Генератор ветроустановки

Принцип действия ветрогенераторов достаточно прост, все различия в их устройстве обусловлены стремлением повысить эффективность их работы.

Содержание

• Принцип действия генератора ветроустановки
• Особенности ветрогенераторов
• Мощность ветрогенератора и ёмкость аккумуляторных батарей
• Системы регулирования двигателей ветроустановок

Принцип действия генератора ветроустановки

Действие любого промышленного электрогенератора используемого в ветроустановках, основано на эффекте Фарадея, состоящем в том, что магнитное поле, пересекающее с некоторой скоростью проводник, индуцирует в нём электрический ток.

Генератор состоит из двух основных элементов — статора и ротора. Обмотка одного из них (например, статора) является тем проводником, в котором наводится электрический ток, а другой (ротор) состоит из постоянных магнитов или заменяющей их обмотки, создающей магнитное поле.

Если магнитное поле создаётся постоянными магнитами или протекающим по роторной обмотке постоянным током, то в обмотке статора будет индуцироваться переменный ток частоты f₁, равной частоте вращения вала генератора f_s. Если ротор имеет n магнитов или возбуждающих обмоток, то выполняется равенство nf_s=f₁. Такой генератор называется синхронным генератором переменного тока, частота которого жёстко связана с частотой вращения ротора.

Распространённым типом электрогенераторов является генератор переменного тока с короткозамкнутым ротором, роторная обмотка которого, создающая магнитное поле, состоит из короткозамкнутых витков. Ток в этих витках в свою очередь наводится электромагнитным полем тока статорной обмотки. При этом разность фаз тока статора и ротора такова, что происходит преобразование механической энергии, вращающей ротор, в электрическую энергию (напряжение) статора.

Если ротор, имеющий n возбуждающих обмоток, вращается с частотой f_s и при этом в обмотках индуцируется ток частотой f₂, то на выходе генератора частота тока равна f₁=f₂-nf_s. Коэффициент скольжения s=(f₁-f_s)/f₁ у генераторов отрицателен, если же генератор работает в режиме электродвигателя, коэффициент скольжения положителен. Значение s у генераторов обычно меньше 10%.

Для создания в момент запуска генератора, когда ещё отсутствует ток в статоре, начального магнитного поля в роторе обычно используют один из следующих методов:

• магнитное поле создают посторонним источником тока, например от электросети, к которой подключён генератор. Достоинствами метода являются его простота, дешевизна и безопасность, так как на генераторе отсутствует напряжение, если он отключён от сети;
• генератор самовозбуждается посредством замыкания обмотки статора через конденсатор на землю. В этом случае ротор или статор должен обладать остаточным магнетизмом, создающим начальный ток, так как конденсатор лишь обеспечивает необходимый для работы генератора сдвиг фаз.

Генераторы постоянного тока по принципу действия являются синхронной машиной, имеющей коммутирующее устройство в виде кольца с прорезями, называемое коллектором, которое гарантирует однонаправленность выходного тока. При этом ток, являясь однонаправленным, не обязательно постоянен.

Постоянный ток можно получать также и из переменного с помощью выпрямителей. В свою очередь и переменный ток с заданными напряжением и частотой можно получить от источника постоянного тока с помощью инверторов.

Особенности ветрогенераторов

Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом утилизации энергии ветра.

Эффективность преобразования механической энергии в электрическую в ветрогенераторе составляет обычно 95%, а потери электрической энергии при передаче не превышают 10%. Предъявляемые при этом требования к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии зависят от особенностей потребителей этой энергии.

При проектировании ветроустановок надо учитывать следующие их особенности:

• для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса следует изменять частоту его вращения при изменении скорости ветра, сохраняя постоянным коэффициент быстроходности, в то же время для максимально эффективной работы ветрогенератора необходима практически постоянная частота вращения;
• механические системы управления частотой вращения ветроколеса достаточно сложны и дороги. Гораздо эффективнее и дешевле управлять частотой его вращения, изменяя электрическую нагрузку ветрогенератора;
• оптимальная частота вращения ветроколеса тем меньше, чем больше его радиус, поэтому только очень малые ветроколёса (радиусом не более 2 м) удаётся соединять с генератором напрямую. При больших размерах ветроколеса приходится использовать мультипликаторы, удорожающие ветроустановку и её обслуживание. Альтернативой им могут стать многополюсные ветрогенераторы, работающие при меньших частотах вращения;
• в конструкции ветроустановки предусматривается, как правило, возможность отключения генератора от ветроколеса и вращения его от химического или механического аккумулятора энергии, поэтому систему управления ветрогенератором не связывают с работой ветроколеса. При отсутствии такой связи даже при «мягком» соединении генератора с ветроколесом необходимы специальные демпфирующие устройства для исключения механических ударов, перегрузок и бросков напряжений на выходе ветрогенератора.

