ГИБРИДНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
HYBRID-TYPE WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для энергоснабжения автономных бытовых и производственных потребителей электроэнергии.
Известны электростанции с приводом генератора от теплового двигателя, предназначенные для электроснабжения удаленных и труднодоступных потребителей электрической энергии. Их общим недостатком является большой расход органического топлива и соответственно высокая себестоимость производимой ими энергии.
Этот недостаток в значительной степени ослабляется в электростанциях, использующих энергию ветра и только как резервную энергию органического топлива. Примером такой электростанции является автономная ветродизельэлектрическая установка (патент Российской Федерации 2139444).
Однако и она не лишена ряда недостатков, снижающих ее эффективность. Во-первых, это недоиспользование энергии ветра, так как при повороте лопастей ухудшаются их аэродинамические качества. Во-вторых, завышенная установленная мощность генераторов (два генератора на одну и ту же установленную мощность потребителей). В-третьих, возможные броски тока при переключении нагрузки с одного генератора на другой. Все это снижает надежность электроснабжения потребителей, качество вырабатываемой электроэнергии, а также повышает ее себестоимость.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат достигается тем, что в автономную ветродизельэлектрическую установку, содержащую ветротурбину с ограничителем мощности при скорости ветра выше установленной величины и тепловой двигатель со стабилизатором частоты вращения, нагруженный на электрогенератор через разобщительную муфту и маховик, дополнительно введена обгонная муфта, вариатор частоты вращения и оптимизатор загрузки ветротурбины по критерию максимума коэффициента использования энергии ветра, причем вал ветротурбины через вариатор и обгонную муфту соединен с валом электрогенератора, первый вход оптимизатора соединен с выходом датчика скорости ветра, второй вход - с выходом датчика частоты вращения ветротурбины, а выход - с регулирующим органом вариатора.
т
На чертеже приведена схема предлагаемой ветроэнергетической установки. Она состоит из теплового двигателя 1 (например, дизеля), оборудованного системой автоматической стабилизации частоты вращения 2, вал которого через разобщительную муфту 3 и маховик 4 соединен с приводным валом синхронного генератора 5. Второй конец вала генератора через обгонную муфту 6 и вариатор 7 частоты вращения соединен с валом ветротурбины 8, снабженной ограничителем 9 мощности ветротурбины при возрастании скорости ветра выше установленной величины. Вариатор управляется оптимизатором 10 загрузки ветротурбины, на входы которого поступают информационные сигналы от датчиков (на чертеже не показаны) о частоте вращения вала ветротурбины n и скорости ветра V. Генератор 5 непосредственно нагружен на потребители электрической энергии со свободным графиком нагрузки, включение и отключение которых осуществляется независимо от состояния ветроустановки, и нагружен через автоматическое устройство 11 на потребители энергии, включение-отключение которых может быть смещено во времени в зависимости от избытка-недостатка ветровой энергии. В качестве последних могут быть электронагреватели, работающие параллельно с другими нагревательными устройствами, балластные резисторы, установки с аккумулированием энергии или вырабатываемого продукта.
Работает описанная ветроэнергетическая установка следующим образом.
г
д
т
в
г
При слабом ветре или при полном его отсутствии генератор 5 приводится во вращение тепловым двигателем 1, мощность на валу которого полностью покрывает мощность потерь в генераторе и мощность потребителей электрической энергии с независимым графиком нагрузки. Потребители с регулируемым графиком нагрузки при слабом ветре отключены автоматическим устройством 11. Частота вращения n генератора, равная в данном случае частоте вращения n вала двигателя, и, следовательно, частота тока поддерживаются на требуемом уровне регулятором 2 частоты вращения теплового двигателя. А так как частота вращения n вала ветротурбины 8 при слабом ветре чрезвычайно мала, оптимизатор загрузки 10, стремясь установить частоту вращения n на выходе вариатора, равную частоте вращения n вала генератора, устанавливает максимально возможное для используемого вариатора передаточное отношение
в
г
Однако и в этом случае частота вращения n выходного вала вариатора все-таки меньше частоты вращения n вала генератора. В результате валы в соответствии с принципом действия обгонной муфты 5 рассоединены. Ветротурбина работает на холостом ходу.
