ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1994 года по МПК F03D9/00 F03D9/02 F03D7/00 F03D7/04 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в ветроэнергетических установках, непрерывно обеспечивающих потребители электрической энергией переменного тока при изменяющейся мощности нагрузки и переменном ветровом потоке. Решение данной задачи возможно при совместной работе ветроэнергетической установки и накопителя электрической энергии. Поскольку потребление электрической энергии в течение суток не является величиной постоянной, то с уменьшением нагрузки при благоприятных условиях (большая скорость ветра) излишки энергии можно аккумулировать путем электролиза воды на водород и кислород, которые затем используются для получения электроэнергии с помощью топливных элементов. Причем, избытки вырабатываемого водорода можно применять в качестве энергоносителя для различных целей.

Известны ветроэнергетические установки, содержащие различные типы накопителей электрической энергии [1,2,3]. Основной недостаток таких систем - низкая экономичность установок при переменном ветровом потоке и изменяющейся мощности нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемой установке является устройство для питания нагрузки постоянным током [3]. Низкая экономичность прототипа обусловлена невозможностью выбора оптимального режима по критерию вырабатываемой генератором мощности и меняющейся нагрузкой потребителя. Причиной этого является отсутствие в прототипе системы, обеспечивающей сравнение мощности вырабатываемой генератором при данном ветровом потоке и мощности потребителя в конкретный момент времени.

Цель изобретения - повышение КПД ветроэнергетической установки при переменной скорости ветра и изменяющейся величине нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее ветроагрегат, состоящий из ветродвигателя и генератора переменного тока, управляемый выпрямитель, соединенный с электрическим выходом генератора, электролизер, получающий питание от управляемого выпрямителя и обеспечивающий электролиз воды на водород и кислород, газовые газгольдеры, которые служат для хранения водорода и кислорода, поступающих из электролизера, блок автоматической подачи газов, соединенный с выходами газгольдеров и обеспечивающий подачу водорода и кислорода в период отсутствия ветрового потока, низкотемпературную водородно-кислородную топливную батарею (электрохимический генератор), вход которого соединен с блоком автоматической подачи газов, а его выход - с нагрузкой, дополнительно включены датчик частоты вращения, механически связанный с ротором генератора переменного тока, функциональный преобразователь, электрически соединенный с выходом датчика частоты вращения и обеспечивающий на выходе сигнал, пропорциональный кубической зависимости частоты вращения вала ветродвигателя, сумматор, который одним из своих входов соединен с выходом функционального преобразователя, датчик мощности формирующий сигнал, пропорциональный мощности потребителя в данный момент времени, который подается на второй вход сумматора, интегратор, на вход которого подается разностный сигнал с выхода сумматора, нуль-орган и блок управления непосредственным преобразователем частоты (НПЧ), входы которых соединены с выходом интегратора, один из выходов нуль-органа соединен с управляемым выпрямителем, а второй его выход соединен с блоком автоматической подачи газов, непосредственный преобразователь частоты, один из входов которого связан с блоком управления НПЧ, второй силовой его вход соединен со статорными обмотками генератора переменного тока, а его выход подключен к нагрузке, блок синхронизации, вход которого соединен с выходом НПЧ, инвертор, на один из входов которого поступает сигнал с блока синхронизации, второй его вход соединен с электрохимическим генератором, а силовой выход инвертора подключен к нагрузке.

Добавленные элементы составляют систему управления ветроэнергетической установкой и обеспечивают более экономичный и оптимальный режим ее работы при переменной скорости ветра и изменяющейся величине нагрузки.

Это объясняется тем, что сигнал на выходе нуль-органа формируется в зависимости от соотношения мощностей генератора и потребителя и поступает на управляемый выпрямитель ΔР, при избытке электрической мощности, вырабатываемой генератором, и на блок автоматической подачи газов -ΔР при ее недостатке. В первом случае часть мощности ветрогенератора через управляемый выпрямитель поступает на электролизер для электролиза воды на водород и кислород, а во втором случае - на блок автоматической подачи газов и электрохимический генератор, нагрузкой которого является инвертор, обеспечивающий питание потребителя переменным током стабильной частоты, синхронизация которой осуществляется блоком синхронизации. Таким образом, повышение экономичности установки возможно при наличии в ветроэнергетической установке системы управления, обеспечивающей оптимальное распределение вырабатываемой и накопленной энергии при переменной мощности генератора и изменяющейся величине нагрузки. Несмотря на значительные затраты электрической энергии на ее преобразование, этот процесс полезен, потому что потребление электрической энергии в течение суток сильно меняется, а, следовательно, в период уменьшения спpоса на электроэнергию можно аккумулировать водород и кислород, и при необходимости использовать их для получения электроэнергии с помощью водородно-кислородных топливных элементов.

На чертеже показана функциональная схема установки.

