Ветротурбина с гидравлической трансмиссией
Формула / Реферат
1. Ветротурбина, включающая (a) ротор; (b) генератор; (c) тихоходный объемный гидравлический двигатель, который приводится в действие ротором, работая как гидравлический насос; (d) регулируемую гидравлическую трансмиссию, которая соединена с генератором и приводит его в действие как двигатель; (e) закрытую масляную гидросистему для подачи масла под давлением в трансмиссию от двигателя и возвратного масла к двигателю от насоса; и средства изменения объемной производительности трансмиссии при изменении давления в масляном контуре.
2. Система по п.1, в которой гидравлический двигатель вращается с такой же частотой, как и ротор.
3. Система по п.1, в которой ротор включает ротор ветротурбины с горизонтальной осью и в которой гидравлический двигатель, гидравлическая трансмиссия, закрытый масляный контур и генератор установлены на башне.
4. Система по п.1, в которой средства изменения объемной производительности включают гидромеханическую систему, включающую уравнительный клапан давления, функционально соединенный с помощью масляных средств сервоуправления с механическим силовым приводом.
5. Система по п.1, дополнительно включающая шиберную заслонку горячего масла.
6. Система по п.1, дополнительно включающая (a) средства торможения для остановки ротора, причем тормоз прижимается до вхождения в контакт с осью ротора и высвобождается из этого положения давлением масла; и (b) средства накачивания масла для создания давления масла, достаточного для высвобождения тормоза.
7. Система по п.1, в которой генератор является асинхронным генератором.
8. Система по п.1, в которой генератор является синхронным генератором.
9. Система по п.1, в которой ротор включает ротор ветротурбины с вертикальной осью.
10. Способ генерирования электроэнергии из энергии ветра с помощью установленных на башне ротора и генератора, включающий стадии (a) прямого сопряжения тихоходного высокомоментного гидравлического двигателя с ротором таким образом, чтобы двигатель мог работать как насос, вращаясь с частотой менее 100 об./мин при приведении в действие ротором; (b) функционального соединения регулируемой гидравлической трансмиссии с гидравлическим двигателем с помощью закрытой гидросистемы таким образом, чтобы трансмиссия работала как двигатель; (c) сопряжения трансмиссии с генератором, с приведением генератора в ход со скоростью, достаточной для генерирования электроэнергии.
11. Способ по п.10, в котором объемная производительность гидравлической трансмиссии меняется в зависимости от изменения давления, создаваемого гидравлическим двигателем, работающим как насос.
12. Способ по п.10, дополнительно включающий пусковую стадию подсоединения генератора к энергосистеме таким образом, чтобы генератор становился электрическим двигателем, приводя при этом в действие трансмиссию, двигатель и ротор до тех пор, пока ротор не начнет приводиться в действие энергией ветра.
13. Способ по п.10, дополнительно включающий стадию замены нагретого масла на более холодное масло во время работы от энергии ветра с помощью шиберной заслонки горячего масла, являющейся частью закрытой гидросистемы.
14. Ветроэнергетическая установка, включающая ротор, генератор и систему закрытой гидравлической передачи, которая включает (a) тихоходный объемный гидравлический двигатель, который приводится в действие ротором без повышающей передачи; (b) регулируемую гидравлическую трансмиссию, соединенную с генератором и приводящую его в действие, которая включает средства изменения объемной производительности трансмиссии в зависимости от изменений давления в гидравлической системе; (c) закрытый масляный контур для подачи масла под давлением к насосу от двигателя и возвратного масла к двигателю от насоса; (d) в которой двигатель и трансмиссия, которые приводятся в действие ротором, работают в условиях инерционной нагрузки, приводя в действие генератор; и в которой (e) генератор и система закрытой гидравлической передачи установлены на башне над уровнем поверхности земли.
