на результатах комп'ютерного або математичного моделювання. Селекція частот і потужностей повинна мати під собою більше суб'єктивних критеріїв, здобутих експериментальним шляхом. Суб'єктивні критерії являють собою не порогові 7 значення, а інтервали, індексовані в екологічних термінах як "зони оптимуму", у межах яких даний чинник не дає негативних наслідків. Проблема ідентичності модельованого фону і натурального фону пропелерних горизонтальноосьових ВЕУ розв'язується достатньо просто. Найбільшою потужністю відзначаються коливання, порушувані кінцями лопатей ротора, оскільки потужність звуку пропорційна кубу лінійної швидкості ділянки лопаті. Тому вживання насадок найефективнішим чином впливає на характер, повноту і ідентичність спектра, оскільки достатньо узгодити характеристичний розмір (ширину кінцевої частини лопаті) з діаметром насадки і можна гарантувати отримання достовірного спектра найенергоємнішої його частини. Вертикальноосьові модифікації ВЕУ мають більш складний спектр, оскільки він містить компресійну компоненту. У зв'язку з цим ідентифікація завжди приблизна. Крім того, не є можливим одержати параметр перенормування геометричних характеристик крил для аналогового зіставлення з характеристиками лопатей пропелерного ротора. Тому відповідність спектра ротора Дар'є складніше, неочевидне і поки не має критеріїв. їх відповідність встановлюється експериментально шляхом модифікації форми насадок. Задля цієї мети насадки можуть бути профільовані простими засобами. 3. Ротор укріплений на валу електродвигуна, який обертає ротор від стороннього джерела живлення через перетворювач частоти струму. Пристрій, що патентується, працює в обернутому режимі. Рух забезпечує не енергія швидкісного натиску вітрової течії, а обертаючий момент електродвигуна, живленого від мережі або накопичувача. Використання стороннього приводу дає можливість зробити роботу ротора незалежною від вітрів. Завдяки цьому час експерименту набагато скорочується, оскільки швидкість вітру імітується швидкістю обертання ротора від приводу. Таким чином, пристрій, що патентується, може працювати навіть в штиль. Насиченість акустичного спектра залежить від швидкості обертання ротора. Із зростанням швидкості обертання все більша ділянка лопаті (при відліку від кінця) стає генератором звуку різної висоти, оскільки потенціал зриву вихорів є величиною постійною. Фізичний механізм формування звукових коливань описаний в статті ISSN 10287507, Акустичний вісник, 2007, Том 10, №2, С. 2232, І.В. Вовк, Фізичний погляд на природу еолових тонів, Інститут гідромеханіки НАНУ, Київ. В прототипі вивчається вплив зовнішніх умов (рельєфу місцевості, фізичного стану атмосфери, характеру повітряних течій і т.п.) на роботу ротора. Моделюванню підлягають як робочі органи ВЕУ, так і зовнішні умови їх функціонування. За допомогою пристрою, що патентується, можна досліджувати вплив антропогенних чинників (фізичних чинників, вироблюваних при роботі ВЕУ) на оточуюче середовище в гранично широкому значенні, тобто з включенням в поняття "середовище" її біоценозу. Для забезпечення досліджень моделюванню підлягають сам агрегат, а не середовище його роботи, з тією умовою, що він 94318 8 відтворює в повному об'ємі і з максимальною інтенсивністю основні чинники впливу на екологію регіону. Весь спектр фізичних станів атмосфери за всіх метеорологічних і сезонних погодних умов використовується при цьому в його природному вигляді. Пристрій, що патентується, дає можливість проводити експерименти по, так званій, суб'єктивній акустиці, тобто досліджувати не фізичну сторону акустичного поля, а психологічний відгук на різні форми шумів в комплексі з візуальними подразнювачами. При цьому екологічний моніторинг проводиться по широкому кругу чинників, але висновки про застосовність даних механізмів в ареалі робляться по двох найбільш значущих. За відомостями, що є у авторів, запропоновані істотні ознаки, що характеризують суть винаходу, не відомі ні в даному, ні в суміжних розділах техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні і розробці експлуатаційних прогнозів відносно ВЕУ будь-яких потужностей для регіонів з сильними вітрами. Опис установки ілюструється кресленнями. На фіг. 1 приведена загальна схема ВЕУ, що патентується, на фіг.2 представлений розріз трубчастої фальш-лопаті з насадкою. Макет ВЕУ (фіг. 1) містить нерухому опорну стійку 1 трубчастого типу з розчалками 2 та горизонтальноосьовий імітатор ротора (вітроколеса). Імітатор містить не менше двох трубчастих фальш-лопатей 3, встановлених на махах 4, які укріплені на загальному валу 5. Обертання ротора забезпечується прямим приводом від електродвигуна 6, оснащеним перетворювачем частоти 7. Двигун укріплений на монтажній площадці 8. Імітатор оснащений насадками 9, які нагвинчують на кінці трубчастих лопатей 3. Для доступу до насадок опора обладнана скобовими сходами 10. Розчалки кріпляться до ґрунту (або ж льоду) за допомогою анкерних стрижнів 11. Схема закріплення насадок 9 на лопатях 3 (фіг. 2) відображує різьбовий спосіб стиковки цих елементів. Орієнтація ротора практично не має принципового значення. Тому ротор можна фіксувати за допомогою найпростіших механічних засобів (які не показані) в необхідних напрямках. Пристрій працює наступним чином. Оскільки пристрій при потребі може бути переміщуваним по регіону, то спочатку проводять монтаж повномасштабного макета ВЕУ шляхом використання природних