Разработка и испытания прототипа системы ориентации ротора горизонтально-осевой ветроэнергетической установки

Отчет 230 с., 119 рис., 6 таблиц, 43 источника, 3 приложения. Ключевые слова: Стереопанорамный анеморумбометр, СтереоПАН, ветроэнергетика, ветроэнергетическая установка, система ориентации; управление, контроль; рассогласование, угол, дифференциальная ошибка, прототип. Цель работы: Разработка прототипа (экспериментального опытного образца) системы ориентации горизонтально-осевой ветроэнергетической установки. Исследование функционирования прототипа. Результаты работы, основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики: 1. Осуществлена разработка прототипа (экспериментального опытного образца) прибора – стерео-панорамного анеморумбометра СтереоПАН. 2. Определено место расположения прибора – стерео-панорамного анеморумбометра СтереоПАН. 3. Построена компьютерная модель в Matlab Simulink для отработки программного обеспечения работы СтереоПАН. Разработана модель системы обработки данных. 4. Разработано сенсорное обеспечение СтереоПАН. Разработана эскизная конструкторская документация на СтереоПАН. Разработана схема СтереоПАН функциональная. Разработана схема СтереоПАН электрическая принципиальная. 5. Разработаны Технические условия. Разработана инструкция по эксплуатации (инструкция для пользователя). 6. Разработана Программа и методика испытаний продукции. 7. Проведены успешные лабораторные стендовые испытания прибора СтереоПАН. Проведено изменение модели с целью оптимизации места размещения будущего изделия. 8. Определено окончательное место расположения точек размещения прибора. 9. Изготовлен прибор СтереоПАН. 10. Проведен расчет оптимальной удельной мощности ВЭУ. 11. Проведены испытания прибора СтереоПАН, оформлен Протокол испытаний прибора. 12. Разработан алгоритм работы программного обеспечения. Приведено описание программы. 13. Разработана Программа и методика испытаний (тестирования) программного обеспечения. 14. Проведены работы по коммерциализации прибора СтереоПАН. 15. Приведена оценка повышения выработки электроэнергии ГО ВЭУ. 16. Оформлена соответствующая интеллектуальная собственность с регистрацией в официальных органах. Характеристики. В результате проведения исследований на 2 этапе проекта определены следующие характеристики прототипа нового стереопанорамного анеморумбометра СтереоПАН в виде пространственной системы управления ориентацией ротора ГО ВЭУ: 1. Согласно разработанной компьютерной модели прототип представляет собой систему датчиков для определения направления ветра. - Конструкция предполагает наличие минимум 2-х датчиков на разных сторонах гондолы ветроэнергетической установки. 2. Количественные параметры, определяющие выполнение научно-техническим продуктом своих функций: Максимальная ошибка ориентации ветроэнергетической установки 7 градусов. Скорость реакции системы управления на входящий сигнал не более 2 миллисекунд. Скорость отработки устранения ошибки ориентации на каждые 10 градусов не более 20 секунд. 3. Климатическое исполнение УХЛ по ГОСТ 15150-69 4. Требования к мощностным характеристикам научно-технического продукта: Прототип является дополнительной сенсорной установкой для горизонтально-осевой ветроэнергетической установки (ГО ВЭУ) и дополняет штатный анеморумбометр (датчик скорости и направления ветра) в части определения направления ветра штатной системой управления ориентацией ГО ВЭУ от 200 кВт до 14 МВт. 5. Требования к удельным характеристикам: 1 градус погрешности на 10 мегаватт-часов производимой электроэнергии. 6. Требования к аппаратной части программных комплексов: Класс защиты IP-66. 