Ветроэлектрические агрегаты

На рисунке 73 приведен ветроэлектрический агрегат ВЭ-2 (Л. 6) — один из серии ветроэлектрических агрегатов, спроектированных в ЦАГИ под руководством профессора Г. X. Сабинина, а на рисунке 74 дан общий вид агрегата ВИМ Д-3,5, выполненного под руководством профессора Е. М. Фатеева.

Как уже указывалось, ветроэлектрические агрегаты имеют регулирование скорости вращения поворотом лопасти под действием центробежного регулятора. Агрегаты просты, они состоят из двухлопастного ветроколеса 1, который либо насажен непосредственно на вал генератора 2, как это сделано у ВЭ-2, или соединен с генератором через повышающий редуктор 3, как это сделано у ВИМ Д-3,5.

Ветроколесо с генератором укрепляется на опоре 4, выполняемой в виде столба или легкой фермы из уголкового железа, и имеет возможность автоматически устанавливаться на ветер с помощью хвоста 5.

Пуск и остановка агрегатов производится снизу путем отпускания или натяжения троса. Этим обеспечивается торможение вала генератора, как это устроено в ВЭ-2, либо поворот лопастей на нерабочий угол при сжатии пр}жины регулирования 6, как это сделано у ВИМ Д-3,5.

От генераторов ветроэлектрических агрегатов заряжаются аккумуляторные батареи, которые в часы безветрия или при небольших скоростях ветра питают потребителей электрической энергией.

При использовании генераторов переменного тока, как это сделано в агрегате ВЭ-2, аккумуляторы подсоединяются через селеновые выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный.

Так как генераторы ветроэлектрических агрегатов, как и при работе в автомашинах, вращаются с переменной скоростью и имеют переменное напряжение, то они снабжаются регуляторами напряжения, реле обратного тока и ограничителями тока заряда.

Все эти аппараты и регуляторы вместе с наличием аккумуляторных батарей снижают эксплуатационную надежность ветроэлектрических агрегатов и треб}тот более квалифицированного обслуживания.

Оригинальный ветроэлектрический агрегат был предложен П. В. Пылковым и А. С. Добросердовым. Как уже указывалось в разделе о регулировании ветродвигателей, этот агрегат автоматически устанавливается на ветер и ограничивает скорость вращения путем вывода ветроколеса из-под ветра. Подобные ветроэлектрические агрегаты, несмотря на указанные раньше недостатки, могут применяться, но при относительно небольшой мощности генератора (0,3—0,5 квт.) 102

Ветроэлектрические станции (ВЭС) постоянного тока

ВЭС представляют собой установки с генераторами мощ-ностью выше 3—5 квт, работающие, как правило, без аккумуляторных батарей. В часы безветрия потребители обеспечиваются энергией за счет резервной электростанции с неветровым двигателем (бензиновым, дизельным, паровым и т. д.). Из ветродвигателей, выпускаемых нашей промышленностью, и двигателей, подготовляемых к выпуску, могут быть использованы для привода генератора ВЭС ветродвигатели марок Д-12, Д-18 и 1Д-18.

Ветроэлектрические станции постоянного тока нашли ограниченное применение, в основном в Арктике и на железнодорожном транспорте. Примером такой станции может служить ВЭС ВИМ Д-12. Они построены, например, на станциях одной из южных железных дорог и использук)тся для освещения помещений и платформ станций.

В схеме ВЭС постоянного тока предусмотрена не только аппаратура защиты генератора от токов короткого замыкания и приборы контроля за работой станции, но реле и контакторы, которые обеспечивают предохранение батареи от перезаряда. Имеется также защита потребителей от повышенного напряжения, которое может возникнуть при полном заряде аккумуляторной батареи.

На станции Сокологорное ветродвигатель Д-12 вращает генератор ПН-145, от которого заряжается аккумуляторная батарея стационарных свинцовых аккумуляторов емкостью 150 ампер-часов и напряжением 220 в.

При использовании ветроэлектрических станций постоянного тока основная трудность заключается в поддержании постоянства напряжения, а при наличии аккумуляторной батареи — в предохранении ее от перезаряда и защите от большого разрядного тока при остановке ветродвигателя.

Ограничение тока заряда и защита батареи от большого разрядного тока может производиться либо путем использования автоматических щитов, либо установкой реле-регуляторов такого же типа, какие применяются в ветроэлектрических агрегатах.

Поддержание постоянства напряжения может бьпъ обеспечено как применением специальных генераторов, напряжение которых мало зависит от скорости вращения (например, генераторы с поперечным магнитным полем), так и установкой регуляторов напряжения.

Но как уже указывалось ранее, аккумуляторная батарея, регуляторы напряжения и аппаратура с подвижными контактами (реле, контакторы, ограничители тока), применяемые сейчас в ветроэлектрических агрегатах на ВЭС постоянного тока, снижают эксплуатационную надежность установок. Это вместе с наличием коллектора у генератора постоянного тока требует квали-

фицированного обслуживания и в то же время затрудняет полную автоматизацию установок.

