Ветроэнергетическая установка

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в автономных системах электроснабжения, использующих возобновляемые виды энергии, а также для питания погружных электронасосов и других электропотребителей. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей установки, повышении коэффициента полезного действия, надежности и качества электроэнергии. Ветроэнергетическая установка содержит зубчатую дифференциальную передачу, ветродвигатель, датчик частоты вращения вала ветродвигателя, машину постоянного тока, инвертор напряжения, аккумуляторную батарею, регулятор возбуждения, блок отключения возбуждения и электрическую нагрузку. Электрическая нагрузка подключается к инвертору напряжения, который соединен с машиной постоянного тока, приводимой в движение ветродвигателем. Накопителем энергии является аккумуляторная батарея. При наличии ветра машина постоянного тока вырабатывает энергию, которая поступает к электрической нагрузке через инвертор напряжения. Одновременно подзаряжается аккумуляторная батарея. Когда ветер слабый или отсутствует, блок отключения возбуждения препятствует разряду аккумуляторной батареи на обмотку возбуждения машины постоянного тока. 1 ил.

 

Изобретение относится к энергетике, в частности к автономным системам электроснабжения, использующим возобновляемые виды энергии для питания погружных электронасосов и других электропотребителей на садово-огородных участках, мелких фермерских хозяйствах и других подобных объектах.

Известен агрегат бензиновый АБ-1-0/230 (см. Алексеев А.П. и др. «Дизельные и карбюраторные электроагрегаты и станции». М., «Машиностроение», 1973 г., на с.22), предназначенный для питания однофазных потребителей переменного тока напряжением 220 В. Агрегат может быть использован на садово-огородном участке для питания погружного электронасоса мощностью до 250 Вт, напряжением 220 В. Недостатком является сложность конструкции в целом и его узлов. Это влечет за собой значительную стоимость агрегата, которая может быть недоступной садоводу-любителю или владельцу мелкого фермерского хозяйства при отсутствии централизованного электроснабжения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению является ветроэлектрическая установка (патент РФ на изобретение RU 2210854 C2, Н 02 Р 9/06, Н 02 Р 9/42, F 03 D 9/02, опубл. 2003.08.20), содержащая зубчатую дифференциальную передачу, звенья которой механически соединены с валом ветродвигателя, валом генератора переменного тока и с регулируемой машиной постоянного тока соответственно. Якорь регулируемой машины постоянного тока электрически связан с якорем второй машины постоянного тока, механически соединенным с валом генератора переменного тока. Вторая машина постоянного тока имеет дополнительную обмотку возбуждения, соединенную с усилительным устройством. Вход последнего подключен к выходу регулятора, один из входов которого подключен к выходу формирователя скорости, а другой - к выходу сумматора. Вход формирователя скорости соединен с выходом датчика частоты вращения вала ветродвигателя, к второму входу сумматора подключен задатчик активной мощности.

Недостатками ветроэлектрической установки являются:

1. Низкий КПД и надежность;

2. Колебание частоты выходного напряжения;

3. Возникновение несимметричной нагрузки генератора при питании однофазного электропотребителя;

4. Невозможность автономного питания электропотребителей в периоды штиля.

Это снижает эффективность использования ветроэнергетической установки и ограничивает область ее применения.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей ветроэлектрической установки за счет обеспечения автономности питания электропотребителей в период штиля, повышение КПД, надежности и качества электроэнергии.

Поставленная задача решается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей зубчатую дифференциальную передачу, вход которой механически соединен с валом ветродвигателя, а первый и второй выходы - с датчиком частоты вращения вала ветродвигателя и генератором соответственно путем того, что генератором является машина постоянного тока, подключенная к установленным инвертору напряжения, аккумуляторной батарее, регулятору возбуждения и блоку отключения возбуждения. Силовой выход машины постоянного тока подключен ко входу инвертора напряжения, имеющего на выходе электрическую нагрузку, аккумуляторной батарее и входу регулятора возбуждения. Выход последнего связан с первым входом блока отключения возбуждения, второй вход блока отключения возбуждения присоединен к выходу датчика частоты вращения вала ветродвигателя. Выход блока отключения возбуждения присоединен к выводам обмотки возбуждения машины постоянного тока.

Это позволило повысить КПД ветроэнергетической установки за счет сокращения количества электрических машин.

Снижение колебания частоты выходного напряжения достигнуто использованием инвертора напряжения, имеющего генератор тактовых импульсов со стабилизацией частоты. Это особенно важно, если в качестве электрической нагрузки используется погружной электронасос вибрационного типа. От стабильности частоты питающего напряжения существенно зависят производительность и напор электронасоса.

Исключение несимметричного режима работы генератора переменного тока при работе на однофазный погружной электронасос достигнуто использованием в качестве генератора машины постоянного тока и однофазного инвертора, с выхода которого снимается переменное напряжение.

Автономность питания электропотребителей в периоды штиля достигается использованием инвертора напряжения совместно с аккумуляторной батареей, играющей роль накопителя энергии.

