ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для производства электроэнергии.
Тенденция XXI века в области энергетики складывается в более широком распространении децентрализованной энергетики, для которой предоставляется наиболее целесообразным оборудование малой (нетрадиционной) энергетики.
В основном ряд отечественных моделей ветрогенераторов представлен высокооборотными асинхронными двигателями с подключением фазных конденсаторных батарей для выполнения условий генерации электроэнергии. Подключенные через 3-ступенчатые редуктора к тихоходным ветротурбинам, подобные конструкции вообще неприемлемы для современных ветрогенераторов. В частности, момент «трогания с места» в несколько раз превышает необходимый момент и мощность для генерации самой электроэнергии. Для устранения подобного недостатка некоторые конструкции оснащались системой запуска такого агрегата путем переключения генератора в режим двигателя при появлении необходимой силы ветра. Подобные системы управления достаточно дороги и не устраняют всех недостатков конструкции. Создавались и синхронные генераторы с упрощенной системой электромеханического регулирования, но такие системы обладали все тем же набором недостатков и были дороги и ненадежны.
Известен «Безредукторный ветроагрегат», авторское свидетельство SU 861715, F03D 1/00, опубл. 1981.09.07, содержащий горизонтально установленный магнитоэлектрический генератор с сегментным ротором, сегменты которого размещены на крыльях ветроколеса, и круговым статором, выполненным из отдельных сегментов.
Известен ветрогенератор, патент GB 2233715, F03D 9/00, опубл. 1991,01,16, содержащий башню с поворотными ветроколесами, устройство установки на ветер, а также роторы и статоры с обмотками. Недостатком данных устройств является увеличенная масса ротора, который фактически имеет диаметр, равный диаметру самого ветроколеса, что в случае применения ветроколес большого диаметра практически неприемлемо.
Известен ветрогенератор, патент RU 2204050, F03D 9/00, опубл. 2003,05,10, содержащий магнитоэлектрический генератор со статором и ротором, закрепленным на крыльях ветроколеса, отличающийся тем, что он содержит корпус, выполненный в виде кольца с выполненными входным отверстием, изготовленным в виде конфузора и
выходным отверстием, изготовленным в виде диффузора, причем кривая, образующая поверхность конфузора, соответствует кривой, образующей поверхность диффузора, при этом в корпусе размещен жестко закрепленный вал с размещенными на нем крыльями ветроколеса, причем крылья установлены с возможностью вращения вокруг продольной оси вала, при этом на крыльях ветроколеса установлен ротор, выполненный в виде постоянных магнитов, а симметрично крыльям установлен статор, выполненный в виде катушек с проводом, закрепленных, например, на диске, при этом диск размещен на валу неподвижно, а между статором и ротором имеется зазор, кроме того, вал закреплен на опоре с возможностью вращения вокруг оси опоры.
К основным недостаткам всех выпускаемых систем ветровых электрогенераторов можно выделить следующее:
1. невозможность поддержки генерируемых частоты и напряжения в широких пределах изменения скорости ветра, что имеет место при эксплуатации любой ветроэнергетической установки.
2. низкая конструктивная надежность при наличии токосъемников и коллекторных систем.
3. низкая конструктивная надежность при наличии редуктора.
4. снижение надежности при применении в системах управления коммутирующих электромеханических устройств.
Наиболее близким к заявленному предложению является ветроэлектростанция, патент RU 2184267, F03D 9/00, «Ветрогенератор», опубл. 2002,06,27, содержащий башню с поворотными ветроколесами, устройство установки на ветер, роторы и статоры с обмотками, отличающийся тем, что роторы выполнены в виде аэродинамических шайб, представляющих собой двояковогнутые диски, закрепленные на концах лопастей, а статор содержит полюсные наконечники, торцы которых магнитно связаны с роторами.
Недостатком прототипа является нестабильность работы при переменных скоростях ветрового потока.
Задачей предлагаемой модели является обеспечение стабильности энергетического режима потребления в широком диапазоне изменения скорости ветра.
Технический результат, проявляющийся при использовании заявляемого устройства, заключается в стабилизации частоты и величины выходного напряжения при возможном изменении скорости ветра и характера нагрузки сети.
Указанный технический результат достигается тем, что ветроэлектростанция, содержащая установленное на башне на вертикальном валу ветротурбину и генератор,
кинематически связанный посредством вертикального вала с ветротурбиной, генератор снабжен блоком управления частотой и амплитудой выходного напряжения, выполнен низкооборотным, постоянные призматические магниты установлены в пазах статора, материал сердечника статора выполнен из изотропного материала с близкой к прямоугольной петлей гистерезиса, например, магнитный сплав 65НП.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фигуре 1 изображена заявляемая ветроэлектростанция, на фигуре 2 - эскиз-схема низкооборотного генератора, фигуре 3 - эскиз-схема соединения электронных компонентов управления, фигуре 4 - блок-схема блока управления энергетическим режимом.
