ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к ветроэнергетическим установкам, преобразующим энергию ветра в электрическую для автономного электроснабжения потребителей, не имеющих доступа к сетям централизованного электроснабжения.
Современные автономные ветроэнергетические установки в большинстве случаев работают по следующей схеме: энергия, вырабатываемая ветрогенератором, преобразуется в постоянный ток и поступает на аккумуляторную батарею, которая служит накопительным и стабилизирующим звеном. Такое звено необходимо, потому что вырабатываемая ветрогенератором энергия зависит от скорости и направления ветрового потока, которые практически никогда не бывают постоянными, а также от скорости вращения ветроколеса, что, в свою очередь, также зависит от скорости и направления ветра, а также от приложенной нагрузки, которая также может быть переменной. Напряжение аккумуляторной батареи подается на питание нагрузки напрямую, либо через преобразователь напряжения, который инвертирует постоянное напряжение аккумуляторной батареи в стандартное переменное напряжение промышленной частоты.
Однако для постоянного электроснабжения объекта ветрогенератор нуждается в резервировании другим автономным источником электроэнергии, поскольку даже в районах с большими ветровыми
ресурсами случаются длительные периоды штилей. Увеличивать же емкость аккумуляторной батареи для того, чтобы запасенной энергии хватило на достаточно длительное время безветрия, не представляется возможным в основном по экономическим соображениям.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая инвертор, выпрямитель, аккумуляторную батарею, а также синхронную электрическую машину с приводом от ветродвигателя и синхронную электрическую машину с приводом от двигателя внутреннего сгорания, подключенные через автоматические выключатели к шинам потребителей электрической энергии, причем первая синхронная электрическая машина подключена через автоматический выключатель и выпрямитель к аккумуляторной батарее, которая параллельно подключена через автоматический выключатель и инвертор к шинам потребителей электрической энергии (патент РФ №2171913, МПК F 03 D 9/00, публикация 2001 г.).
Известна автономная ветродизельэлектрическая установка, содержащая подключенные с помощью автоматических выключателей к шинам потребителей асинхронную электрическую машину, соединенную с ветродвигателем, снабженным системой автоматического регулирования угла поворота лопастей ветроколеса, и синхронную электрическую машину с инерционным маховиком на валу, соединенную с помощью управляемой разобщительной муфты с поршневым двигателем внутреннего сгорания, а также балластную нагрузку с регулятором мощности, подключенную к шинам потребителей с помощью автоматического выключателя, регулятор мощности дизеля, датчик активной мощности асинхронной электрической машины, задатчик величины максимальной активной мощности установки (патент РФ №2174191, МПК F 03 D 9/00, публикация 2001 г.).
Известна ветроэнергетическая установка, включающая ветровое колесо, которое механически связано с генератором переменного тока и стабилизатором оборотов, которые электрически соединены с блоком управления и коммутации, который также электрически соединен с дизель-генератором и потребителями электроэнергии, при этом генератор переменного тока выполнен таким образом, что в нем ротор и статор имеют свои магнитопроводы и механически соединены с наименьшим зазором, магнитопроводы на роторе находятся в зоне действия магнитного поля обмотки подмагничивания, которая закреплена на статоре, а вокруг магнитопроводов статора намотаны выходные обмотки, которые через блок управления и коммутации электрически соединены с потребителями электроэнергии (заявка на изобретение №2002100028, МПК F 03 D 9/00, публикация 2003 г.).
К недостаткам известных ветроэнергетических установок с использованием дизель-генератора можно отнести следующие обстоятельства.
При уменьшении коэффициента загрузки дизель-генератора значительно возрастает удельный расход топлива на производство 1 кВтч электроэнергии, что ведет к удорожанию использования такой установки. Кроме того, производители запрещают эксплуатацию дизель-генератора на холостом ходу или с нагрузкой менее 15% от номинала в течение длительного времени (более 10-15 минут), так как это ведет к ускоренному износу и выходу из строя дизельного двигателя.
Задачей создания настоящей полезной модели является расширение арсенала технических средств, используемых в ветроэнергетических установках, преобразующих энергию ветра в электрическую для автономного электроснабжения потребителей, а также обеспечение оптимальной нагрузки используемых в ветроэнергетических установках
дизель-генераторов, и, соответственно, повышению экономичности и моторесурса ветроэнергетических установок в целом.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
Ветроэнергетическая установка включает в себя ветроколесо, генератор переменного тока, регулятор заряда, аккумуляторную батарею, инвертор и дизель-генератор. Установка дополнительно содержит блок оптимизации нагрузки дизеля, включающий трансформатор, датчик тока, блок управления и силовой блок, при этом первичная обмотка трансформатора подключена к напряжению дизель-генератора, вторичная обмотка трансформатора через диодный мост силового блока подключена к аккумуляторной батарее, а силовая цепь дизель-генератора до точки подключения трансформатора пропущена через датчик тока, при этом датчик тока и блок управления подключены к программируемому процессору.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемой ветроэнергетической установки; на фиг.1 - схема блока оптимизации нагрузки дизель-генератора.
Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо 1, генератор переменного тока 2, регулятор заряда 3, аккумуляторную батарею 4, инвертор 5 и дизель-генератор 6. Инвертор и дизель-генератор соединены с потребителями электроэнергии через блок управления 7 блока оптимизации нагрузки дизель-генератора (БОНД) 8, который включает также трансформатор 9, датчик тока 10 и силовой блок 11.
В процессе работы ветроэнергетической установки трехфазный ток с ветрогенератора через соединительный кабель поступает на трехпозиционный рубильник, который позволяет в случае необходимости закорачивать и останавливать ветрогенератор. С рубильника ток, вырабатываемый ветрогенератором, поступает на регулятор заряда. Там он
преобразуется в постоянный ток, который поступает на заряд аккумуляторной батареи. От аккумуляторной батареи питание поступает на инвертор, который преобразует постоянное напряжение 96 В в переменное напряжение 220 В. Напряжение инвертора через блок управления подается на питание потребителей.
В период безветрия, либо при превышении мощностью нагрузки выработки электрогенератора, напряжение аккумуляторной батареи начинает уменьшаться, и, по достижении порогового значения, блок управления дает сигнал на запуск дизель-генератора. После запуска дизель-генератора часть потребителей (освещение, электроплиты и другие электробытовые приборы) переводится на дизель-генератор. Другая часть потребителей энергии (компьютеры, бытовая электроника и т.п. дорогостоящие приборы, кратковременные перерывы в питании которых могут повлечь за собой выход их из строя.
Трансформатор блока оптимизации нагрузки дизель-генератора представляет из себя силовой трансформатор мощностью 6,0 кВА, двухсекционная первичная обмотка которого имеет по 8 отпаек с каждой стороны. Эти обмотки коммутируются 5 бесконтактными тиристорными ключами силового блока (клеммы а, б, в, г, д) по команде, поступающей с блока управления. В каждый момент времени замкнут только один тиристорный ключ. Таким образом меняется коэффициент трансформации трансформатора и, следовательно, напряжение вторичной обмотки (пара клемм ~/~ силового блока). Напряжение вторичной обмотки выпрямляется диодным мостом силового блока и подается на заряд аккумуляторной батареи (клеммы +/- силового блока). Ток заряда аккумуляторной батареи обратно пропорционален коэффициенту трансформации трансформатора.
Количество отпаек (8) больше количества тиристорных ключей (5), что позволяет при введении комплекса в работу подстраивать блок оптимизации нагрузки дизеля под конкретные условия работы.
Первичная обмотка трансформатора подключена к напряжению дизель-генератора. Силовая цепь дизель генератора до точки подключения трансформатора пропущена через датчик тока, который, таким образом, считывает сумму тока внешней нагрузки и тока заряда аккумуляторной батареи (опосредованно).
В блоке управления реализован следующий алгоритм: имеются два настраиваемых порога срабатывания по току, верхний и нижний. Верхний соответствует 80-90% номинальной нагрузки дизель-генератора, нижний - 60-70%. Если ток через датчик тока превысит верхний порог, блок управления немедленно разрывает первичную обмотку трансформатора. Затем блок управления начинает по очереди переключать отпайки трансформатора, поднимая его вторичное напряжение и увеличивая ток заряда. Это происходит, пока ток не превысит нижний порог срабатывания.
Таким образом, нагрузка дизель-генератора постоянно находится в пределах 60-90%, что является оптимальным режимом.
Когда напряжение на аккумуляторной батарее достигает верхнего порогового значения, дизель-генератор останавливается, вся нагрузка опять переводится на инвертор.
В блоке управления предусмотрена возможность принудительной разгрузки генератора сухим контактом (внешняя блокировка 12), что позволяет разгрузить генератор за доли секунды до пуска электродвигателя или включения другого оборудования с большим пусковым током.
Схема датчика тока и блока управления реализована на программируемом процессоре (не показан). Наличие цифрового индикатора и кнопок позволяет настраивать пороги срабатывания и временные уставки при настройке блока для работы с конкретным оборудованием.
Данная схема позволяет обеспечить постоянной электроснабжение, не зависящее от наличия ветра, а также обеспечить дизель-генератор практически постоянной нагрузкой на периоды работы, исключить вероятность его работы на холостом ходу и с малыми нагрузками, что, в свою очередь способствует экономии топлива.