Ветроэнергетическая установка содержит ветродвигатель 1, механически связанный с генератором переменного тока 2 и датчиком частоты вращения 3, с выхода которого сигнал через функциональный преобразователь 4 поступает на сумматор 8, на другой вход которого подается сигнал с датчика мощности нагрузки 11, а выход сумматора через интегратор 7 соединен с блоком управления НПЧ 12, который управляет НЧП 14, обеспечивающим питание потребителей 13 напряжением стабильной частоты, и нуль-орган 6, который при избытке мощности ΔР соединен с управляемым выпрямителем 5 и через электролизер 10 с газовыми газгольдерами 9, а при ее недостатке - ΔР с блоком автоматической подачи газов 15 и через электрохимический генератор 16, инвертор 17 и блок синхронизации 18 - с потребителем 13.

Устройство работает следующим образом. В период ветрового режима ветродвигатель 1, приводит во вращение индуктор генератора переменного тока 2, который через непосредственный преобразователь частоты 14 отдает потребителю 13 электрическую мощность. При этом сигнал, пропорциональный установившемуся значению частоты вращения с датчика 3 поступает на функциональный преобразователь 4, реализующий кубическую зависимость выходного сигнала и далее на первый вход сумматора 8. На второй вход сумматора 8 подается сигнал с датчика мощности 11, пропорциональный мощности потребителя 13, в данный момент времени. С сумматора 8 сигнал, пропорциональный разности мощностей генератора 2 и потребителя 13, через интегрирующее устройство 7 поступает на блок управления НЧП 12 и нуль-орган 6. Для синтеза на выходе НПЧ 14 заданного напряжения стабильной частоты блок управления при Р_г>Р_н формирует прямую, а при Р_г<Р_н обратную последовательности фаз 4. При Р_г=Р_н сигнал на обоих выходах нуль-органа 6 отсутствует. При Р_г>Р_н на первом выходе нуль-органа формируется сигнал ΔР, под воздействием которого изменяется угол открывания тиристоров управляемого выпрямителя 5, нагрузкой которого служит электролизер 10, и происходит накопление водорода и кислорода в газовых газгольдерах 9. В случае, когда Р_г<Р_н на втором выходе нуль-органа 6 формируется сигнал -ΔР, который с выхода нуль-органа 6 поступает на блок автоматической подачи газов 15 из газгольдеров 9 к электрохимическому генератору 16, нагрузкой которого является инвертор 17. Для обеспечения параллельной работы НПЧ 14 и инвертора 17 на общий потребитель 13, что необходимо при Р_г<Р_н, применяется синхронизатор частоты и фазы выходных напряжений 18.

Таким образом, рассматриваемое устройство обеспечивает оптимальный режим работы.

Использование: в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветроэнергетическая установка включает в себя механически связанный с ротором генератор 2 датчик частоты вращения 3, электрический вход которого соединен с функциональным преобразователем 4, сумматор 8, соединенный своим входом с выходом функционального преобразователя 4, датчик мощности 11, соединенный со вторым входом сумматора 8 и нагрузкой 13, интегратор 7, подключенный к выходу сумматора 8, нуль-орган 6, блок управления непосредственным преобразователем частоты 12, входы которых соединены с выходом интегратора 7, управляемый выпрямитель 5, блок автоматической подачи газов 15, электрохимический генератор 16, инвертор 17, блок синхронизации 18 и непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) 14. Один вход НПЧ 14 связан с блоком непосредственного преобразователя частоты 12, второй силовой вход - с силовым выходом генератора 2 переменного тока, а выход подключен к нагрузке 13. Вход блока синхронизации 18 соединен с выходом НПЧ 14. Один из входов инвертора 17 подключен к блоку синхронизации 18, другой соединен с электрохимическим генератором 16, а силовой его выход подключен к нагрузке 13. 1 ил.

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая ветродвигатель, вал которого механически связан с генератором переменного тока, управляемый выпрямитель, вход которого соединен с силовым выходом генератора, электролизер воды, связанный своим входом с выходом управляемого выпрямителя, газовые газгольдеры хранения водорода и кислорода, соединенные с выходом электролизера воды, блок автоматической подачи газов, соединенный с выходами газгольдеров, электрохимический генератор, вход и выход которого соответственно соединены с блоком автоматической подачи газов и с нагрузкой, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД, установка дополнительно включает в себя механически связанный с ротором генератора датчик частоты вращения, электрический вход которого соединен с функциональным преобразователем, сумматор, соединенный своим входом с выходом функционального преобразователя, датчик мощности, соединенный с вторым входом сумматора и нагрузкой, интегратор, подключенный к выходу сумматора, нуль-орган и блок управления непосредственным преобразователем частоты, входы которых соединены с выходом интегратора, при этом один из выходов нуль-органа соединен с управляемым выпрямителем, а второй его выход - с блоком автоматической подачи газов, непосредственный преобразователь частоты, один из входов которого связан с блоком управления непосредственного преобразователя частоты, второй силовой его вход соединен с силовым выходом генератора переменного тока, а его выход подключен к нагрузке, блок синхронизации, вход которого соединен с выходом непосредственного преобразователя частоты, инвертор, один из входов которого подключен к блоку синхронизации, второй его вход соединен с электрохимическим генератором, а силовой его выход подключен к нагрузке.