ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к ветро энергетическим 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.
Известна ветроэлектрическая установка, состоящая из ветроколеса, электрического генератора с постоянными магнитами и электрического аккумулятора, при этом статор электрического генератора содержит две обмотки, каждая из которых соединена с аккумулятором через отдельный выпрямитель (патент РФ №2115020, МПК F 03 D 9/02, публикация 1998 г.).
Известно устройство для реализации способа бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии, выполненное в виде ветрогенератора, содержащего генератор переменного тока, выпрямитель, стабилизатор, аккумулятор и нагрузку потребителя, при этом выходная цепь выпрямителя соединена последовательно со схемой «вольт-добавка», выполняющей роль сумматора напряжений (патент РФ №2208890, MПK H 02 J 3/28, публикация 2003 г.).
Известна система для преобразования механической энергии ветроколеса в электрическую энергию заряда аккумуляторной батареи, содержащая ветроколесо, мультипликатор, синхронный генератор, аккумуляторную батарею с нагрузкой и регулятор тока возбуждения синхронного генератора, причем между положительными полюсами выпрямительного моста и аккумулятора включены последовательно соединенные дроссель и диод, при этом катод диода соединен с положительным полюсом аккумулятора, между анодом диода и объединенными отрицательными полюсами выпрямительного моста и аккумулятора включен полупроводниковый ключевой элемент, вход управления которым снимается с выхода системы автоматического регулирования тока заряда аккумулятора на основе сравнения сигнала задания на частоту напряжения статора синхронного генератора, пропорциональную скорости его вращения, с сигналом текущего значения этой частоты, причем сигнал задания снимается с выхода функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом датчика скорости ветра и который реализует оптимальное соотношение скоростей ветра и ветроколеса, при котором мощность, вырабатываемая ветроколесом, остается максимальной на всех режимах работы установки (заявка на изобретение №2002120856, МПК F 03 D 9/02, публикация 27.01.2004 г.).
Известные ветроэнергетические установки при изменении ветровой нагрузки и при различных режимах нагрузки потребителей электроэнергии не обладают достаточной эффективностью в работе.
Задачей создания настоящей полезной модели является расширение арсенала технических средств, используемых в ветроэнергетических установках, преобразующим энергию ветра в электрическую для автономного электроснабжения потребителей, а также повышение эффективности работы ветроэнергетической установки при различных ветровых нагрузках и режимах нагрузки потребителей электроэнергии.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
Ветроэнергетическая установка включает поворотное устройство, содержащее соосно расположенные ветроколесо и генератор переменного тока, а также систему буревой защиты и токосъемник. Токосъемник электрически связан через трехфазный выпрямитель с последовательно соединенными аккумуляторной батареей и инвертором. Установка дополнительно содержит термонагревательный элемент, включенный в цепь после трехфазного выпрямителя и подключенный параллельно аккумуляторной батарее, а также блок контроля заряда аккумуляторной батареи, при этом между выпрямителем и термонагревательным элементом включен силовой ключ на полевых транзисторах, вход управления которым связан с блоком контроля заряда аккумуляторной батареи, а между силовым ключом и аккумуляторной батареей включен диод, анод которого соединен с положительным полюсом аккумуляторной батареи.
Система буревой защиты включает флюгер, состоящий из алюминиевой балки и лопаты, и содержащий шарнир, ось которого расположена под углом к оси поворотного устройство, при этом ось генератора смещена в горизонтальной плоскости относительно оси поворотного устройства.
Поворотное устройство может быть размещено на мачте, собранной из стальных труб, или размещено на решетчатой башне.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемой ветроэнергетической установки; на фиг.2 - показаны уровни напряжений аккумуляторной батареи при различных режимах работы ветроэнергетической установки;
на фиг.3 - изображена верхняя часть ветроэнергетической установки с поворотным устройством; на фиг.4 а, б, в, г - изображены положения элементов буревой защиты ветроэнергетической установки при изменении скорости ветра.
Ветроэнергетическая установка включает поворотное устройство 1, содержащее соосно расположенные ветроколесо 2 и генератор переменного тока 3, а также устройство буревой защиты и токосъемник 4. Устройство буревой защиты содержит флюгер 5, состоящий из алюминиевой балки 6 и лопаты 7. Флюгер закреплен на шарнире 8, ось которого расположена под углом к горизонтальной оси поворотного устройство, смещенной в вертикальной плоскости относительно оси ветроколеса.
