Устройство для преобразования механической энергии ветроколеса в электрическую энергию аккумуляторной батареи

Устройство для преобразования механической энергии ветроколеса в электрическую энергию аккумуляторной батареи, включающее: синхронный генератор; неуправляемый выпрямитель; управляемый повышающий преобразователь; аккумуляторную батарею и тормозное устройство, отличающееся тем, что синхронный генератор выполнен с постоянными магнитами, а система регулирования частоты вращения генератора в зависимости от скорости ветра выполнена косвенной, без использования датчика скорости ветра, путем введения датчика зарядного тока. Техническим результатом данного решения является упрощение конструкции устройства, улучшения надежности и качества работы.

Известна ВЭУ по патенту 2239722 (заявка 2002120856-06), содержащая: ветроколесо, мультипликатор, синхронный трехфазный генератор с внешним возбуждением, нерегулируемый мостовой выпрямитель, повышающий ключевой регулятор, аккумуляторную батарею с нагрузкой, а также две системы автоматического регулирования.

Первая регулирует ток возбуждения генератора по закону максимума КПД системы, в зависимости от частоты его вращения, а вторая регулирует частоту вращения генератора, в зависимости от скорости ветра по закону максимума отбираемой от колеса мощности.

Данное устройство выбрано нами в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются:

1) Применение в качестве генератора - генератора с внешним возбуждением, имеющего невысокий КПД. По этой причине в прототипе вынуждены применить специальную систему автоматического регулирования тока возбуждения, а также мультипликатор, ввиду высокой частоты вращения генератора.

2) В прототипе применен прямой способ подстройки частоты вращения ветроколеса в зависимости от скорости ветра, с использованием датчика скорости ветра. При порывистом ветре такой способ регулирования оказывается в значительной степени нестабильным, в виду большой разницы в инерционности ветроколеса и датчика скорости ветра. Кроме того, ветроколесо и датчик скорости ветра находятся в разных точках пространства и воспринимают ветровые потоки с различными характеристиками, что также ухудшает работу системы.

Целью данного технического решения является устранение указанных недостатков и упрощение конструкции ветроэнергетической установки в целом.

Указанная цель достигается применением трехфазного генератора с постоянными магнитами вместо генератора с внешним возбуждением; выполнением системы регулирования частоты вращения ветроколеса, косвенно зависящей от скорости ветра; это достигается тем, что в контур регулирования введен датчик выходного тока повышающего регулятора (датчик скорости ветра исключен).

Дополнительным преимуществом данного решения является применение электрического торможения ветроколеса при сильном ветре, вместо механического тормозного устройства по прототипу.

Схема предполагаемого устройства показана на рис.1, где обозначено:

1 - ветроколесо; 2 - синхронный трехфазный генератор на постоянных магнитах; 3 - неуправляемый мостовой выпрямитель; 4 - дроссель; 5 -полупроводниковый ключевой элемент; 6 - диод повышающего импульсного регулятора; 7 - датчик выходного тока повышающего регулятора; 8 - аккумуляторная батарея; 9 - внешняя нагрузка; 10 - частотный детектор; 11 - функциональный преобразователь; 12 - узел сравнения аналоговых сигналов; 13 - блок управления повышающего регулятора; 14 - тормозное реле; 15 - блок управления тормозным реле; 16 - узел сравнения аналоговых сигналов.

Устройство работает следующим образом.

Ветроколесо - 1 вращает ротор генератора - 2; вырабатываемая электроэнергия с обмоток генератора - 2 подастся на вход неуправляемого выпрямителя - 3; выходное напряжение выпрямителя - 3 поступает на вход повышающего импульсного регулятора (состоящего из элементов -4, -5, -6) и через датчик - 7 поступает на аккумулятор - 8 и нагрузку - 9.

Улучшение системы согласования работы ветроколеса и генератора достигается следующим образом.

Рабочий диапазон скоростей ветра имеет два характерных участка:

1)Vmin<V_BV_H

2) У_H<V _BVmax

где: V_B - текущее значение скорости ветра;

N_H - номинальное значение скорости ветра;

Vmin - минимальное значение скорости ветра;

Vmax - максимальное значение скорости ветра.

На первом участке мощность вырабатываемой электроэнергии меньше номинального значения для генератора и зависит от скорости ветра по кубическому закону

Коэффициент k зависит в свою очередь от соотношения между частотой вращения генератора и скоростью ветра, причем k максимален при определенном значении этого соотношения. В аэродинамике численное значение этого соотношения называется быстроходностью Z и определяется как соотношение между линейной скоростью движения конца лопасти и скоростью ветра

Где = - частота вращения генератора;

R - радиус ветроколеса.

