ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

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. Кадастр Возможностей. Под ред. Б.В.Лукутина. - Томск: Изд-во НТЛ, 2002].
Известна 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, а также блок балластных сопротивлений, подключенный к регулятору напряжения [Ветроэнергетика.
Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. Под ред. В.М.Каргиева. М.: "Интерсоларцентр", 2001].
Это устройство 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.
Известна ВЭС, выбранная в качестве прототипа, 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, регулятор мощности балласта, вход которого подключен к входу регулятора напряжения, а выход соединен с входом блока балластных сопротивлений [Лукутин Б.В., Лукутин О.Б., Шандарова Е.Б. Ветроэлектростанция с регулятором мощности балласта. Патент РФ на полезную модель №45214, Бюл. №12, 2005 г.].
Одним из недостатков данной конструкции является неполное использование энергии ветра, так как при сильных порывах происходит ограничение мощности, поступающей к генератору, путем вывода ветроколеса из-под ветра и генератор не вырабатывает максимально возможную мощность. Второй недостаток заключается в большом диапазоне изменения напряжения на входе регулятора напряжения.
Задачей полезной модели является расширение арсенала средств аналогичного назначения, а также полное использование энергии ветра.
Решение поставленной задачи достигается тем, что Ветроэлектростанция, также как в прототипе, содержащая ветроколесо, подключенное к генератору, регулятор напряжения, который подключен к
обмоткам статора генератора, выпрямитель, подключенный к регулятору напряжения, аккумуляторную батарею и блок полезных нагрузок, подключенные к выпрямителю, при этом регулятор мощности балласта подключен к регулятору напряжения и к блоку балластных сопротивлений. Полезная модель в отличие от прототипа снабжена дополнительным генератором, подключенным к ветроколесу и коммутатором, соединенным с дополнительным генератором и регулятором напряжения.
Именно заявленное выполнение конструкции ВЭС обеспечивает возможность наиболее полного использования энергии при сильных порывах ветра, тем самым выполняется задача полезной модели. Это достигается за счет того, что в предложенной схеме при сильных порывах ветра, когда генератор не может использовать всю энергию ветра, включается дополнительный генератор. В результате совместной работы двух генераторов используется вся энергия ветра и вырабатывается максимальная мощность.
На чертеже представлена структурная схема ВЭС с дополнительным генератором.
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, регулятор мощности балласта 7, подключенный к регулятору напряжения 3, блок балластных сопротивлений 8, подключенный к выходу регулятора мощности балласта 7, дополнительный генератор 9, вход которого подключен к выходу ветроколеса 1 и коммутатор 10, вход которого подключен к выходу дополнительного генератора 9, а выход подключен к входу регулятора напряжения 3.
В данной схеме могут быть использованы крыльчатое ветроколесо 1 с горизонтальной осью вращения, многополюсный синхронный генератор 2 с постоянными магнитами, стандартная свинцово-кремниевая аккумуляторная
батарея 5 напряжением 12 В и емкостью от 100 до 230 А/ч. 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. Регулятор мощности балласта 7 выполняется на основе биполярной тиристорной ячейки, обеспечивающей регулирование выходного напряжения на блоке балластных сопротивлений 8 от нуля до максимума. В качестве блока балластных сопротивлений 8 могут использоваться нагрузки, не критичные к качеству электроэнергии, использование которых возможно в любое время суток, например трубчатые электронагреватели. В качестве блока полезных нагрузок 6 могут использоваться любые осветительные и нагревательные приборы, в качестве дополнительного генератора 9 может использоваться многополюсный синхронный генератор с постоянными магнитами с мощностью равной или меньшей мощности генератора 2, в качестве коммутатора 10 могут использоваться полупроводниковые ключи на основе транзисторов или тиристоров.
Устройство работает следующим образом. Под действием ветра ветроколесо 1 приходит в движение, вращающий момент передается на вал генератора 2, вырабатывающего электрический ток, который поступает 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 увеличении силы ветра ветроколесо 1 вращается сильнее, и генератор 2 вырабатывает мощность, свыше необходимой для зарядки аккумуляторной батареи 5 и обеспечения работы блока полезных нагрузок 6, в этом случае регулятор мощности балласта 7 выдает управляющий сигнал и плавно повышает мощность, рассеиваемую на блоке балластных сопротивлений 8, обеспечивая полное использование энергии ветра. При уменьшении мощности ветрового потока или увеличении
полезной нагрузки регулятор мощности балласта 7 снова выдает управляющий сигнал, и мощность блока балластных сопротивлений 8 уменьшается вплоть до его отключения. При мощности ветроколеса 1, превышающей номинальную мощность генератора 2, срабатывает коммутатор 10 и подключает параллельно генератору 2 дополнительный генератор 9, обеспечивая соответствие мощностей ветроколеса 1 и генераторов 2 и 9. При малых скоростях ветра и, следовательно, малых величинах напряжения генератора 2, коммутатор 10 включает якорную обмотку дополнительного генератора 9 последовательно обмотке генератора 2. В результате суммарное напряжение генераторов 2 и 9 увеличивается, сокращая диапазон изменения входного напряжения регулятора напряжения 3.