Токосъемник 4 электрически связан через трехфазный выпрямитель 9 с последовательно соединенными аккумуляторной батареей 10 и инвертором 11. После трехфазного выпрямителя 9 параллельно аккумуляторной батарее 10 включен в цепь термонагревательный элемент (тэн) 12. Трехфазный выпрямитель 9 входит в состав блока контроля 13 заряда аккумуляторной батареи 10, содержащего также силовой ключ 14 на полевых транзисторах, включенный между выпрямителем 9 и термонагревательным элементом 12, и диод 15, анод которого соединен с положительным полюсом аккумуляторной батареи 10. Вход управления силовым ключом 14 связан с блоком контроля 13 заряда аккумуляторной батареи 10.
Поворотное устройство 1 установлено на мачте 16, выполненной из стальных труб. Поворотное устройство 1 может быть установлено на самоподъемной решетчатой башне (не показана),
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Ветроколесо 2 преобразует энергию ветра в механическую энергию вращательного движения. При слабом ветре флюгер устанавливает ветроколесо перпендикулярно потоку (фиг.4 б). При увеличении скорости ветра ветроколесо поворачивается по отношению к ветровому потоку (уходит из под ветра), а флюгер сохраняет свое положение по отношению к потоку, поворачиваясь вокруг оси шарнира. Каждой скорости ветра соответствует определенный угол поворота плоскости ветроколеса по отношению к направлению ветра (фиг.4 в, г). В каждом положении аэродинамический момент, который возникает из-за смещения оси ветроколеса уравновешивается шарнирным моментом, который возникает из-за наклонного расположения оси флюгера. В свою очередь шарнирный момент флюгера уравновешивается аэродинамическим моментом на флюгере в ветровом потоке. Лопата флюгера находится выше возмущенного ротором потока, что обеспечивает плавную работу буревой защиты.
Соединенный с ветроколесом генератор 3 преобразует механическую энергию в энергию трехфазного тока. Выпрямитель 9 преобразует трехфазный ток в постоянный ток, который заряжает аккумуляторную батарею 10.
Аккумуляторная батарея 10 выполняет две функции. Первая - это стабилизация напряжения. Вторая - это накапливание электроэнергии при отсутствии потребления. К аккумуляторной батарее подключен инвертор 11, который преобразует напряжение постоянного тока в стандартное синусоидальное напряжение 220В/50Гц.
Электрическая схема генератора включает также термонагревательный элемент 12, блок управления, содержащий трехфазный выпрямитель 9, блок контроля заряда 13 аккумуляторной батареи 10, силовой ключ 14, управляемый блоком 13, и диод 15. По команде от блока 13 ключ 14 осуществляет переключение генератора с аккумуляторной батареи на термонагревательный элемент 12. Параметры термонагревательного элемента выбраны таким образом, чтобы при максимальной мощности генератора падение напряжения на термонагревательном элементе было ниже напряжения аккумуляторной батареи (Uaб), при этом ток всегда идет через цепь термонагревательного элемента.
Колебания напряжения аккумуляторной батареи обусловлены различием тока потребления и зарядного тока генератора. Если ток генератора больше тока потребления, то идет заряд аккумуляторной батареи и напряжение повышается, в противном случае аккумуляторная батарея разряжается и напряжение падает.
Блок контроля заряда аккумуляторной батареи обеспечивает три уровня напряжения (фиг.3). Если напряжение аккумуляторной батареи опустилось ниже первого уровня, то блок контроля заряда позволяет достичь аккумуляторной батарее напряжения третьего уровня. Далее зарядка батареи прекращается и генератор переключается на термонагревательный элемент. Если напряжение на аккумуляторной батарее падает ниже второго уровня, то начинается стабилизация второго уровня напряжения. При этом происходит периодическое переключение генератора с аккумуляторной батареи на термонагревательный элемент и обратно. Если в этот момент зарядный ток генератора меньше тока потребления, то стабилизация прекращается и генератор снова переключается на аккумуляторную батарею. Если напряжение аккумуляторной батареи падает ниже первого уровня напряжения, то блок
контроля заряда позволяет снова зарядится аккумуляторной батарее до третьего уровня напряжения. Диод 15, входящий в блок контроля заряда, предотвращает разряд аккумуляторной батареи на термонагревательный элемент при подключении термонагревательного элемента к генератору.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка обеспечивает высокую эффективность работы при различных ветровых нагрузках и различных режимах нагрузки потребителей электроэнергии.