ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Область, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к области ветроэнергетики и электротехники, в частности к автономным системам электроснабжения трехфазным переменным током, использующим энергию ветра.
Уровень техники.
Известна «Автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии», содержащая ветротурбину переменной скорости вращения, жестко связанную с генератором переменного тока, вспомогательный электрический потребитель, выполненный в виде аккумуляторной батареи, соединенный с генератором переменного тока устройством регулирования мощности, дизель, механически связанный с синхронным генератором, образующие дизель-генераторную установку, с сформированием двух независимых источников электроснабжения, соединенных между собой блоком переключения, функцию одного из них выполняет дизель-генераторная установка, снабженная системой автоматического регулирования активной мощности, функцию другого - синхронный компенсатор с устройством разгона и системой автоматического регулирования скорости, аккумуляторная батарея, соединенная с синхронным компенсатором посредством двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, который при превышении мощности ветротурбины над мощностью нагрузки управляется в системе автоматической стабилизации скорости синхронного компенсатора, а в режиме, когда мощность ветротурбины меньше мощности нагрузки, и аккумуляторная батарея разряжена, - в системе стабилизации активной мощности дизель-генераторной установки; функцию генератора переменного тока выполняет многоскоростная асинхронная машина, управляемая блоком выбора режима, задающего его рабочую скорость в функции активной мощности, отличающаяся тем, что в систему введено устройство разгрузки потребителей, вход которого соединен с выходом блока переключения, а выход - с входом узла потребителей электроэнергии (патент RU №113615 H02J 3/00 от 22.09.2011).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием реверсивного теристорного преобразователя, дизель-генераторной установки, снабженного системой автоматического регулирования мощности, низкая надежность за счет использования большого количества элементов, высокая стоимость в связи с необходимостью применения дизель-генераторной установки, работающей на органическом топливе.
Известна «Ветроэнергетическая установка», содержащая зубчатую дифференциальную передачу, ветроколесо, датчик частоты вращения вала ветроколеса, машину постоянного тока, инвертор напряжения, аккумуляторную батарею, регулятор возбуждения, блок отключения возбуждения и электрическую нагрузку (патент RU №2287718 F03D 9/02 от 20.11.2006).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием зубчатой дифференциальной передачи, машины постоянного тока в качестве генератора, регулятора возбуждения, блока отключения возбуждения, относительная надежность за счет использования машины постоянного тока в качестве генератора, низкое качество вырабатываемой электрической энергии за счет использования инвертора напряжения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту принятый авторами за прототип является «Ветроэнергетическая установка», содержащая башню, ветроколесо, мультипликатор, инерционный аккумулятор, генератор. Вал ветроколеса через мультипликатор и инерционный аккумулятор соединен с корпусом статора машины постоянного тока. Вал якоря машины постоянного тока соединен с валом синхронного генератора. Машина постоянного тока и синхронный генератор электрически соединены с аккумуляторами электрической энергии через блок управления. Якорная обмотка машины постоянного тока имеет возможность реверсирования полюсов. В качестве генератора используется синхронная машина (патент RU №2313693 F03D 9/02 от 27.12.2007).
Недостатком данного устройства являются невысокая надежность и дороговизна конструкции, связанная с использованием синхронного генератора, вертикальным расположением элементов ветроэнергетической установки, затрудняющее техническое обслуживание и ремонт.
Раскрытие полезной модели.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является удешевление конструкции и повышение надежности за счет применение асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, внедрением в схему инерционного аккумулятора с переменной энергоемкостью и двигателя постоянного тока для стабилизации выходных параметров асинхронного генератора и возможности автономного использования всей ветроэнергетической установки, упрощение обслуживания и ремонта элементов системы за счет горизонтального их расположения, повышение коэффициента использования ветрового потока при различных скоростях ветра.