Текст
006363 Перекрестная ссылка на родственную заявку Данная заявка претендует на приоритет временной заявки США 60/319249, зарегистрированной 16 мая 2002 г. под названием "Ветротурбина с гидростатической трансмиссией", содержание которой включено сюда по ссылке. Область техники Данное изобретение относится к ветротурбинам для электрогенерации. Известный уровень техники Ветротурбины используют энергию ветра для генерирования электричества. Обычная ветротурбина включает ротор, установленный на башне. Ротор может вращаться со скоростью приблизительно 60 об./мин при стабильном ветре около 32,2 км/ч (20 mph) и быть соединенным с генератором переменного тока/генератором через повышающую передачу. Типичные генераторы включают синхронные или асинхронные генераторы и нуждаются в постоянной скорости на входном валу около 1200 или 1800 об./мин,в зависимости от типа генератора, для качественного вырабатывания энергии. Хотя существуют генераторы переменной скорости, мощность на входном валу генератора переменной скорости надо регулировать для того, чтобы ее можно было подавать в энергосистему. Для ветроэнергетических турбин остается актуальной проблема обеспечения экономически эффективного способа сглаживания крутящего момента, генерируемого ротором, для уменьшения флуктуации крутящего момента в цепи привода генератора. Известно использование комплексных трансмиссий с целью обеспечения постоянной скорости входного вала генератора. Известно также использование роторов с переменным шагом и тормозными механизмами с целью обеспечения эксплуатации ротора с постоянной скоростью. Однако такие трансмиссии, роторы с переменным шагом и тормозные механизмы являются дорогостоящими, имеют склонность к механическим поломкам и являются существенным фактором механической неэффективности при эксплуатации ветротурбины. Известны также ветротурбины, использующие открытые гидравлические системы вместо механических трансмиссий. Однако обычные гидравлические насосы нуждаются в частоте вращения входного вала, как минимум, приблизительно 300-500 об./мин для создания пригодного гидравлического давления. Вследствие этого нужна механическая повышающая передача между ротором и гидравлическим насосом. Все известные гидравлические системы для ветротурбин используют открытые системы. Например,в патенте США 4503673 раскрыт объемный гидравлический насос, соединенный с регулируемым гидравлическим двигателем. В этой системе, аналогично другим открытым системам, гидравлический насос поднят на башне, но гидравлический двигатель, резервуар рабочей жидкости гидросистемы и генератор расположены на земле. Хотя вообще желательно уменьшить нагрузку башни, такая схема нуждается в использовании длинных шлангов для подачи жидкости к гидравлическому насосу и от него, что является недостатком. Закрытая гидравлическая система позволит установить все компоненты, включая генератор, в гондоле на башне. Однако попыток использования закрытой системы не делалось ввиду сложности управления при превышении допустимой скорости. В закрытой системе, если не контролировать давление жидкости, гидравлическое сопротивление возрастающему крутящему моменту приведет к недопустимому накоплению тепла в системе. В открытой гидравлической системе при вращении ротора с большой скоростью избыточное гидравлическое давление может отводиться путем "сбрасывания" давления для поддержания постоянной скорости генератора. Такая диссипация энергии генерирует огромное количество тепла, и при этом нужна активная система охлаждения или теплообмена. Например, в патенте США 4149092 раскрыта гидравлическая система для турбин, приводимых в действие водой и ветром, которая включает подключенное параллельно устройство гашения энергии. При высоком давлении, вызванном сильным ветром и высокой скоростью ротора, объемная производительность гидравлического двигателя уменьшается, приводя к дополнительному росту давления в системе. В результате, рабочая жидкость гидросистемы отводится к устройству диссипации энергии. Устройство диссипации энергии превращает гидравлическую энергию в тепло, которое удаляется теплообменником. В упомянутом выше патенте США 4503673 используется сложная система управления гидросистемой для поворота лопастей винта ротора с целью уменьшения сопротивления воздуха для недопущения избыточного давления в гидросистеме. Таким образом, существует потребность в системе ветротурбины, использующей закрытую гидростатическую трансмиссию, лишенную сложности известного уровня техники. Суть изобретения В обычной гидростатической трансмиссии известного уровня техники, изображенной на фиг. 1,первичный источник энергии приводит в действие насос, который превращает энергию в гидравлическое давление. Гидравлическое давление затем передается к гидравлическому двигателю, превращающему давление снова в энергию, которая может после этого быть использована для снабжения энергией нагрузки. Рабочая жидкость гидросистемы возвращается в резервуар, из которого питается насос. В контексте ветротурбин известного уровня техники, ротор является первичным источником энергии, а нагрузка - электрогенератором.