Из аэродинамики известно, что для различных значений скорости ветра, максимум отбираемой от ветроколеса мощности достигается при Z_опт =(56), т.е. существует оптимальное значение быстроходности Z_опт

То есть, задачей достижения максимума отбираемой мощности на первом участке рабочего диапазона скоростей ветра, является задача стабилизации Z_опт, на этом участке. При этом, значение коэффициента k в соотношении (1) будет максимально возможным и постоянным.

Мощность генератора (без учета КПД повышающего регулятора) равна произведению выходного тока повышающего регулятора на напряжение аккумуляторной батареи, т.е. соотношение (1) преобразуется:

Или

где, I_П - выходной ток повышающего регулятора;

U_АБ - напряжение на аккумуляторной батарее.

Известно, что напряжение на аккумуляторной батарее в процессе заряда-разряда изменяется незначительно, а значит соотношение (3) можно представить в виде

С учетом (2), при Z=Z_опт=const,

Имеем

Из (6) видно, что если функциональный преобразователь - 11 реализует закон кубического корня, то система управления повышающим регулятором (сравнивая сигналы с выхода частотного детектора и функционального преобразователя) будет поддерживать величину k достаточно постоянной.

Регулирование происходит за счет изменения относительного времени замкнутого состояния ключа, таким образом, что за счет отрицательной обратной связи, при увеличении скорости ветра, относительное время замкнутого состояния ключа будет уменьшаться, а выходное напряжение генератора увеличиваться. Так при увеличении скорости ветра в два раза (типичный диапазон скоростей на первом участке) согласно (1), мощность генератора при оптимальном и постоянном k возрастет в 8 раз, а частота вращения генератора, согласно (6), возрастет в 2 раза, т.е соотношение между скоростью ветра и частотой вращения генератора останется неизменным, что и обуславливает постоянство k.

При уменьшении скорости ветра процесс регулирования происходит в обратном порядке, вплоть до минимальной величины скорости ветра.

При скорости ветра менее установленного минимального значения относительное время замкнутого состояния ключа перестает возрастать, а обороты ветроколеса становятся постоянными на минимальном уровне. Это состояние будет сохраняться, пока выходной ток повышающего регулятора не достигнет нулевого значения. При дальнейшем уменьшении скорости ветра обороты ветроколеса начинают резко падать вплоть до остановки. Нижний порог скорости ветра, при котором стабилизируется Z устанавливается путем ограничения относительного времени замкнутого состояния ключа в блоке управления - 13.

Описанная система устойчиво работает при порывистом ветре, так как благодаря своей инерционности, ветроколесо отбирает энергию усредненного по скорости ветрового потока.

Параметры системы рассчитаны таким образом, что при достижении скорости ветра номинального значения, время замкнутого состояния ключа становится равным нулю и система перестает стабилизировать быстроходность Z. При дальнейшем увеличении скорости ветра, напряжение на выходе генератора и его частота вращения будут практически неизменны, что объясняется параметрическим ограничением выходного напряжения генератора за счет непосредственного подсоединения выхода моста к клеммам АВ (падение напряжения на дросселе - 4 и диоде - 5 пренебрежительно мало).

На втором участке рабочего диапазона скоростей ветра мощность генератора будет изменяться от номинального до максимального значения, причем с увеличением скорости ветра коэффициент k в формуле (1) будет уменьшаться, в следствии уменьшения быстроходности при неизменной частоте вращения генератора и увеличивающейся скорости ветра, см. формулу (2).

Иными словами, во втором рабочем диапазоне скоростей ветра происходит полезное ухудшение аэродинамических свойств ветроколеса, что позволяет частично избавиться от избыточной мощности ветрового потока.

При достижении скорости ветра максимального значения, выходной ток так же становится максимальным и сигнал на выходе датчика тока - 7 достигает порогового значения (_п), регистрируемого узлом сравнивания аналоговых сигналов - 16. При этом включается в работу блок управления тормозным реле - 15, в результате чего происходит закорачивание обмоток генератора и остановка ветроколеса.

По истечении заданного времени, контакты тормозного реле размыкаются и ветроколесо вновь раскручивается. Процесс повторяется до тех пор, пока скорость ветра превышает рабочий диапазон.

Таким образом, данное техническое решение обеспечивает более адекватное регулирование работой ветроэнергетической установки и упрощает ее конструкцию.

Устройство для преобразования механической энергии ветроколеса в электрическую энергию аккумуляторной батареи, включающее ветроколесо, синхронный генератор, неуправляемый выпрямитель, управляемый повышающий преобразователь, аккумуляторную батарею, нагрузку и тормозное устройство, отличающееся тем, что синхронный генератор выполнен с постоянными магнитами, в систему управления зарядом аккумуляторной батареи введен датчик зарядного тока, а тормозное устройство выполнено электрическим за счет закорачивания обмоток генератора.