Технический результат достигается с помощью ветроэнергетической установки, содержащей ветроколесо, вал ветроколеса, мультипликатор, вал мультипликатора, обгонную муфту, входной вал инерционного аккумулятора с переменной энергоемкостью, выходной вал инерционного аккумулятора с переменной энергоемкостью, асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором, батарею пусковых конденсаторов, трансформаторы напряжения, потребитель электрической энергии, диодный мост, блок управления, аккумуляторную батарею, преобразователь напряжения, опорные подшипники, двигатель постоянного тока, при этом мультипликатор с помощью вала соединен с обгонной муфтой, а обгонная муфта, в свою очередь, с помощью входного вала на опорных подшипниках соединена с инерционным аккумулятором с переменной энергоемкостью, который с помощью выходного вала на опорных подшипниках соединен с ротором асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, и якорем двигателя постоянного тока. Выходной вал мультипликатора, валы обгонной муфты, инерционного аккумулятора с переменной энергоемкостью, ротора асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором и двигателя постоянного тока установлены на одной горизонтальной оси, электрически соединены статорные обмотки асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором с батареей пусковых конденсаторов, потребителем электрической энергии и трансформаторами напряжения, трансформаторы напряжения электрически соединены с диодным мостом, который электрически соединен с блоком управления, который электрически соединен с аккумуляторной батареей, к которой подключен преобразователь напряжения электрически соединенный с двигателем постоянного тока, который электрически соединен с блоком управления.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлена структурная схема ветроэнергетической установки.
На фиг. 2 изображен инерционный аккумулятор с переменной энергоемкостью.
Осуществление полезной модели.
Ветроэнергетическая установка содержит: ветроколесо 1, соединенное посредством вала 2 с мультипликатором 3, выходной вал 4 которого соединен с обгонной муфтой 5, которая соединена с входным валом 6 инерционного аккумулятора 7 с переменной энергоемкостью, который посредством выходного вала 8 соединен с ротором (на фиг. 1 не показан) асинхронного генератора 9 с короткозамкнутым ротором, к выходам статорных обмоток (на фиг.1 не показан) асинхронного генератора 9 с короткозамкнутым ротором электрически подсоединена батарея пусковых конденсаторов 10, трансформаторы 11 напряжения, потребитель 12 электрической энергии, трансформаторы 11 напряжения электрически соединены с диодным мостом 13, который электрически соединен с блоком управления 14, блок управления 14 электрически соединен с аккумуляторной батареей 15 и преобразователем напряжения 16, который электрически соединен с обмоткой возбуждения (на фиг. 1 не показана) и якорной обмоткой (на фиг. 1 не показана) двигателя постоянного тока 17, якорная обмотка (на фиг. 1 не показана) и обмотка возбуждения (на фиг. не показана) двигателя постоянного тока 17 соединена электрически с блоком управления 14, валы 4, 6, и 8 закреплены в опорных подшипниках 18.
На фиг. 2 схематически изображен инерционный аккумулятор с переменной энергоемкостью, состоящий из входного вала 6, который имеет резьбу, люка 19 для наполнения, поршня 20, соединенного посредством резьбового соединения с входным валом 6, корпуса 21, соединенным с выходным валом 8, затяжной рукоятки 22 соединенной с входным валом 6, фиксаторов 23 затяжной рукоятки 22, наполнителя 24 и защитной гофры 25.
В качестве ветроколеса 1 может быть использован любой преобразователь энергии ветра в механическую энергию, асинхронный генератор 9 с короткозамкнутым ротором со сквозным ротором стандартной конструкции. Блок управления 14 должен обеспечивать заряд аккумуляторной батареи 15 осуществлять управления преобразователем напряжения 16 и двигателем постоянного тока 17. В качестве двигателя постоянного тока, можно использовать двигатель постоянного тока смешанного возбуждения. Наполнитель 24 для инерционного аккумулятора 7 с переменной энергоемкостью может быть песчаный, галечный или иной другой сыпучий материал.