СПОСОБ РАБОТЫ АВТОНОМНОЙ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
METHOD FOR OPERATION OF AUTONOMOUS WIND-ELECTRIC STATION

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для электроснабжения автономных потребителей.
Известен способ управления ветроэнергетической установкой (заявка №2005112903), включающий ориентирование лопастей ветроколеса относительно плоскости его вращения в диапазоне углов от конструктивно минимального до флюгерного в режиме разгона, рабочем или останова ветроколеса, удержание лопастей на установочном угле, при котором стабилизируют вращение ветроколеса в диапазоне номинальной угловой скорости рабочего режима, включение/выключение нагрузки и/или тормоза. Для реализации данного способа требуется сложная система управления и специальный механизм регулирования угла установки лопастей. Помимо усложнения конструкции и системы управления недостатком способа является возникновение автоколебаний лопастей, возникающих при изменении угла их установки во время работы, что приводит к снижению долговечности ветроколеса и ухудшает условия функционирования.
Известна ветроэлектростанция (заявка №2003103190), содержащая ветроколесо, подсоединенное 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, подключенных к выходу выпрямителя, блок балластных сопротивлений, подключенный к регулятору напряжения, а также регулятор мощности балласта, вход которого подключен к регулятору напряжения, а выход соединен с входом блока балластных сопротивлений. Это устройство позволяет реализовать способ стабилизации тока заряда аккумуляторной батареи за счет регулирования напряжения на входе выпрямителя. Однако наличие балластных сопротивлений приводит к потере энергии на них, что снижает коэффициент полезного действия ветроэлектростанции.
Известен ветроагрегат и способ регулирования его мощности (заявка №95110147). Ветроагрегат содержит два ветроколеса с нерегулируемыми углами установки крыльев, а регулирование мощности заключается в избирательном подключении ветроколес к электрогенератору. Этот ветроагрегат имеет громоздкую конструкцию, снижающую надежность его эксплуатации.
Предлагаемым изобретением решаются задачи повышения эффективности, надежности и долговечности работы ветроэлектростанции, а также расширения диапазона используемых скоростей ветра.
Для достижения указанного технического результата угол установки крыльев рассчитывают на номинальную частоту вращения ветроколеса и делают неизменным, а в процессе работы на скоростях ветра, отличных от расчетной, стабилизируют номинальную частоту вращения ветроколеса под нагрузкой путем придания ветроколесу возможности авторегулирования коэффициента отбора энергии ветра за счет электродинамического подтормаживания генератора током заряда аккумуляторной батареи, по номинальной величине которого выбирают емкость аккумуляторной батареи, а ее напряжение принимают путем экспериментального подбора количества аккумуляторов в батарее, обеспечивающего номинальную частоту вращения ветроколеса.
Отличительным признаком предлагаемого способа является стабилизация номинальной частоты вращения ветроколеса под нагрузкой путем придания ветроколесу с нерегулируемыми углами установки крыльев возможности авторегулирования коэффициента отбора энергии ветра с помощью электродинамического подтормаживания генератора током заряда аккумуляторной батареи.
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации признак, характеризующий предлагаемый способ работы автономной ветроэлектростанции, не был обнаружен. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию новизны.
На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей существует неочевидная причинно-следственная связь. Из этого можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном способе не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предложенное техническое решение имеет применение в способах работы и конструкциях автономных ветроэлектрических станций, производимых ЗАО «НПО «Ветротехника», и, следовательно, соответствует критерию «промышленная применимость».
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
При кинематическом расчете ветродвигателя ветроэлектростанции задают:
г
н
п
п
г
мощность N генератора, номинальную частоту вращения ω ветроколеса, предварительное значение номинального коэффициента ξ отбора энергии ветра, предварительное значение номинальной скорости V ветра, на которой вырабатывается мощность N. Исходя из заданных значений, по известной формуле определяют требуемый радиус R ветроколеса
где η - коэффициент полезного действия трансмиссии между ветроколесом и генератором;
н
ρ - плотность воздуха при нормальных атмосферных условиях.
н
С помощью известной формулы определяют номинальную быстроходность Z ветроколеса
н
Используя значение Z, по известной методике аэродинамического расчета ветроколеса для характерных сечений крыла вдоль его оси определяются углы установки φ профилей, ширина b и толщина δ.
п
н
г
Полученные данные с помощью методики аэродинамического расчета ветроколеса используются для определения фактического значения номинального коэффициента ξ отбора энергии ветра. Затем с помощью формулы (1) рассчитывается фактическое значение номинальной скорости V ветра, на которой вырабатывается мощность N
а
Изготовленная с учетом вышеприведенных расчетов ветроэлектростанция снабжается аккумуляторной батареей (АБ), параметры которой назначаются следующим образом. Емкость С задают, исходя из значения номинального тока Iн заряда аккумуляторов, который определяется по формуле
cx
где k - коэффициент схемы выпрямителя;
D
U - номинальное напряжение генератора.
а
н
A
Тогда, например, при использовании кислотных аккумуляторов согласно стандартам - С=5·I. Предварительное значение напряжения U аккумуляторной батареи (число последовательно соединенных аккумуляторов) задают равным
г
D
cx
Пример. Дано: N=30 кВт, U=380 В, k=1,355. Тогда
н
a
А
3
I=30·10/(1,355·380)=58,3 A, C=5·58,3=291,5 Ач (ближайшее типовое значение 300 Ач), а U=1,355·380=514,9 В (ближайшее типовое значение для кислотных аккумуляторов, номинальное напряжение каждого из которых равно 2 В, составляет 516 В).