низьких температур і властивостей льоду. В крижаному масиві вирубується лунка під підставу трубчастої стійки 1. Для страховки на дно лунки укладають підп'ятник (не показано), що оберігає стійку від занурення в лід при підвищеннях температури. Повністю зібрана установка встановлюється вертикально шляхом підйому її за одну з вільних розчалок 2 за допомогою лебідки, поліспаста або тягача (не показані) при заглибленні підстави стійки в лунку і фіксації на анкерних стрижнях розчалок, що протилежать. Анкерні стрижні 11 для розчалок 2 механічно заглиблюють у лід. Потім лунку заливають водою, яка замерзає і утворює міцне з'єднання з крижа 9 ним масивом. Розчалки 2 виконуються у вигляді багатожильних тросів для забезпечення механічної міцності системи фіксації стійки. Крім того, на них нанесено покриття (пластмасове або поролонове) для збільшення їхнього діаметра. Така міра передбачена для того, щоб розчалки при сильному вітрі не стали джерелом еолових тонів, що ускладнюють і перекручують акустичний спектр ВЕУ. Після закінчення монтажу проводять прокрутку ротора без насадок 9. Для цього ротор обертають із змінними швидкостями від приводу 6. Швидкість регулюють за допомогою перетворювача частоти 7, який живлять від електромережі. При різних швидкостях обертання лопатей 3 генеруються шуми різних діапазонів частот. Частота зриву вихорів залежить від лінійної швидкості фальшлопаті щодо повітря (мається на увазі не швидкість вітрового фронту, а швидкість руху упоперек потоку). На малих швидкостях імітатор дає спочатку "білий" базовий фон, з дуже бідним спектром (основний сильний тон плюс 2-3 слабких вищих гармонік). Різні ділянки лопаті 3 рухаються з різною швидкістю, тому можна одержати широкий набір частот. Частотний діапазон корелює з діаметром круглої лопаті. Якщо випробування пройшли вдало (звуковий фон не викликав занепокоєння фауни), то на фальш-лопаті 3 встановлюють (нагвинчують) насадки 9, що виробляють акустичний фон, притаманний тому типу ВЕУ, який запланували встановити. У випадку, якщо фон не підходить, то випробовують насадки, що імітують фон ВЕУ інших типів. Насадки 9 та швидкість збагачують його гармоніками, строго прив'язаними до конкретної форми. Тому можливий послідовний і контрольований прохід по всьому акустичному діапазону, властивому конкретній ВЕУ. Регулюванням швидкості обертання забезпечується повний спектр шумових дій, відкаліброваних як по частоті, так і по амплітуді. Вплив інфразвуку та ультразвуку на живі організми вже достатньо добре досліджений, їх шкідлива дія на біоценоз є об'єктивним і універсальним параметром. Це відкриває можливості проведення поділення спектра на патологічну і нейтральну частини, з тим, щоб знизити потужність патологічних частотних смуг або ж зовсім нейтралізувати їх. Передбачити наслідки цих частотних смуг так само легко, як і усунути технічні передумови їх генерації. Але дослідження інших діапазонів спектра не менш важливо. Подальше поділення спектра на нейтральні і активні (дратів 94318 10 ні) смуги приведе до розробки акустичних еталонів, фон яких складається з нейтральних частот, що не викликають міграційних реакцій у ссавців і птахів. По еталону можна буде тестувати кожну модифікацію ВЕУ, не створюючи її аналогової моделі. Таким чином, шляхом послідовних проб можна вибрати прийнятний склад шуму і тим самим одержати гарантії безпроблемної експлуатації позитивно тестованої ВЕУ. Об'єктивні екологічні якості ВЕУ, що розробляються, можуть бути вивчені таким же методом. Проте, пристрій, що патентується, є макетом, що імітує не роботу ВЕУ по утилізації енергії вітру, а фізичні ефекти, супроводжуючі таку роботу, що розповсюджуються на значних прилеглих площах. Задача створення таких макетів полягає в розробці експлуатаційного прогнозу на можливість і перспективність установки стандартних ВЕУ в зонах з підвищеною екологічною уразливістю. Екологічна діагностика відгуку середовища (включаючи її біоценоз) на чисто фізичні чинники, вимагає проведення великого об'єму спеціальних досліджень, витрат часу і засобів. Отримання такої специфічної інформації за допомогою монтажу самих ВЕУ в важкодоступних або віддалених місцевостях може стати дорогим підприємством. Використовуючи ж для цієї мети один універсальний макет, що імітує типові набори фізичних чинників, характерні для різних конкретних типів вітроустановок, можна точно визначити якої марки ВЕУ може працювати без небезпеки непередбаченої перебудови структури місцевого біоценозу. Спрощений макет ВЕУ створений за принципом збереження мінімуму деталей, робота яких, не зберігаючи логіки функціональних і кінематичних зв'язків між окремими вузлами, достовірно відтворює фізичні чинники, що потребуються для дослідження експлуатаційних аспектів пристрою. Використання точних макетів ВЕУ або їх вузлів для отримання необхідної інформації застосовується, як правило, тільки на стадії проектування і розробки пристрою. Вживання пристрою, що патентується, знімає ті аспекти проблем, що поставлені в задачі винаходу: здешевлює процедуру тестування і дає гарантії безпечної адаптації реальних вітроустановок в конкретній біосистемі. Таким чином, пристрій, що патентується, відкриває широкі можливості рішення експлуатаційних проблем ВЕУ, пов'язаних з урахуванням їх екологічного впливу. 11 94318 12 13 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 94318 Підписне 14 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601