-1 006363 В области гидростатических трансмиссий состояние "обгона" или "разноса" является состоянием,при котором гидравлический двигатель приводится в движение своей нагрузкой, а не наоборот. Примером обгонной нагрузки является случай транспортного средства с гидростатической трансмиссией, движущегося вниз по склону. В этом случае, ходовые колеса передают крутящий момент гидравлическому двигателю, который, в свою очередь, воздействует на насос. При этом считается, что как двигатель, так и насос являются обратимыми относительно давления. Насос может тогда регенерировать мощность назад в первичный источник энергии. Практически, насос и двигатель меняются функциями и энергия движется в направлении, обратном изображенному на фиг. 1. Такая способность насоса регенерировать мощность в первичный источник энергии называется динамической тормозной способностью. Изобретатели обнаружили, что закрытая гидравлическая система, которая может эффективно работать в условиях обгонной нагрузки или, иначе говоря, имеет динамическую тормозную способность,может быть успешно применена в ветротурбине для обеспечения эффективной передачи энергии от ротора турбины к генератору. Асинхронный двигатель может типично поглощать в режиме генератора больше энергии, чем он вырабатывает как двигатель. Таким образом, в одном аспекте данное изобретение касается закрытой гидравлической системы,предназначенной для использования в ветротурбине, которая превращает энергию ветра в электроэнергию. В одном варианте исполнения закрытая гидравлическая система является довольно компактной для установки на башне в гондоле ветротурбины с генератором. Заявители нашли, что тихоходный высокомоментный гидравлический двигатель, который приводится в действие ротором ветротурбины на малой скорости с созданием состояния обгонной нагрузки,может эффективно приводить в действие гидравлическую систему, такую как гидравлический насос. Двигатель, работающий как насос, предпочтительно приводится в действие непосредственно ротором,без использования каких-либо повышающих передач. Аналогично, насос с объемным регулированием,который приводится в действие инерционной нагрузкой для обращения его функции, может быть эффективно использован как привод электрогенератора. Обращение ролей компонентов позволяет осуществлять запуск ротора электрическим стартером во время процедуры запуска, что может позволить генерацию электроэнергии при скорости ветра, меньшей,чем в обычных системах. В этом описании компоненты будут обозначаться согласно их нормальной предусмотренной функции, в отличие от их фактической функции в нормальных рабочих условиях по данному изобретению. Так, гидравлический двигатель называется двигателем, несмотря на то, что в нормальных рабочих условиях по изобретению при инерционной нагрузке он работает как насос. В одном варианте исполнения гидравлический двигатель предпочтительно является тихоходным высокомоментным двигателем. Аналогично, гидравлический насос или трансмиссия будут называться трансмиссией, хотя они во время работы функционируют как двигатель, приводящий в действие генератор. В одном варианте исполнения трансмиссия предпочтительно является гидростатической (объемной) трансмиссией с компенсацией давления, способной уменьшать объемную производительность при работе в режиме привода для поддержания давления в системе и увеличивать объемную производительность в обгонном режиме для поддержания давления в системе. В соответствии с этим в одном аспекте изобретение предусматривает ветротурбину, включающую:(а) ротор; (b) генератор; (с) тихоходный объемный гидравлический двигатель, который приводится в действие ротором для работы в качестве гидравлического насоса; (d) регулируемую гидравлическую трансмиссию, которая соединена с генератором и приводит его в действие как двигатель; (е) закрытую масляную гидросистему для подачи масла под давлением в трансмиссию от двигателя и возвратного масла в двигатель от насоса; и (f) устройство для изменения объемной производительности трансмиссии при изменении давления в масляном контуре. В другом аспекте, изобретение может включать способ генерирования электричества из энергии ветра с помощью установленных на башне ротора и генератора, включающий стадии: (а) сопряжения тихоходного высокомоментного гидравлического двигателя непосредственно с ротором таким образом,чтобы двигатель мог работать как насос, вращаясь с частотой менее 100 об./мин при приведении в действие ротором; (b) функционального соединения регулируемой гидравлической трансмиссии с гидравлическим двигателем с помощью закрытой гидросистемы таким образом, чтобы трансмиссия работала как двигатель; (с) сопряжения трансмиссии с генератором для приведения генератора в ход со скоростью,позволяющей эффективно вырабатывать