По имеющимся у авторов сведениям совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению авторов, несмотря на то, что элементы, составляющие ветроэнергетическую установку, известны в технике, но новая совокупность признаков, а именно использование в качестве генератора машины постоянного тока установки инвертора напряжения и аккумуляторной батареи, их взаимосвязь и свойства, которые при этом проявляются, позволяют получить такой технический результат, как повышение КПД ветроэнергетической установки и ее надежности, снижение колебания частоты выходного напряжения, исключение несимметричной нагрузки генератора при питании однофазного электропотребителя, не известны и не следуют явным образом из известного уровня техники, т.е. не была известна причинно-следственная связь вышеперечисленных признаков и полученного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе, может быть многократно использована в промышленности и сельском хозяйстве с получением технического результата, заключающегося в обеспечении автономности питания электропотребителя в периоды штиля, обусловливающего обеспечение достижения поставленной цели - расширение функциональных возможностей ветроэнергетической установки, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема ветроэнергетической установки.

Ветроэнергетическая установка, содержащая зубчатую дифференциальную передачу 2, вход которой механически соединен с валом ветродвигателя 1, а первый и второй выходы - с датчиком 3 частоты вращения вала ветродвигателя 1 и генератором соответственно. Генератором является машина постоянного тока, подключенная к установленным инвертору напряжения 8, аккумуляторной батарее 6, регулятору возбуждения 5 и блоку 4 отключения возбуждения, причем силовой выход машины 7 постоянного тока подключен ко входу инвертора напряжения 8, имеющего на выходе электрическую нагрузку 9, аккумуляторной батарее 6 и входу регулятора возбуждения 5. Выход последнего связан с первым входом блока 4 отключения возбуждения, второй вход которого присоединен к выходу датчика 3 частоты вращения вала ветродвигателя 1. Выход блока 4 отключения возбуждения присоединен к выводам обмотки возбуждения машины 7 постоянного тока.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Вращение ветродвигателя 1 передается через дифференциальную зубчатую передачу на вал машины 7 постоянного тока и датчик 3 частоты вращения вала ветродвигателя 1. Если величина выходного сигнала датчика 3 частоты вращения не достигла установленного значения, то блок 4 отключения возбуждения не подает напряжение на обмотку возбуждения машины 7 постоянного тока. Питание электрической нагрузки 9 осуществляется от аккумуляторной батареи 6 через инвертор напряжения 8. Он преобразует напряжение аккумуляторной батареи 6 в переменное напряжение, соответствующее паспорту электрической нагрузки 9. При достижении определенной частоты вращения уровень выходного сигнала, поступающий с датчика 3 частоты вращения вала ветродвигателя 1, оказывается достаточным для срабатывания блока 4 отключения возбуждения генератора 1 постоянного тока. Он подает напряжение на обмотку возбуждения машины 7 постоянного тока от аккумуляторной батареи 6 через регулятор возбуждения 5. На выходе машины 7 постоянного тока появляется напряжение, которое используется для питания электрической нагрузки 9 и зарядки аккумуляторной батареи 6. При дальнейшем росте частоты вращения вала ветродвигателя 1 регулятор возбуждения 5 поддерживает напряжение на выходе машины 7 постоянного тока в заданных пределах.

При уменьшении скорости ветра ниже порогового значения на выходе датчика 3 частоты вращения вала ветродвигателя 1 блок 4 отключения возбуждения машины 7 постоянного тока разрывает цепь питания ее обмотки возбуждения. Это препятствует разряду аккумуляторной батареи 6 на обмотку возбуждения машины 7 постоянного тока во время штиля.

Использование в схеме машины постоянного тока позволяет повысить КПД и надежность ветроэнергетической установки.

Использование инвертора напряжения с внутренним генератором тактовых импульсов со стабилизацией частоты минимизирует колебания частоты выходного напряжения.

Использование машины постоянного тока и инвертора напряжения исключает возникновение несимметричного режима работы ветроэнергетической установки при питании однофазных потребителей.

Применение аккумуляторной батареи позволяет обеспечить надежность автономного электроснабжения.

Следовательно, предлагаемая ветроэнергетическая установка позволяет достичь поставленной цели, т.е. повысить КПД и надежность ветроэнергетической установки, улучшить качество электрической энергии, обеспечить автономное питание электропотребителей в период штиля при отсутствии централизованного электроснабжения.

Ветроэнергетическая установка, содержащая зубчатую дифференциальную передачу, вход которой механически соединен с валом ветродвигателя, а первый и второй выходы - с датчиком частоты вращения вала ветродвигателя и генератором соответственно, отличающаяся тем, что генератором является машина постоянного тока, подключенная к установленным инвертору напряжения, аккумуляторной батарее, регулятору возбуждения и блоку отключения возбуждения, причем силовой выход машины постоянного тока подключен ко входу инвертора напряжения, имеющего на выходе электрическую нагрузку, аккумуляторной батарее и входу регулятора возбуждения, выходом связанного с первым входом блока отключения возбуждения, второй вход которого присоединен к выходу датчика частоты вращения вала ветродвигателя, а выход блока отключения возбуждения присоединен к выводам обмотки возбуждения машины постоянного тока.