7. Условия эксплуатации в условиях температур -40…+40 градусов Цельсия. Степень внедрения: Достигнут уровень готовности технологии УГТ-4 (Проведена опытно-конструкторская и/или технологическая разработка экспериментальных опытных образцов. Выполнены проектные работы по созданию эскизной конструкторской документации, программного обеспечения, а также программ и методик испытаний. Выполнена интеграция конструкторских и технологических компонентов, проверка их совместимости. Идентифицированы эксплуатационные характеристики, проведена их экспериментальная проверка в лаборатории. Создан макетный (экспериментальный опытный опытный) образец нового прибора – стереоскопического пространственного/панорамного анеморумбометра (СтереоПАН). Продукт рекомендуется к апробации и внедрению на ветроэнергетических установках АО «НоваВинд» (ГК Росатом). Рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИОКР Разработанный прибор СтереоПАН подлежит внедрению в состав систем ориентации горизонтально-осевых ветроэнергетических установок. Потенциальные потребители продукта: - Собственники ветроэнергоустановок; - Ветропарки. Конкретные потенциальные потребители – изготовители новых ветроэнергоустановок: - В России: ГК Росатом (АО «НоваВинд»); - За рубежом: LG Electronics, Siemens, Vestas и др. Конкретные потенциальные потребители – владельцы ветроэнергоустановок и ветропарков: - В России: все ветроэлектростанции (Адыгейская ВЭС, Ульяновские ВЭС, Останинская ВЭС и т.д.); - За рубежом: существующие ветроэлектростанции. Область применения: Все без исключения горизонтально-осевые ветроэнергетические установки, имеющие систему управления и систему ориентации на ветер. Экономическая эффективность или значимость работы: Экономическая эффективность заключается в снижении ошибки ориентации ветроустановки до 1 градуса, что приводит к повышению ее производительности в среднем на 5%, что в денежном выражении глобально может достичь повышения выработки электроэнергии на 3,5 млрд. долларов в год. Соответственно, срок окупаемости силового оборудования снижается на ориентировочно 7%. Научно-техническая значимость заключается в создании важных для мировой науки и техники новых знаний в виде прибора СтереоПАН и программного обеспечения. Прикладная значимость проекта заключается в использовании полученных знаний для коммерциализации СтереоПАН и программного обеспечения, реализующего алгоритм устранения рассогласования угла ориентации для любых типов ГО ВЭУ. Прогнозные предположения о развитии объекта исследования: Проектом предусмотрена отработка продукта на реальных ветроэнергетических установках, о чем достигнута предварительная договоренность с АО «НоваВинд», с дальнейшей подготовкой технологической производственной линии по изготовлению прибора в массовом масштабе и реализации на рынке систем ориентации ветроэнергетических установок. Объекты интеллектуальной собственности, полученные в результате выполнения работы: 1. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2021665088 Модель отклонения флюгера анеморумбометра горизонтально-осевой ветроэнергетической установки – № 2021663592/69; заявл. 28.08.2021; дата гос. регистрации в Реестре программ для ЭВМ 20.09.2021. 2. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2022661347 Оптимизатор системы ориентации – № 2022619640; заявл. 28.05.2022; дата гос. регистрации в Реестре программ для ЭВМ 20.06.2022. 3. Патент на изобретение «Стерео-панорамный матричный анеморумбометр СтереоПАН ». Заявка №2022102573 от 03.02.2022. Оценка исполнителем успешности выполнения работы в соответствии с техническим заданием и календарным планом: 1. Анализ полученных результатов говорит о соответствии полученных характеристик прибора Техническому заданию и Техническим условиям. 2. Выбрано оптимальное место размещения компонентов СтереоПАНа на средней части внешних выпуклостей наветренной части боковой стенки гондолы ГО ВЭУ. 3. Изготовлен прототип (экспериментальный опытный образец) СтереоПАН с характеристиками согласно заявленным в ТЗ. 4. Проведены успешные лабораторные стендовые испытания прибора СтереоПАН согласно Программе и методике испытаний. Оформлен соответствующий Протокол испытаний. 5. Разработан алгоритм работы программного обеспечения. Приведено описание управляющей программы. 6. Проведены работы по коммерциализации прибора СтереоПАН в составе ветроэнергетических установок. Приведена оценка повышения выработки электроэнергии ГО ВЭУ. 7. Оформлена соответствующая интеллектуальная собственность с регистрацией в ФИПС (Роспатенте).