Ветрогенератор

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована в ветроэлектрических агрегатах для повышения энергетической эффективности ветрогенератора.
Известна ветроустановка с переменной частотой генерации импульсов (Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006, С. 38.), содержащая выпрямитель генератора, конденсаторный накопитель, пороговое устройство, формирователь стандартных импульсов, управляемый ключ и электронагреватель.
При работе ветроагрегата напряжение, поступающее с выхода выпрямителя, заряжает конденсаторный накопитель. Пороговое устройство фиксирует заданную величину напряжения заряда конденсатора, вырабатывая сигнал, под воздействием которого открывается управляемый ключ и осуществляется отдача запасенной конденсатором порции энергии в электронагреватель. Формирователь импульсов обеспечивает фиксированную длительность импульса во всем диапазоне генерируемой мощности ветроагрегата.
К недостаткам устройства можно отнести высокое значение частоты вращения ротора генератора, составляющей 50-60% от номинального значения, при котором начинается передача энергии в нагрузку.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для преобразования механической энергии ветроколеса в электрическую энергию аккумуляторной батареи (патент на полезную модель РФ №91603), включающее синхронный генератор, неуправляемый выпрямитель, управляемый повышающий преобразователь, аккумуляторную батарею, систему управления зарядом аккумуляторной батареи и датчик зарядного тока.
В изобретении-прототипе ветроколесо вращает ротор генератора, вырабатываемая электроэнергия с обмоток генератора подается на вход неуправляемого выпрямителя, выходное напряжение выпрямителя поступает на вход повышающего импульсного регулятора и через датчик поступает на аккумулятор и нагрузку.
При скорости ветра меньшей номинального значения повышающий преобразователь увеличивает величину постоянного напряжения таким образом, чтобы оно было выше порогового напряжения зарядки аккумулятора и достигался максимум отбора мощности от ветроколеса. При повышении скорости ветра и, соответственно скорости вращения ротора генератора сигнал с неуправляемого выпрямителя передается непосредственно на аккумулятор.
К недостаткам устройства относится наличие нижнего порога скорости ветроколеса, ниже которого мощность, генерируемая ветроколесом не передается в аккумулятор и нагрузку.
Задачей полезной модели является повышение энергетической эффективности ветрогенератора путем разделения выходного напряжения выпрямителя на две диапазона, меньше или больше порогового напряжения заряда аккумулятора, при малом напряжении практически вся электрическая энергия, поступающая с выхода выпрямителя накапливается на конденсаторном накопителе и в дальнейшем напряжение с выхода конденсаторного накопителя увеличивается с помощью управляемого повышающего конвертера до величины, превышающей порог заряда аккумулятора и, соответственно, накопленная электрическая энергия от конденсаторного накопителя передается в аккумулятор. При повышении выходного напряжения выпрямителя выше порога зарядки выпрямитель через третий ключ подключается к аккумулятору и начинается процесс его зарядки.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве, состоящем из ветроколеса, связанного механическим валом с ротором электрического генератора, подключенного к выпрямителю, который через третий ключ подсоединен к входу контроллера заряда, выходом связанного с аккумулятором и через инвертор с нагрузкой, дополнительно к выходу выпрямителя параллельно подключены конденсаторный накопитель и управляющий вход управляемого повышающего конвертера, к выходу генератора присоединен измеритель частоты вращения ротора, выходом связанный с входами таймера и компаратора, при этом выход таймера связан с управляющими входами первого и второго ключей, выход компаратора связан с управляющим входом третьего ключа, также выход выпрямителя через последовательно соединенные первый ключ, управляемый повышающий конвертер и второй ключ подключен к входу контроллера заряда.
Структурная схема ветрогенератора представлена на фиг. 1. Ветроколесо 1 связано механическим валом 2 с ротором электрического генератора 3, подключенного к выпрямителю 4, выход которого через третий ключ 5 подключен к контроллеру заряда 6, который, в свою очередь выходом связан с аккумулятором 7 и инвертором 8, подключенным к нагрузке 9. Выход выпрямителя также связан с конденсаторным накопителем 10 и управляющим входом управляемого повышающего конвертера 15, к выходу генератора 3 также подключен измеритель частоты вращения ротора 11, выходом связанный со входами таймера 13 и компаратора 12, который управляет состоянием третьего ключа 5. Таймер 13 управляет состоянием первого 14 и второго 16 ключей, управляемый повышающий конвертер 15 расположен по схеме между первым 14 и вторым 16 ключами.
Устройство работает следующим образом.
При скорости ветра больше номинального значения напряжение на выходе выпрямителя 4 больше порогового уровня, измеритель частоты 11 формирует сигнал с уровнем, при котором компаратор 12 формирует сигнал, открывающий третий ключ 5. Электрическая энергия от выпрямителя поступает на контроллер заряда 6, заряжает аккумулятор 7 и через инвертор 8, преобразующий постоянное напряжение в переменное, в передается нагрузку 9.
При скорости ветра меньшей номинальной напряжение на выходе выпрямителя 4 меньше порогового уровня, однако, конденсаторный накопитель 10 накапливает электрическую энергию. В этом режиме на выходе измерителя частоты вращения ротора 11 формирует сигнал с уровнем, при котором таймер 13 через заданные отрезки времени открывает первый 14 и второй 16 ключи. Управляемый повышающий конвертер 15 повышает напряжение с выхода выпрямителя 4 до уровня, достаточного для начала зарядки аккумулятора. Коэффициент преобразования напряжения повышающего конвертера 15 зависит от напряжения на выходе выпрямителя и изменяется таком образом, чтобы поддерживать на своем выходе напряжение, достаточное для зарядки аккумулятора. Через заранее заданный отрезок времени таймер 13 запирает первый 14 и второй 16 ключи и продолжается процесс накопления электрической энергии в конденсаторном накопителе 10. Процесс заряда и разряда конденсаторного накопителя происходит периодически до тех пор, пока скорость ветра станет достаточной, чтобы генератор выработал энергию с уровнем напряжения, достаточным для заряда аккумулятора.
Таким образом, при высокой скорости вращения ротора генератора вырабатывается электроэнергия с напряжением, достаточным для зарядки аккумулятора и передачи в нагрузку. При низкой скорости вращения ротора генератора электроэнергия накаливается в конденсаторном накопителе, через заданные моменты времени эта энергия через управляемый повышающий конвертер передается в аккумулятор и в нагрузку, тем самым решая вопрос использования электроэнергии с малым уровнем и повышая энергетическую эффективность ветрогенератора.