Ветроэлектростанция (фиг.1) содержит установленные на опорной платформе 1 на вертикальном валу 2 ветротурбину 3 и генератор 4, кинематически связанный посредством вертикального вала с ветротурбиной 3, блок управления 5 частотой и амплитудой выходного напряжения.
Генератор (фиг.2) выполнен низкооборотным, постоянные призматические магниты 6 установлены в пазах ротора 8, сердечник статора 7 выполнен из изотропного материала с близкой к прямоугольной петлей гистерезиса, например, магнитный сплав 65НП, а ротор 8 размещен во внутренней полости статора. На роторе 8 отсутствуют обмотки возбуждения. Фазные обмотки 9 расположены только на пазах статорного железа и конструктивно совершенно идентичны между собой. Тепловыделение происходит непосредственно на статоре 7. При такой конструкции достаточно просто решаются проблемы отвода избыточного тепла. Диск ротора 8 выполнен полым. Количество и физический размер полюсов машины данной конструкции определяют как массогабаритные характеристики, так и мощность при заданном моменте и заданном диапазоне частоты вращения ротора 8. В целом, исходя из результатов испытаний, значение массогабаритных характеристик конструкции генератора значительно меньше по сравнению с сопоставимыми аналоговыми моделями. Блок управления 5 фиг 1 может быть выполнен в виде системы управления сегментными электрическими генераторами, содержащей обмотку возбуждения, обмотки статора, соединенные с диодами схемы выпрямления, которые, в свою очередь, соединены с регулятором напряжения и аккумуляторной батареей, повышающий трансформатор с обмотками, диод и накопительный конденсатор, причем входные обмотки повышающего трансформатора соединены с обмотками статора, а выходная обмотка через диод - с накопительным конденсатором, а обкладки конденсатора соединены с регулятором и
массой (Патент RU 2277749. Публикация 10.06.2006 г. С1 H02P 9/30 F03D 9/00 (2006/01), где также используются накопительные конденсаторы, но коммутация статорных обмоток в зависимости от угла поворота ротора и тока в катушках не осуществляется оптимальным способом, который может выполняться только при применении электронного способа коммутации и программного синтеза сигналов.
Управление генератором 4 фиг 1 электроэнергии осуществляется при помощи высокоэффективных силовых полупроводниковых элементов (IGBT - MOSFET - HEXFET) - ключей - надежность которых превышает надежность механических и электрических систем, например таких как коллекторы, обмотки катушек, подшипники и т.д. и микропроцессорным электронным блоком, выполненным на базе 16-разрядных микроконтроллеров нового поколения, с встроенной цифровой (программой) управления основными режимами генератора. Все режимы генератора 4 могут контролироваться и корректироваться дистанционно при помощи интерфейсов USB 2.0, RS-232, RS-485, к которым могут быть подключены специализированные пульты управления или компьютеры. Анализ и синтез параметров генератора 4 осуществляется с учетом дискретности цикла и существенной нелинейной зависимости между токами в фазных катушках и создаваемыми ими магнитными потоками.
В определенном (дискретном) промежутке времени, используя в качестве датчиков фазные катушки 9 статора 7 фиг.2, измеряются параметры величины магнитных потоков, аппаратно-программная система управления производит расчет магнитного поля и задает величину и форму управляющих импульсов, подаваемых также на фазные катушки 9 статора 7. При этом учитывается и корректируется величина потокосцепления фазной обмотки в зависимости от угла поворота ротора 8. Общий цифровой синтез получаемых сигналов с электронного коммутатора осуществляется программно с помощью микропроцессорного блока, входящего в систему управления, (фиг.3, 4) Программный синтез сигналов позволяет оперативно изменять частоту, форму и амплитуду выходных и управляемых импульсов в зависимости от положения ротора. Основная управляющая программа контроллера хранится в Flash-памяти и может по желанию пользователя корректировать или изменять основные характеристики и алгоритм работы генератора непосредственно во время настройки или выбора оптимального рабочего режима. Подключение и доступ может осуществляться программно при помощи различных типов интерфейсов: RS-232, RS-485, USB 2.0.
Заявляемая полезная модель обеспечивает стабильность работы ветроэлектростанции в широком диапазоне изменения скорости ветра.