электроэнергию. Предпочтительно, объемная производительность гидравлической трансмиссии меняется в зависимости от изменения давления, создаваемого гидравлическим двигателем, работающим как насос. Способ может включать стадию обмена нагретого масла на более холодное масло во время работы от энергии ветра, через шиберную заслонку горячего масла, являющуюся частью закрытой гидросистемы. В другом аспекте, изобретение может включать башню ветротурбины, которая содержит ротор, генератор и систему закрытой гидравлической передачи, включающую (а) тихоходный объемный гидравлический двигатель, который приводится в действие ротором без использования повышающей передачи;-2 006363 и которая включает средства изменения объемной производительности трансмиссии в зависимости от изменений давления в гидравлической системе; (с) закрытый масляный контур для подачи масла под давлением к насосу от двигателя и для возврата масла к двигателю от насоса; (d) в которой двигатель,приводимый в действие ротором, и трансмиссия работают в условиях инерционной нагрузки, приводя в действие генератор; и в которой (е) генератор и система закрытой гидравлической передачи установлены на башне над уровнем земли. Краткое описание чертежей Изобретение будет далее описано на примере типичного варианта исполнения со ссылкой на приложенные упрощенные схематические чертежи, выполненные без соблюдения масштаба. Фиг. 1 является схематическим изображением гидростатической трансмиссии по известному уровню техники. Фиг. 2 является схематическим изображением одного варианта исполнения данного изобретения. Фиг. 3 является принципиальной схемой по стандартам ISO предпочтительного варианта гидростатической трансмиссии, имеющей устройство компенсации давления, которая используется как двигатель в данном изобретении. Детальное описание изобретения Данное изобретение предлагает ветротурбину, имеющую закрытую гидравлическую систему для передачи крутящего момента от ротора ветроэнергетической установки генератору. В описании данного изобретения все термины, которые не были определены, имеют свои значения, распространенные в этой области техники. В том значении, которое используется здесь, "закрытая" гидравлическая система является эквивалентом гидравлической системы с закрытым контуром и относится к гидравлической системе, в которой существенная часть рабочей жидкости гидросистемы возвращается непосредственно в гидравлический насос после прохождения через гидравлический двигатель. В закрытой системе рабочая жидкость гидросистемы не возвращается в открытый резервуар жидкости или бака, а проходит полный путь от насоса по каналу к двигателю и назад к насосу. В том значении, которое используется здесь, "масло для гидросистемы" или "масло" относится к любой пригодной рабочей жидкости гидросистемы, известной специалистам. Данное изобретение включает принципы построения гидравлических передач и систем управления системами гидравлических передач. Специалист в этой области может обратиться к таким источникам,как книга "Principles of hydraulic system design" (Chappie, P.; Coxmoor Publishing Co., 2002), содержимое которой включено сюда по ссылке. В одном варианте исполнения, гидравлический двигатель, насос и система электрогенерации по данному изобретению должны быть смонтированы в гондоле (не показана), поднятой на башне, на которой установлен ротор ветроэнергетической установки. Ротор и лопасти винтов могут иметь любую конструкцию. Однако предполагается, что компоненты системы могут быть размещены на поверхности земли и входить при этом в объем данного изобретения. Данное изобретение может быть также адаптировано специалистом в этой области к любой ветротурбине или системе, приводимым в действие водой, в которых энергия ветра или воды создает относительно низкую скорость на входном валу, меньшую по порядку величины чем приблизительно 1000 об./мин, предпочтительно меньшую чем приблизительно 100 об./мин. Данное изобретение описано здесь в варианте, адаптированном к ветротурбине с горизонтальной осью. Специалисту в этой области понятно, что данное изобретение может быть в равной степени адаптированным к ветротурбине с вертикальной осью. Типичная закрытая гидравлическая система изображена схематично на фиг. 2. В общих чертах, ротор (10) приводит в действие гидравлический двигатель (12), фактически превращая его в насос. В том значении, которое используется здесь, ротор включает лопастной агрегат и втулку ветротурбины. В предпочтительном варианте исполнения ротор (10) приводит в действие двигатель (12) без какой-либо коробки передач или механических повышающих средств. Скорость вращения роторов ветротурбин, приводимых в действие ветром, типично не превышает 60-80 об./мин. Поэтому лучший двигатель (12) будет способен создавать достаточный ток при скорости на входном валу менее чем приблизительно 100 об./мин, предпочтительнее менее чем примерно 60 об./мин. В одном варианте исполнения двигатель (12) является тихоходным высокомоментным гидравлическим двигателем. Пригодные двигатели включают двигатели Denison CALZONI (Denison Hydraulics, Marysville,Ohio, U.S.) и подобные двигатели, предлагаемые многочисленными другими производителями. Лучший вариант исполнения может включать гидравлические двигатели CALZONI MR/MRE или двигатели с большей объемной производительностью. Содержимое справочника по продукции CALZONI (RCOA-1806/07.01), опубликованного фирмойDenison Hydraulics Inc., включено сюда по ссылке. Двигатели CALZONI являются радиальнопоршневыми двигателями с постоянной объемной производительностью. Специалисту в этой области понятно, что термин "тихоходный высокомоментный" касается двигателя, рассчитанного на создание высокого выходного момента, который имеет максимальную скорость вращения выходной оси менее чем приблизительно 1000 об./мин, предпочтительнее менее чем приблизительно 600 об./мин.-3 006363 Гидравлический двигатель (12) приводит в действие гидростатическую трансмиссию (14) в состоянии динамического торможения. Пригодные трансмиссии (14) предпочтительно включают регулируемые гидравлические трансмиссии с компенсацией давления, имеющие динамическую тормозную способность для регенерации мощности генератором (30). Регулируемые гидравлические трансмиссии с компенсацией давления хорошо известны специалистам, так же как и механизмы управления изменениями объемной производительности. В одном варианте исполнения трансмиссия (14) включает гидростатическую трансмиссию типа Gold Cup, производимую фирмой Denison Hydraulics (Marysville, Ohio, U.S.). Содержимое инструкции пользователя трансмиссией Gold Cup (SPI-АМ 330, 2002), опубликованной фирмой Denison Hydraulics Inc., включено сюда по ссылке. Маленький низкопроизводительный гидравлический насос (16) с электроприводом от маленького электрического двигателя (18) всасывает масло из маленького резервуара (20). Насос (16) подает в трансмиссию (14) масло низкого давления для сервоуправления. Низкопроизводительный насос (16) также контролирует применение стояночного тормоза (22) путем высвобождения тормоза (22) под давлением масла. Тормоз (22) подталкивается к положению приложения с помощью пружины (24), действие которой преодолевается достаточным давлением масла. При росте скорости ветра и скорости вращения ротора объемная производительность двигателя с постоянным расходом (12) будет возрастать, приводя к созданию большего крутящего момента на генераторе. Поскольку скорости вращения трансмиссии (14) и генератора (30) не возрастают пропорционально, давление в гидравлической системе будет возрастать. В предпочтительном варианте исполнения гидростатическая трансмиссия (14) включает систему гидромеханической компенсации давления для изменения объемной производительности трансмиссии при изменении давления на выходе двигателя (12). Трансмиссия может увеличивать объемную производительность при росте давления в системе. В результате, увеличение объемного расхода будет уменьшать давление в системе и поддерживать относительно постоянную величину выходного крутящего момента. Наоборот, трансмиссия (14) может уменьшать объемную производительность при снижении давления в системе, вызывая уменьшение объемного расхода. В предпочтительном варианте исполнения мощность трансмиссии (14) и генератора (30) выбирают таким образом, чтобы суммарная выходная мощность двигателя (12) могла быть использована без превышения пределов для трансмиссии и генератора. Специалист в этой области сможет рассчитать выходную мощность на основе данных относительно конструкции ротора (10), скорости ветра и конструкции двигателя (12). В предпочтительном варианте исполнения шиберная заслонка горячего масла (26) соединена с двигателем (12) для обеспечения определенного ограниченного обмена масла и охлаждающей способности. Часть потока масла со стороны возврата гидравлического контура низкого давления проходит сначала через корпус двигателя (12) и корпус трансмиссии (14) для охлаждения, в определенной степени, двигателя и трансмиссии. Масло затем предпочтительно проходит через фильтр (34) и холодильник (36) и возвращается в резервуар (20). В одном варианте исполнения приблизительно 10% от общего объемного расхода гидравлической системы проходит через шиберную заслонку горячего масла (26) и может пополняться в трансмиссии (14) за счет масла сервоуправления. На фиг. 3 изображена гидравлическая схема предпочтительной гидростатической трансмиссии (14) в соответствии со стандартами ISO. Трансмиссия включает поршневой насос (1) и камеры лопастей (2). Предусмотрены также вращающийся сервопривод (3) и вспомогательный насос (4). Регулирование нагнетательного клапана сервопривода (6) осуществляется с помощью рабочего давления. Пополняющий нагнетательный клапан позволяет добавлять масло в систему для пополнения. Другие изображенные клапаны включают клапаны последовательности (8), управляющий уравнительный клапан (9), двухуровневый