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Вращающий момент от ветроколеса 1 через вал 2 поступает в мультипликатор 3, в котором в соответствии с передаточным отношением преобразуется угловая скорость ветроколеса 1 к скорости асинхронного генератора 9 с короткозамкнутым ротором. Выходной вал 4 мультипликатора 3 соединен обгонной муфтой 5, которая соединена с инерционным аккумулятором 7 с переменной энергоемкостью, входным валом 6 инерционного аккумулятора 7 с переменной энергоемкостью, который через выходной вал 8 соединен с ротором (на фиг 1. не показан) асинхронного генератора 9 с короткозамкнутым ротором, при этом энергия передается через инерционный аккумулятор 7 с переменной энергоемкостью, тем самым приобретя дополнительный инерционный момент и сглаживая импульсные изменения момента на роторе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при изменении ветровой и электрической нагрузки. Если вращающего момента выходного вала 4 мультипликатора 3 недостаточно для работы асинхронного генератора 9 с короткозамкнутым ротором, то инерционный аккумулятор 7 с переменной энергоемкостью который запас инерционную энергию отдает ее в виде крутящего момента на асинхронный генератор 9 с короткозамкнутым ротором, а двигатель постоянного тока 17 работает в двигательном режиме, тем самым добавляя недостающие обороты и момент для работы асинхронного генератора 9 с короткозамкнутым ротором, причем момент от двигателя постоянного тока 17 на мультипликатор 3 не передается за счет обгонной муфты 5. Таким образом, независимо от мощности на валу 2 ветроколеса 1 и соответственно выходного вала 4 мультипликатора 3, посредством двигателя постоянного тока 17 и инерционного аккумулятора 7 с переменной энергоемкостью производится стабилизация частоты вращения и выходных параметров асинхронного генератора 9 с короткозамкнутым ротором. Батарея пусковых конденсаторов 10 используется для возбуждения асинхронного генератора 9 с короткозамкнутым ротором, трансформаторы 11 напряжения снимают информацию об уровне напряжения на потребителе 12 электрической энергии и через диодный мост 13 передается в блок управления 14. По результатам обработки поступившей информации об уровне напряжения на потребителе электрической энергии 12 блок управления 14 формирует управляющие сигналы аккумуляторной батарее 15 и преобразователю напряжения 16, тем самым формируя уровни напряжения на обмотке возбуждения (на фиг. 1 не показана) двигателя постоянного тока 17 и якорной обмотке (на фиг. 1 не показана) двигателя постоянного тока 17, возникающий крутящий момент позволяет стабилизировать частоту вращения вала ротора (на фиг. 1 не показана) асинхронного генератора 9 с короткозамкнутым ротором и соответственно выходные его параметры как при изменении мощности на валу ветроколеса 1, так и при изменении мощности потребителя 12 электрической энергии.
Инерционный аккумулятор 7 с переменной энергоемкостью работает следующим образом: наполнитель 24 засыпают в корпус 21 инерционного аккумулятора 7 с переменной энергоемкостью через люк 19 для наполнения, затем убрав фиксаторы 23 затяжной рукоятки 22 с помощью вращения входного вала 6 за затяжную рукоятку 22 поршень 20 накручивается по резьбе входного вала 6 и уплотняет наполнитель 24, в конце наполнения фиксируют затяжную рукоятку 22 фиксаторами 23 затяжной рукоятки.
Новизна технического решения обусловлена тем, что применяется инерционный аккумулятор с переменной энергоемкостью, а крутящий момент от ветроколеса через мультипликатор и обгонную муфту передается на инерционный аккумулятор с переменной энергоемкостью, а затем на ротор асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором и одновременно на якорь двигателя постоянного тока. Инерционный аккумулятор с переменной энергоемкостью в энергетической установке сглаживает импульсные изменения момента на роторе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при изменении ветровой и электрической нагрузки, а также обладает инерционным моментом, причем энергоемкость инерционного аккумулятора можно изменять в зависимости от заданных параметров нагрузки, тем самым оптимизируя работу узлов и агрегатов ветроэнергетической установки. Инерционный аккумулятор с переменной энергоемкостью состоит из корпуса, входного и выходного валов, люка для наполнения, поршня, затяжной рукоятки, фиксаторов затяжной рукоятки, защитной гофры и наполнителя. Двигатель постоянного тока соединенный с асинхронным генератором с короткозамкнутым ротором выполняет функции дополнительного устройства, которое стабилизирует частоту вращения ротора асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, что приводит к стабилизации его выходных параметров, а при отсутствии крутящего момента на ветроколесе может создать крутящий момент на вале асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором за счет использования энергии аккумуляторной батареи.
Исходя из вышеизложенного достигается уменьшение стоимости ветроэнергетической установки, стабилизация выходных параметров асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, повышение надежности, упрощение эксплуатации, обслуживания и ремонта элементов системы, повышение коэффициента использования ветрового потока.