Ветроэлектростанция для реализации способа обязательно содержит датчик скорости ветра, нормально замкнутый электротормоз, удерживающий ветроколесо от вращения, и контроллер управления.
Работа ветроэлектростанции, параметры которой назначены с учетом формул (1)-(6), осуществляется так. При возникновении ветра, имеющего скорость рабочего диапазона (3-25 м/с), контроллер по сигналу датчика скорости ветра разводит колодки тормоза. Получив степень свободы, ветроколесо разгоняет ротор генератора до угловой скорости, соответствующей началу самовозбуждения генератора. Выпрямленное напряжение статора генератора поступает на клеммы АБ. В тот момент времени, когда выпрямленное напряжение генератора начинает превышать значение э.д.с. АБ, генератор получает электрическую нагрузку, соответствующую мощности зарядки АБ. С этого момента генератор, как источник электроэнергии, и АБ, как приемник электроэнергии, находятся в устойчивом взаимодействии. Это взаимодействие заключается в поддержании баланса между производимой и потребляемой мощностями. Указанный баланс приводит к стабилизации угловой скорости генератора на строго определенном значении, которое не зависит от изменения скорости ветра. Это происходит из-за того, что изменение скорости ветра приводит к росту мощности, производимой генератором, согласно выражению (3). При этом согласно выражению (2) должно было бы произойти увеличение угловой скорости ветроколеса и кинематически связанного с ним генератора. Однако увеличение угловой скорости генератора сопровождается ростом его напряжения и, следовательно, повышением тока заряда АБ. Так как внутреннее сопротивление АБ значительно меньше сопротивления статора генератора, то увеличение тока заряда АБ и, следовательно, тока статорной обмотки генератора создает электродинамическое подтормаживание генератора и кинематически связанного с ним ветроколеса. Так как ветроколесо приводится во вращение поступательно движущимся потоком воздуха, имеющего упругие свойства, то подтормаживание ветроколеса приводит к частичному срыву потока на крыльях. При этом часть объема воздуха, участвующего во вращении ветроколеса, пропускается сквозь него, уменьшая коэффициент отбора ветроколесом энергии ветра. Следовательно, согласно формуле (2) уменьшается значение быстроходности Z ветроколеса от его номинального значения. Таким образом, несмотря на увеличение скорости ветра сверх номинального значения, мощность ветроколеса и соответственно мощность генератора поддерживается на постоянном уровне.
При уменьшении скорости ветра от номинального значения происходит постепенное (из-за инерционных свойств ветроколеса) уменьшение угловой скорости генератора, уменьшается напряжение генератора, прекращается зарядка АБ и ветроколесо переходит на холостой режим работы. Лишившись нагрузки, ветроколесо начинает увеличивать угловую скорость до номинального значения, что вновь приводит к появлению зарядного тока. Этот переходный процесс продолжается до тех пор, пока не установится равенство мощностей генерации и зарядки АБ. Следовательно, на скоростях ветра, меньших номинального значения, мощность зарядки АБ всегда соответствует мощности, производимой ветроколесом с генератором, при постоянном значении угловой скорости ветроколеса.
A
Предварительно выбранное значение напряжения U АБ (число последовательно соединенных аккумуляторов) корректируется для каждой новой ветроэлектростанции с помощью специального эксперимента. Необходимость такого эксперимента обусловлена тем, что при оснащении ветроэлектростанции АБ заранее неизвестно внутреннее сопротивление заряженной АБ, а его непосредственный замер сопряжен с определенными трудностями и не гарантирует получения точного результата. Так как значение внутреннего сопротивления АБ влияет на величину тока зарядки АБ при подаче на ее клеммы определенного напряжения, то в предлагаемом способе требуемое значение угловой скорости генератора (и соответственно ветроколеса) пропорционально зависит от этого сопротивления.
A
Проведенные опыты показывают, что подбор количества аккумуляторов в батарее, обеспечивающего номинальную частоту вращения ветроколеса, происходит путем добавления или уменьшения 2÷3-х аккумуляторов от первоначально заданного количества, обеспечивающего предварительно выбранное значение напряжения U АБ.
Экспериментальный подбор количества аккумуляторов в батарее, обеспечивающего номинальную частоту вращения ветроколеса, осуществляется следующим образом.
A
д
н
д
н
д
д
Н
Трансмиссия ветродвигателя снабжается тахометром, показывающим угловую скорость ветроколеса и соответственно генератора. АБ с предварительно выбранным значением напряжения U подключается к выходу выпрямителя электрической системы ветроэлектростанции, вход которого подключен к статорным обмоткам генератора. Ветроэлектростанция вводится в действие. При установившемся режиме зарядки АБ осуществляется замер действующего значения угловой скорости ωветроколеса, который сравнивается с номинально заданным значением ω. Если ω<ω, то производится торможение ветроколеса и к АБ последовательно добавляется 1, 2 или 3 аккумулятора, и вновь осуществляется ввод ветроэлектростанции в действие и замер значения ω. Указанные действия осуществляются до тех пор, пока не установится равенство ω=ω.
д
н
д
д
Н
Если первоначальный замер показывает, что ω>ω, то от АБ во время остановки ветроэлектростанции последовательно отсоединяется 1, 2 или 3 аккумулятора, осуществляется ввод ветроэлектростанции в действие и замер значения ω. Указанные действия осуществляются до тех пор, пока не установится равенство ω=ω.
Предлагаемый способ работы автономной ветроэлектрической станции прошел многократную апробацию на изделиях и эффективно используется в большинстве практических разработок ЗАО «НПО «Ветротехника».