предупредительный клапан (10) и подпитывающий кольцевой обратный клапан (11). Указанные на схеме порты включают нагнетательные каналы системы (А, В), порты измерения давления в системе(AG, BG), входное отверстие вспомогательного насоса (С), измерительный порт давления в корпусе(DG), выходные отверстия корпуса (D1, D2), выходное отверстие вспомогательного насоса (G), подачу вспомогательного противодавления сервопривода (Н), входное отверстие подпитки (К), измерительный порт давления подпитки (KG), контрольные участки (FA, FB) и клапаны компенсатора (V, VA, VB). В изображенном варианте исполнения, вспомогательный насос (4) обеспечивает подачу масла для сервоуправления и подпитки из резервуара (20). Вспомогательный насос (4) не работает при отсутствии потока рабочей жидкости через трансмиссию (14) как в режиме выработки энергии, так и при динамическом торможении. Поэтому для операций запуска нужен низкопроизводительный насос (16). Давление системы можно контролировать с помощью пропорционального клапана (32), соединенного с нагнетательной стороной трансмиссии (14) и электронно соединенного с электрогидравлической системой сервоуправления, обеспечивающей контроль объемной производительности трансмиссии. Специалист в этой области может сконструировать и установить пригодную систему управления для выполнения описанных здесь функций. При работе в режиме насоса масло с рабочим давлением выходит через порт (В), в то время как масло с низким давлением возвращается через порт (А) в трансмиссию (14). Во время работы ветротурбины по настоящему изобретению с инерционной нагрузкой сторона низкого давления становится сто-4 006363 роной высокого давления, а сторона высокого давления становится стороной низкого давления для двигателя (12), как изображено на фиг. 2. Трансмиссия (14) может непосредственно приводить в действие генератор (30), который может быть любым известным генератором, адаптированным для использования в ветротурбине. Специалист в данной области может выбрать и скомпоновать для этого синхронные или асинхронные генераторы. В одном варианте исполнения генератор включает асинхронный генератор (30), присоединенный к сети энергоснабжения. Связь между генератором (30) и энергосистемой может быть установлена с использованием способов, известных специалистам. Как известно специалистам, асинхронный генератор является также асинхронным двигателем. При подаче на генератор крутящего момента вырабатывается электрическая энергия, когда генератор (30) вращается с частотой, большей его синхронной скорости вращения. Больший крутящий момент вызовет частичное увеличение частоты вращения генератора в пределах скорости проскальзывания и рост генерации энергии. Таким образом, генератор во время генерирования энергии будет динамически тормозить двигатель (12) и ротор (10). В другом варианте исполнения исходная ось двигателя непосредственно приводит в действие синхронный генератор (30). В синхронных генераторах, хорошо известных специалистам, скорость вращения генератора определяется промышленной частотой. Для 4-полюсного синхронного генератора, подключенного к сети 60 Гц, частота вращения синхронного генератора равняется 1800 об./мин. Аналогично, для 6-полюсного синхронного генератора, подключенного к сети 60 Гц, частота вращения синхронного генератора будет равняться 1200 об./мин. Генератор превращает механическую энергию в электрическую энергию. Если ветер имеет энергию, превышающую динамическую тормозную способность гидравлической системы и генератора (30) по данному изобретению, крутящий момент трансмиссии (14) будет увеличивать частоту вращения выше синхронной частоты генератора или скорости проскальзывания асинхронного генератора. При таких условиях работы с превышением скорости ветротурбина предпочтительно включает физические тормозные механизмы. Таким образом, для дополнительного контроля скорости ротора (10) могут быть использованы средства ограничения числа оборотов, хорошо известные специалистам. Например, могут быть использованы лопасти турбины с переменным шагом или с регулируемым углом установки. Дополнительно или альтернативно, могут быть использованы тормозные системы, использующие дисковый тормоз или поворотные концы лопастей. Системы управления по рысканию хорошо известны и могут быть использованы для поворота ротора и гондолы в сторону от направления ветра для замедления скорости вращения ротора при сильном ветре. В альтернативном варианте исполнения, могут быть включены два или больше генераторов, работающих последовательно. Если скорость ветра приводит к превышению несущей способности по крутящему моменту первого генератора, то подключается второй генератор для поглощения избыточного крутящего момента и выработки дополнительной мощности. Использование двух или большегенераторов,работающих последовательно, может иметь преимущества по сравнению с использованием одного большего генератора, так как минимальная мощность системы будет