Кроме того, следует учитывать специфические требования, предъявляемые к выходным параметрам ветроустановки, а именно:

• наиболее благоприятные ветровые условия существуют, как правило, в малонаселённых районах, на островах и в море. Требования к электроэнергии в таких районах весьма специфичны, но почти наверняка её здесь требуется гораздо меньше, чем в развитых промышленных районах;
• анализ парка потребителей электроэнергии показывает, что лишь 5–10% из них предъявляют определённые требования к её параметрам (например, к частоте). Это в основном электродвигатели, электронные устройства и осветительные установки. Поэтому целесообразно так строить систему электроснабжения, чтобы она могла обеспечивать потребителей как дешёвой электроэнергией с нестабилизированными параметрами (например, для отопления), так и относительно дорогой, но со стабильными параметрами;
• энергосистемы в сельской местности обычно маломощные и относительно низковольтные, при передаче электроэнергии на большие расстояния возникает много проблем, связанных с её потерями, поэтому подключение ветроустановок к таким системам нецелесообразно;
• так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ветроустановки должны иметь аккумуляторы энергии или быть параллельными электроэнергетическими установками других типов.

Мощность ветрогенератора и ёмкость аккумуляторных батарей

Мощность ветрогенератора и ёмкость аккумуляторных батарей определяются после выбора типа и схемы использования ветроустановки.

Необходимо стремиться к наилучшему соотношению расчётной мощности генератора и ёмкости батареи. При этом генератор не следует перегружать зарядным током батареи даже при сильном ветре и разряженных батареях. В то же время необходимо полностью использовать мощность ветроустановки.

Для определения мощности ветроустановки следует прежде всего знать суммарную мощность всех присоединяемых потребителей.

Выбирая потребителей надо учитывать, что повышение мощности ветроустановки связано с увеличением стоимости ветродвигателя и его монтажа, аккумуляторных батарей и усложнением эксплуатации. Поэтому для постоянного подключения к агрегату выбирают наиболее экономичные устройства и приборы.

Сначала предварительно рассчитывают мощность ветроустановки, исходя из суммарной присоединённой мощности всех потребителей, которые будут питаться от аккумуляторных батарей. Практика показывает, что присоединённая мощность должна быть не более 50–60% от расчётной мощности генератора, по которой выбирают ветроустановку.

Зная ёмкость аккумуляторной батареи, входящей в комплект ветроустановки, проверяют, не превысит ли ток нагрузки максимально допустимый длительный разрядный ток батареи.

При отсутствии точных данных о величине этого тока, его принимают равным 0,1 величины ёмкости аккумуляторной батареи.

Иногда требуется знать, какова должна быть ёмкость аккумуляторной батареи для обеспечения потребителей электроэнергией. Для этого проводят расчёт ёмкости методом суточных балансов энергии. Зная величину суточного потребления энергии и возможные по ветровому графику суточные выработки ветроустановки за расчётный период, определяют ёмкость батарей при разной степени обеспеченности потребителя энергией.

Системы регулирования двигателей ветроустановок

При увеличении скорости ветра мощность развиваемая генератором ветроустановки, растёт, поэтому, чтобы он не перегружался, необходимо каким-то образом ограничить эту мощность.

Если допустить неограниченное возрастание мощности, то при холостом ходе или небольшой нагрузке и при больших скоростях ветра чрезмерно возрастёт число оборотов ветроколеса, что небезопасно по условиям прочности.

Чтобы при увеличении скорости ветра ограничить повышение числа оборотов и мощности современные ветродвигатели имеют системы регулирования.

Наиболее широко применяют систему регулирования выводом ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана или благодаря эксцентричному расположению оси вращения колеса относительно вертикальной оси поворота головки и систему центробежно-аэродинамического регулирования поворотом лопасти относительно её продольной оси.

Ветроустановки работают в тяжёлых условиях постоянно изменяющейся скорости ветра, часто подвержены воздействию ураганов, пыльных бурь, влаги и других атмосферных явлений. В то же время ветродвигатель должен обеспечить выработку гарантированного количества энергии, тем более что непосредственное аккумулирование энергии ветра невозможно.

В связи с вышесказанным к ветрогенератору и самой ветроустановке в целом предъявляются достаточно специфические требования.