ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ
ELECTRICAL WIND-DRIVEN UNIT

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для питания электрической энергией энергоемких потребителей, загружающих ветроагрегат на максимально возможную при существующей скорости ветра мощность и в то же время нетребовательных к частоте и величине напряжения (электронагревательные устройства, устройства заряда аккумуляторных батарей, устройства подачи воды и многие другие).
Известны ветроэлектрические агрегаты со стабилизацией частоты вращения ветроколеса путем изменением угла заклинивания лопастей. Недостаток таких ветроэлектрических агрегатов заключается в том, что при повороте лопастей их элементы, отстоящие от оси колеса на разное расстояние, поворачиваются на один и тот же угол, в то время как угол поворота должен быть тем больше, чем ближе к оси расположен элемент. Это приводит к недоиспользованию энергии ветра при скоростях ветра, отличных от расчетной. Кроме того, они имеют сложную кинематику и вследствие этого завышенную стоимость и низкую надежность.
Известны также ветроэлектрические агрегаты, привод генератора в которых осуществляется при постоянном передаточном отношении от вала ветроколеса к валу генератора. Например, ветроэлектрический агрегат (патент RU №2269027 C1, F03D 1/00), принятый за прототип.
Недостаток такого ветроэлектрического агрегата заключается в том, что его ветроколесо имеет малый коэффициент использования энергии ветра для всех скоростей ветра, меньших расчетной скорости. Действительно, нагрузка генератора рассчитывается таким образом, чтобы при номинальной скорости ветра она была равна оптимальной (по критерию максимума коэффициента использования энергии ветра) мощности, развиваемой ветроколесом. С уменьшением скорости ветра оптимальная частота вращения ветроколеса и оптимальная снимаемая с него мощность уменьшаются пропорционально кубу скорости ветра. А так как сопротивление нагрузки генератора с изменением скорости ветра не меняется, то мощность генератора уменьшается в меньшей степени (пропорционально квадрату напряжения, а следовательно, и квадрату частоты вращения). Таким образом, ветроколесо оказывается загруженным не на оптимальную мощность и при этом недоиспользует энергию ветра.
Цель изобретения - повышение эффективности использования ветроэлектрического агрегата за счет более полного использования энергии ветра. Эта цель достигается тем, что ветроэлектрический агрегат, содержащий ветроколесо, связанное механической передачей с валом генератора, соединенного через коммутатор с сопротивлением нагрузки, дополнительно снабжен соосно расположенной на ступице ветроколеса ветротурбиной, выполненной с валом, имеющим резьбовую нарезку и образующим вместе с отверстием в ступице ветроколеса винтовую пару, а также датчиком положения вала ветротурбины, соединенным с входом устройства управления, выход которого соединен с входом коммутатора. Это позволяет по сигналу датчика установить среднюю нагрузку генератора, равную оптимальной нагрузке при всех скоростях ветра.
На чертеже (фиг.1) схематично показан пример выполнения заявляемого ветроэлектрического агрегата.
Он состоит из ветроколеса 1 велосипедного типа, ступица 2 которого насажена на горизонтальную полую ось 3, жестко закрепленную на стойке 4 ветроагрегата. Стойка 4 имеет возможность поворота вокруг вертикальной оси для ориентации ветроколеса на ветер (устройство ориентации на чертеже не показано). Со стойкой 4 шарнирно связана поворотная рама 5, на которой установлен электрический генератор 6. Фрикционный ролик 7 на приводном валу генератора пружиной 8 через поворотную раму прижат к ободу 9 ветроколеса 1. На ступице 2 ветроколеса соосно с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси закреплена ветротурбина 10. Она имеет частоту вращения холостого хода при данной скорости ветра, равную частоте вращения ветроколеса 2 при его оптимальной по максимуму коэффициента использования энергии ветра загрузке. (Для большинства ветроколес оптимальная частота вращения примерно в два раза меньше частоты вращения холостого хода). Вал 11 ветротурбины имеет резьбовую нарезку и образует вместе с отверстием 12 в ступице винтовую пару.
Генератор 6 нагружен через коммутатор 13 на потребители энергии, нетребовательные к величине напряжения. В качестве таких потребителей могут быть электронагреватели, а также установки с аккумулированием энергии или вырабатываемого продукта.
Вход коммутатора 13 соединен с выходом автоматического устройства управления 14, к входу которого в свою очередь присоединен датчик 15 положения вала 11. При конкретном выполнении ветроагрегата в качестве такого датчика может быть использован геркон в паре с магнитом 16, закрепленным на конце вала 11, индукционный или емкостный датчик. Вместе с ветротурбиной он выполняет функцию датчика разности частот вращения ветротурбины и ветроколеса и в конечном итоге датчика оптимальной загрузки ветроколеса.
Работает заявляемое устройство следующим образом.
При расчетной (номинальной скорости ветра), если изначально нагрузка генератора была рассчитана правильно, ветроколесо работает с максимальным коэффициентом использования энергии ветра и вращается с частотой, равной частоте вращения ветротурбины 10. При этом осевого перемещения вала 11 не происходит.
В случае уменьшения скорости ветра или дополнительного подключения электрических потребителей к выходу генератора ветроколесо начнет вращаться с частотой вращения, несколько меньшей частоты вращения холостого хода ветротурбины. Вал ветротурбины начнет выкручиваться из ступицы 2 ветроколеса, удаляясь от геркона 15. Последний разомкнет свой контакт и через устройство управления и коммутатор отключит (уменьшит) нагрузку. Ветроколесо при этом увеличит частоту вращения и, как только частота его вращения станет несколько больше частоты вращения ветротурбины (оптимальной частоты вращения ветроколеса), вал 11 начнет перемещаться в сторону геркона. Геркон замкнется и снова произойдет включение (увеличение) нагрузки генератора. Таким образом, частота вращения ветроколеса, задаваемая частотой вращения ветротурбины, и нагрузка генератора в среднем будут близки к оптимальной для существующей скорости ветра, что и позволит максимально использовать его энергию. Тем самым будет повышена эффективность использования заявляемого ветроэнергетического агрегата, снижен срок его окупаемости, что особенно важно в условиях сравнительно невысоких средних скоростей ветра в большинстве районов РФ.