оставаться на низком уровне, позволяя генерировать энергию при низкой скорости ветра. Как понятно специалистам в данной области, если на турбине происходит потеря мощности из сети,а резервный источник энергоснабжения отсутствует, то исчезают магнитное поле генератора и динамическая тормозная способность генератора. Это может привести к ситуации значительного превышения скорости. Опять-таки, для предотвращения такой потенциальной ситуации могут быть использованы обычные системы контроля превышения скорости. Далее будет описана работа одного варианта исполнения системы. В одном варианте исполнения,предусмотрен маленький анеморумбометр (не показан) для определения скорости и направления ветра и инициирования пускового режима системы и поворота ротора и гондолы точно против ветра с помощью системы управления по рысканию. Для соответствующих ветровых режимах, типично, при достижении минимальной скорости ветра система может быть включена автоматически или вручную. В начале режима запуска включается пусковой электродвигатель (18), приводящий в действие низкопроизводительный насос (16), который потом подает масло для системы управления в сервопривод системы гидростатической трансмиссии (14). После этого также выключается стояночный тормоз (22). Энергия из электросети или из резервного источника питания поступает на генератор (30), который при этом начинает вращаться, достигая своей синхронной скорости вращения. Генератор работает как электрический двигатель и приводит в действие гидростатическую трансмиссию (14). Гидростатическая трансмиссия (14) работает как насос и приводит в действие двигатель (12), вращающий ротор (10). При условии достаточной энергии ветра, ротор ускоряется до тех пор, пока его скорость вращения под действием ветра не превысит предварительно определенной минимальной скорости, при которой ротор работает как двигатель(12). В этот момент система переходит в режим генерирования энергии и ротор становится инерционной нагрузкой двигателя (12), как описано выше. Двигатель (12) после этого начинает работать как насос и нагнетать масло под давлением в трансмиссию (14). Датчик оборотов ротора и/или датчики давления в-5 006363 гидравлической системе сигнализируют о переключении из пускового режима в режим генерирования энергии. Поскольку в одном варианте исполнения двигатель (12) является двигателем с нерегулируемым объемным расходом, поток рабочей жидкости гидросистемы прямо пропорционален скорости ротора. Давление жидкости в гидравлической системе пропорционально крутящему моменту генератора. После переключения в режим генерирования энергии средства компенсации давления трансмиссии контролируют крутящий момент, генерируемый трансмиссией (14), путем изменения объемной производительности трансмиссии и, таким образом, контролируют крутящий момент на входном валу генератора. Использование генератора (30) как электрического двигателя для инициирования вращения ротора в пусковом режиме позволяет удобно осуществлять согласование фаз с сетью энергоснабжения. После того как генератор будет подключен к сети и начнет работать как асинхронный электродвигатель, сеть определяет фазовое соотношение генератора/двигателя с сетью. После переключения в режим генерирования энергии, когда скорость ротора станет достаточной для создания мощности в трансмиссии (14) и генерирования электроэнергии генератором (16), вырабатываемая мощность будет согласовываться по фазе с сетью. Альтернативно, система может быть спроектирована без активной процедуры запуска, описанной выше. При пассивном запуске система будет определять, является ли скорость ветра достаточной для вращения ротора со скоростью, достаточной для генерирования полезной мощности. При этом также включается низкопроизводительный насос (16), высвобождающий тормоз (22). После достижения ротором скорости, при которой двигатель (12) создает достаточное давление для приведения в действие трансмиссии (14), которая приводит в движение генератор (30) с расчетной частотой вращения, генератор может быть переключен на производство электроэнергии. В любом случае, после начала генерирования энергии рост скорости ветра приводит к росту скорости ротора и увеличению крутящего момента, действующего на генератор. Система управления ветротурбины отрегулирована так, чтобы активировать системы контроля превышения скорости, описанные выше, при достижении перегрузочной способности по крутящему моменту генератора, или расчетного давления гидравлической системы, или обоих этих показателей. Аварийный останов может быть запрограммирован в системе управления в случае неравномерности или нарушения энергоснабжения в сети энергоснабжения или в ситуациях чрезвычайно большого превышения скорости, когда тормозные системы не способны контролировать скорость генератора. Если скорость ветра упадет ниже предварительно определенного уровня, так что крутящий момент не поступает на генератор или является небольшим, генератор