ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ МОЩНОСТИ ПО ЦЕПИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована в маломощных автономных ветроустановках, работающих независимо от сети централизованного энергоснабжения.
Известна конструкция для преобразования энергии ветра в электрическую энергию - ветроэлектростанция (ВЭС), содержащая ветроколесо, подключенное к генератору, регулятор напряжения, вход которого подключен к обмоткам статора генератора, выпрямитель, вход которого включен на выход регулятора напряжения, аккумуляторную батарею и блок полезных нагрузок, подключенные к выходу выпрямителя [1. Я.И. Шефтер. Использование энергии ветра. М.: Энергоатомиздат. - 1983].
Недостатком известной конструкции является потеря энергии, вырабатываемой генератором при сильных порывах ветра, так как увеличение выходного напряжения генератора ветороэлектростанции ограничивает регулятор напряжения. В результате теряется часть энергии, вырабатываемой генератором. Расчеты показывают, что, например, для Томской области, обладающей умеренными ветровыми ресурсами, ветроэлектростанция теряет до 20% электроэнергии, вырабатываемой генератором за год [2. КадастрВозможностей. Под ред. Б.В.Лукутина. - Томск: Изд-во НТЛ, 2002].
Известна ВЭС, выбранная в качестве прототипа, содержащая ветроколесо, подключенное к генератору, регулятор напряжения, вход которого подключен к обмоткам статора генератора, выпрямитель, вход которого включен на выход регулятора напряжения, аккумуляторную батарею и блок полезных нагрузок, подключенные к выходу выпрямителя, а также блок балластных сопротивлений, подключенный к регулятору напряжения [3. Ветроэнергетика. Руководство по применению
ветроустановок малой и средней мощности. Под ред. В.М.Каргиева. М.: "Интерсоларцентр", 2001].
Эта схема не решает проблему максимальной утилизации избыточной энергии, вырабатываемой ветроэлектростанцией при сильном ветре, так как автоматическое переключение на нагрузочное балластное сопротивление происходит только при полной зарядке аккумуляторной батареи. При сильных порывах ветра и не полностью заряженной аккумуляторной батарее балласт не будет включаться, и избыточная энергия будет теряться в ветродвигателе, вращающемся с большей частотой.
Задачей полезной модели является полное использование энергии, вырабатываемой ветроэлектростанцией и увеличение ее коэффициента полезного действия.
Решение поставленной задачи достигается тем, что ветроэлектростанция, содержащая ветроколесо, подключенное к генератору, регулятор напряжения, вход которого подключен к обмоткам статора генератора, выпрямитель, вход которого подключен к выходу регулятора напряжения, аккумуляторную батарею и блок полезных нагрузок, подключенные к выходу выпрямителя, а также балластную нагрузку, подключенную к выходу генератора, согласно полезной модели снабжена автоматическим регулятором возбуждения, который подключен к обмотке возбуждения генератора. В качестве автоматического регулятора возбуждения выбран регулятор возбуждения, регулирующий выходное напряжение генератора и, соответственно, мощность, рассеиваемую в балластной нагрузке.
Именно заявленное выполнение схемы ВЭС обеспечивает возможность полной утилизации избыточной мощности, вырабатываемой генератором при сильных порывах ветра, тем самым выполняется задача полезной модели. Это достигается тем, что в предложенной схеме автоматический регулятор возбуждения в зависимости от силы ветра и величины полезной нагрузки станции регулирует выходное напряжение
генератора и, соответственно, мощность, рассеиваемую в балластной нагрузке. В результате такого регулирования сохраняется баланс между мощностью, вырабатываемой генератором, и мощностью, потребляемой блоком полезных нагрузок и балластной нагрузкой.
На чертеже представлена структурная схема ВЭС с автоматическим регулятором возбуждения.
Устройство содержит ветроколесо 1, подключенное к генератору 2, регулятор напряжения 3, подключенный к обмоткам статора генератора 2, выпрямитель 4, подключенный к выходу регулятора напряжения 3, аккумуляторную батарею 5 и блок полезных нагрузок 6, подключенные к выходу выпрямителя 4, автоматический регулятор возбуждения 7, подключенный к обмотке возбуждения генератора 2 и балластную нагрузку 8, подключенную к выходу генератора 2.
В данной схеме могут быть использованы крыльчатое ветроколесо 1 с горизонтальной осью вращения, синхронный генератор 2 с электромагнитным возбуждением, стандартные свинцово-кремниевые аккумуляторные батареи 5 импортного производства напряжением 12 В и емкостью от 100 до 230 А/ч каждая. В качестве регулятора напряжения 3 может использоваться биполярная тиристорная ячейка с фазовым регулированием, включенная в каждую фазу генератора 2. В данной схеме используется полупроводниковый выпрямитель 4 мостового типа. Автоматический регулятор возбуждения 7 выполняется на основе управляемого выпрямителя. В качестве балластной нагрузки 8 может использоваться нагрузка, не критичная к качеству электроэнергии, использование которой возможно в любое время суток, например трубчатый электронагреватель.
Устройство работает следующим образом. Под действием ветра ветроколесо 1 приходит в движение, вращающий момент передается на вал генератора 2. В зависимости от скорости ветра и величины полезной нагрузки станции автоматический регулятор напряжения 3 регулирует
величину выходного напряжения генератора станции 2 и, соответственно, мощность, утилизированную в балластную нагрузку 8, обеспечивая полное использование энергии ветроколеса 1. Выходное напряжение генератора 2 поступает на балластную нагрузку 8 и на регулятор напряжения 3. Стабилизированное переменное напряжение с выхода регулятора напряжения 3 поступает на выпрямитель 4, а постоянный ток с выхода выпрямителя 4 используется для зарядки аккумуляторной батареи 5. Постоянное напряжение с аккумуляторной батареи 5 поступает на блок полезных нагрузок 6. При уменьшении мощности ветрового потока и, соответственно, электрической мощности генератора 2 до уровня, потребляемого блоком полезных нагрузок 6, балластная нагрузка 8 не включается и вся мощность, вырабатываемая генератором 2, идет на зарядку аккумуляторной батареи 5 и обеспечения работы блока полезных нагрузок 6.