Усилия рационализаторов и изобретателей по улучшению ветроэлектрических агрегатов и ВЭС постоянного тока должны быть направлены на отыскание дешевых и легких аккумуляторов большой емкости, на упрощение регуляторов числа оборотов ветродвигателя, на создание простых и надежных в эксплуатации электрических генераторов, могущих обеспечить при отсутствии подвижных контактов требуемый режим изменения напряжения и зарядного тока. Целесообразно также создание бесконтактных регуляторов напряжения и ограничителей тока заряда.

Подобные регуляторы и ограничители тока могут быть построены, например, на принципе использования магнитных усилителей, дросселей насыщения или различных нелинейных электрических элементов.

Ветроэлектрические станции переменного тока

В случае применения ветроэлектрических станций переменного тока, которые в настоящее время находят все большее распространение, возникает необходимость поддерживать посто-ДНство_час1аШЛрка, вырабатываемого ВЭС. Скорость же ветра все время меняется, а значит и число оборотов ветроколеса не остается постоянным.

Как уже указывалось, применение двух соосных ветроколес, вращающихся в разные стороны, хотя и не дает заметного увеличения мощности ветродвигателя, но позволяет в ветроэлектрических агрегатах значительно повысить относительную скорость вращения ротора (относительно статора), ветроэлектростанцияИзобретателем П. В. Пылковым была

п. в. пылковапредложена ветроэлектростанция (рис. 75),

(Авторская^^заявкакОТОраЯ СОСТОИТ ИЗ ВеТрОДВИгаТСЛЯ, ИМСЮ-

щего два соосных ветроколеса / и 2, вращающихся в разные стороны. Одно из ветроколес / соединено со статором, а второе 2 — с ротором генератора <?, расположенного на головке ветродвигателя. Статор так же, как и ротор имеет возможность вращаться в своих подшипниках. Регулирование числа оборотов и мощности ветродвигателя осуществляется поворотом лопастей ветроколеса под действием центробежных грузов (как и у самолетных винтов).

Ротор И статор генератора приводятся от валов ветроколес через редуктор, состоящий из зубчатых колес 4 и 5 и двух шестерен 6 и 7 одинакового размера, помещенных на валах ротора И статора.

Такая схема имеет ряд преимуществ, основным из которых является то, что упрощается редуктор. В то же время несколько усложняются главный вал и его опоры.

Как же можно обеспечить постоянство числа оборотов генератора ВЭС npi? непрерывных изменениях скорости ветра?

I«SSIii I

в разделе о регулировании ветродвигателей уже указывалось, что для большинства быстроходных двигателей, начиная с определенных скоростей ветра, при которых вступает в действие система регулирования, число оборотов ветроколеса меняется очень мало.

Но механизм регулирования числа оборотов ветроколеса обеспечивает поддержание частоты в допустимых пределах лишь

в том случае, если нагрузка ветродвигателя не превышает мощности, развиваемой ветроколесом при данной скорости ветра.

Скорость ветра меняется непрерывно и становится то выше, то ниже средней. Следовательно, число оборотов генератора при уменьшении мощности ветродвигателя будет также снижаться. Чем же восполнить недостающую мощность двигателя и обеспечить неизменность частоты ВЭС?

В 1918 году известным курским изобретателем А. Г. Уфимцевым для выравнивания числа оборотов генератора ВЭС и отдаваемой им мощности был предложен инерционный аккумулятор, о котором уже говорилось раньше.

Первая ВЭС (рис. 76) с инерционным аккумулятором была построена А. Г. Уфимцевым в г. Курске в 1929— 1930 гг.

Инерционный аккумулятор дает возможность повысить кинетическую энергию вращающихся масс ветроагрегата. За счет этого в большей мере удается восполнить недостающую энергию при провалах скорости ветра.

Эксплуатационные характеристики ВЭС с инерционным аккумулятором и генератором переменного тока (,рис. 77) показывают, что даже при наличии инерционного аккумулятора число оборотов ветродвигателя хотя и плавно, но все же меняется, так как, 106

Рис. 76. ВЭС А. г. Уфимцева с инерционным аккумулятором в г. Курске.

4

вполне естественно, инерционный аккумулятор не может заполнить все без исключения провалы мощности ветродвигателя (кривая 2).

2 3

21 гг 23 г^мт

Рис. 77. Эксплуатационная характеристика полуавтоматической Курской ВЭС с инерционным аккумулятором, бесступенчатой передачей и автоматическим регулированием числа оборотов генератора: i—характеристика изменения числа оборотов генератора ВЭС, 2—характеристика изменения числа оборотов инерционного аккумулятора.

Чтобы обеспечить постоянство числа оборотов генератора при переменном числе оборотов ветроколеса и работе последнего на наилучшем режиме, а также с целью улучшения использования кинетической энергии аккумулятора необходимо между ним и генератором ввести звено с переменным передаточным отношением.

В 1953 году авторами была предложена изолированная ветроэлектрическая станция с инерционным аккумулятором и бесступенчатой передачей, включаемой между аккумулятором и генератором.

Изменение передаточного отношения передачи производится автоматически с помощью специального регулятора. Установка ишользует полностью мощность ветродвигателя и максимум кинетической энергии аккумулятора, при этом обеспечивает хорошее выравнивание энергии, отдаваемой ВЭС, и сохраняет постоянство частоты тока генератора в пределах ±2—3% от номинальной,