может быть отключен и тормоз включен до тех пор, пока скорость ветра снова не увеличится. Как понятно специалистам в данной области, могут быть осуществлены различные модификации,адаптации и варианты приведенного выше описания конкретного исполнения, не выходящие за пределы объема изобретения, который определяется формулой изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ветротурбина, включающая (а) ротор; (b) генератор; (с) тихоходный объемный гидравлический двигатель, который приводится в действие ротором, работая как гидравлический насос; (d) регулируемую гидравлическую трансмиссию, которая соединена с генератором и приводит его в действие как двигатель; (е) закрытую масляную гидросистему для подачи масла под давлением в трансмиссию от двигателя и возвратного масла к двигателю от насоса; и средства изменения объемной производительности трансмиссии при изменении давления в масляном контуре. 2. Система по п.1, в которой гидравлический двигатель вращается с такой же частотой, как и ротор. 3. Система по п.1, в которой ротор включает ротор ветротурбины с горизонтальной осью и в которой гидравлический двигатель, гидравлическая трансмиссия, закрытый масляный контур и генератор установлены на башне. 4. Система по п.1, в которой средства изменения объемной производительности включают гидромеханическую систему, включающую уравнительный клапан давления, функционально соединенный с помощью масляных средств сервоуправления с механическим силовым приводом. 5. Система по п.1, дополнительно включающая шиберную заслонку горячего масла. 6. Система по п.1, дополнительно включающая (а) средства торможения для остановки ротора, причем тормоз прижимается до вхождения в контакт с осью ротора и высвобождается из этого положения давлением масла; и (b) средства накачивания масла для создания давления масла, достаточного для высвобождения тормоза. 7. Система по п.1, в которой генератор является асинхронным генератором. 8. Система по п.1, в которой генератор является синхронным генератором. 9. Система по п.1, в которой ротор включает ротор ветротурбины с вертикальной осью. 10. Способ генерирования электроэнергии из энергии ветра с помощью установленных на башне ротора и генератора, включающий стадии (а) прямого сопряжения тихоходного высокомоментного гид-6 006363 равлического двигателя с ротором таким образом, чтобы двигатель мог работать как насос, вращаясь с частотой менее 100 об./мин при приведении в действие ротором; (b) функционального соединения регулируемой гидравлической трансмиссии с гидравлическим двигателем с помощью закрытой гидросистемы таким образом, чтобы трансмиссия работала как двигатель; (с) сопряжения трансмиссии с генератором, с приведением генератора в ход со скоростью, достаточной для генерирования электроэнергии. 11. Способ по п.10, в котором объемная производительность гидравлической трансмиссии меняется в зависимости от изменения давления, создаваемого гидравлическим двигателем, работающим как насос. 12. Способ по п.10, дополнительно включающий пусковую стадию подсоединения генератора к энергосистеме таким образом, чтобы генератор становился электрическим двигателем, приводя при этом в действие трансмиссию, двигатель и ротор до тех пор, пока ротор не начнет приводиться в действие энергией ветра. 13. Способ по п.10, дополнительно включающий стадию замены нагретого масла на более холодное масло во время работы от энергии ветра с помощью шиберной заслонки горячего масла, являющейся частью закрытой гидросистемы. 14. Ветроэнергетическая установка, включающая ротор, генератор и систему закрытой гидравлической передачи, которая включает (а) тихоходный объемный гидравлический двигатель, который приводится в действие ротором без повышающей передачи; (b) регулируемую гидравлическую трансмиссию,соединенную с генератором и приводящую его в действие, которая включает средства изменения объемной производительности трансмиссии в зависимости от изменений давления в гидравлической системе;(с) закрытый масляный контур для подачи масла под давлением к насосу от двигателя и возвратного масла к двигателю от насоса; (d) в которой двигатель и трансмиссия, которые приводятся в действие ротором, работают в условиях инерционной нагрузки, приводя в действие генератор; и в которой (е) генератор и система закрытой гидравлической передачи установлены на башне над уровнем поверхности земли. Известный уровень техники
МПК / Метки
МПК: F03D 11/02, F16H 61/42
Метки: трансмиссией, гидравлической, ветротурбина
Код ссылки
<a href="https://eas.patents.su/9-6363-vetroturbina-s-gidravlicheskojj-transmissiejj.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Ветротурбина с гидравлической трансмиссией</a>
Предыдущий патент: Элемент кровельного покрытия и способ изготовления элементов кровельного покрытия
Следующий патент: Запорная комбинация для сосуда
Случайный патент: Трубопровод, оборудованный оптическим волокном, и способы его изготовления и использования