хх
По мере увеличения скорости ветра пропорционально с коэффициентом пропорциональности к растет и частота вращения вала ветротурбины
г
max
Когда она достигнет величины, равной n/i, частоты вращения выходного вала вариатора и генератора сравняются, обгонная муфта соединит эти валы. Однако, поскольку ветротурбина при данной граничной скорости ветра продолжает работать на холостом ходу, коэффициент использования ветротурбиной энергии ветра равен нулю. Передачи мощности от ветротурбины в направлении генератора не происходит.
Дальнейшее увеличение скорости ветра могло бы привести к увеличению частоты вращения ветротурбины, но так как ее вал соединен теперь с валом генератора, рабочая частота вращения ветротурбины остается практически постоянной и меньше частоты вращения холостого хода. При этом коэффициент использования энергии ветра ветротурбиной становится больше нуля, и энергия ветротурбины начнет передаваться на вал генератора. Это приведет к незначительному в пределах статической характеристики стабилизатора частоты вращения теплового двигателя увеличению частоты вращения всех валов устройства. В результате стабилизатор частоты вращения теплового двигателя снизит подачу топлива, мощность двигателя уменьшится ровно настолько, насколько увеличилась мощность ветротурбины.
Коэффициент использования энергии ветра для большинства типов ветротурбин достигает своего максимального значения, когда частота холостого хода ветротурбины приблизительно в 2 раза больше рабочей частоты вращения. Последнюю и следует считать оптимальной по критерию максимума коэффициента использования энергии ветра
С учетом выражения (2)
откуда следует, что соотношение
постоянная для используемой ветротурбины величина.
Из вышеизложенного следует, что ветротурбина будет работать в оптимальном режиме с максимальным использованием энергии ветра, если оптимизатор загрузки ветротурбины 9 будет поддерживать оптимальное соотношение скорости ветра и частоты вращения ветротурбины. Следовательно, при изменяющейся скорости ветра должна изменяться и частота вращения ветротурбины. А так как вал ветротурбины связан с валом генератора, частота вращения которого практически постоянна, это можно осуществить, если оптимизатор загрузки будет воздействовать на передаточное отношение вариатора, поддерживая его, а следовательно, и частоту вращения ветротурбины на оптимальном уровне
Таким образом, как только скорость ветра несколько превысит величину, при которой коэффициент использования энергии ветра достигает максимального значения, уменьшится и требуемое для оптимального режима заданное выражением (4) соотношение скорости ветра и частоты вращения ветротурбины. Оптимизатор загрузки при этом уменьшит передаточное отношение вариатора ровно настолько, чтобы это соотношение осталось на прежнем (оптимальном) уровне. Поэтому при дальнейшем увеличении скорости ветра ветротурбина будет работать с максимальным использованием энергии ветра. А когда мощность ветротурбины станет равной или больше мощности потребителей со свободным графиком нагрузки, тепловой двигатель перейдет на холостой ход, оставаясь в режиме «горячего» резерва. Причем во втором случае для дополнительной загрузки турбины автоматическое устройство 11 подключит потребителей с регулируемым графиком нагрузки или балластные резисторы на мощность, равную избытку мощности ветротурбины, что и будет обеспечивать постоянство частоты вращения генератора и частоты вырабатываемого им тока.
При устойчивом ветре, достаточном для покрытия ветротурбиной мощности потребителей, тепловой двигатель может быть остановлен. Рассоединение валов двигателя и генератора при этом произойдет за счет управляемой разобщительной муфты 3, в качестве которой при конкретном выполнении устройства может быть использована и обычная обгонная муфта. Если же скорость ветра превысит установленную для данного агрегата величину, с тем чтобы не произошло перегрузки и, как следствие, перегрева генератора, вступит в действие ограничитель мощности ветротурбины. Он может быть выполнен по известным схемам с воздействием на воздушные тормоза, на поворот плоскости лопастей или плоскости ветроколеса по отношению к направлению ветра. Маховик 3 стабилизирует частоту вращения генератора при резких изменениях нагрузки.
Таким образом, заявляемая гибридная ветроэнергетическая установка обеспечивает максимальное использование энергии ветра при меньшей величине установленной мощности силового электрооборудования. Она способна осуществлять надежное электроснабжение потребителей при колебаниях нагрузки и скорости ветра, что особенно важно в районах с относительно малыми и неустойчивыми скоростями ветра, которые наблюдаются на большей территории РФ.