Особенности автономных ветрогенераторов - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

5785
Особенности автономных ветрогенераторов

Мы продолжаем публиковать статьи по ветроэлектрическим установкам малой мощности (ВЭУММ). Именно к ВЭУММ следует отнести ветрогенераторы, обзор которых был приведен ранее в нашем журнале (см. [1]).

В настоящей статье приведены особенности конструкции и применение автономных ветрогенераторов на примере использования изделий английской торговой марки Aerogen. Конструктивные и схемные решения, приведенные в этой публикации, в той или иной степени присущи практически всем современным автономным (маломощным) ветрогенераторам (ВЭУММ). Кроме того, в статье приведено краткое описание и особенности генераторов с буксируемой турбиной торговой марки AquaGen.

Рис.1 Ветрогенератор торговой марки Aerogen

Ветрогенераторы торговой марки Aerogen (рис.1) рассчитаны на эффективную работу при скорости ветра в диапазоне от 5 до 20 узлов (2,57…10,28 м/с), выдавая при этом ток, достаточный для зарядки аккумуляторов уже при скорости 5 узлов.

Они позволяют с максимальной отдачей использовать энергию более сильного ветра и способны выдержать даже шторм. Все ветрогенераторы серии Aerogen рассчитаны на многолетний срок службы и не требуют ухода. Торговая марка Aerogen принадлежит компании LVM Ltd, которая создана в 1973 году, а 2006 году была приобретена корпорацией ITT Corporation ([3]).

Установка и крепление ветрогенераторов Aerogen осуществляется на стойке (мачте). Для простой и быстрой установки генератора используются специальные крепежные наборы из нержавеющей стали. Мачта в этих наборах изготавливается диаметрами 1 дюйм (25,4 мм), 1,5 дюйма (38,1 мм) или 2 дюйма (50,8 мм).

Фирма LVM Ltd производит шесть моделей ветрогенераторов, и для их маркировки изготовитель использует логотипы: Aero2gen, Aero4gen, Aero6gen, Aero4gen-F, Aero6gen-F и Aero8gen-F. Первые три ветрогенератора из этого списка могут использоваться как на суше, так и на маломерных судах (катерах и яхтах). Последние три ветрогенератора (с индексом F в конце названия) предназначены только для наземного использования. Ветрогенераторы выпускаются в двух исполнениях: для работы в сетях постоянного тока с напряжением 12 В или 24 В.

Ветрогенератор Aero2gen

Представляет собой небольшой ветрогенератор, который идеально подходит для небольших прогулочных яхт и катеров. Может также использоваться и на суше, если потребность в электроэнергии невелика. Например, для освещения одной или нескольких палаток. Он весит всего 5 кг и способен при определенных условиях обеспечить полный заряд аккумуляторов к каждому выходу яхты или катера, а также может производить их подзарядку во время плавания. Воздушный винт имеет безопасные лопасти с закругленными краями. При скорости ветра 12 узлов генератор Aero2gen вырабатывает ток силой 0,5 А (12 Ач в сутки), а при 19 узлах – 1 А (24 Ач в сутки). При скорости ветра 22 узла генератор выдает стабильный ток 1,5 А. При резких порывах ветра генератор работает надежно, но сила тока может колебаться, достигая на пиках значения 4 А.

Ветрогенератор Aero4gen

Обладает большей мощностью, чем Aero2gen, и подходит для круизных яхт, домов-фургонов, а также может быть использован в самых разных условиях, когда требуется значительное количество электроэнергии (рис.2).

Рис.2

Он способен вырабатывать достаточную мощность для круизных яхт с большим количеством электрооборудования и даже с холодильными установками на борту. При скорости ветра 13 узлов генератор Aero4gen вырабатывает ток силой 2 А (48 Ач в сутки), а при 20 узлах – 6 А (144 Ач в сутки). Он надежно работает во время шторма и вырабатывает стабильный ток до 19 А при 60 узлах.

Ветрогенератор Aero6gen

Представляет собой достаточно мощный ветрогенератор, идеально подходящий тем, кто живет на яхте или подолгу путешествует с домом-фургоном. Он также очень удобен для летних домиков и может использоваться на удаленных исследовательских станциях. При скорости ветра 12 узлов генератор Aero6gen вырабатывает ток силой 4 А (96 Ач в сутки), а при 20 узлах – 10 А (240 Ач в сутки). Он надежно работает во время шторма и вырабатывает стабильный ток до 30 А при скорости ветра 45 узлов и более.

Основное предназначение ветрогенераторов Aero4gen-F, Aero6gen-F, Aero8gen-F – это автономное электропитание удаленных исследовательских станций в условиях сильного ветра. Хвостовой механизм этих генераторов разворачивает воздушный винт при слишком сильном ветре, что сообщает всей конструкции дополнительную надежность при работе в сложных погодных условиях. Эти генераторы не годятся для яхт. Они могут использоваться для выработки электроэнергии на суше в экстремальных условиях, где требуются надежные приборы, не нуждающиеся в постоянном уходе.

Основные параметры ветрогенераторов Aerogen сведены в табл.1 (см. прикрепленные данные).

Конструкция ветрогенераторов

Автор этих строк имеет некоторый опыт по монтажу и эксплуатации ветрогенератора Aero4gen. Поэтому рассмотрим несколько подробнее именно этот ветрогенератор (рис.3 см. прикрепленные данные). Тем более что и остальные ветрогенераторы торговой марки Aerogen имеют подобную конструкцию.

Основа ветрогенератора – трехфазный бесколлекторный малооборотный генератор, в который встроен трехфазный выпрямительный мост. Но все-таки ветрогенератор содержит токосъемник с графитовыми щетками и коллектором (в виде двух колец), который расположен в корпусе под генератором, над муфтой крепления к мачте. Так как генератор поворачивается вокруг вертикальной оси при изменении направлении ветра, то этот токосъемник предназначен для оптимального съема тока с него на внешнюю цепь.

Ветрогенератор Aero4gen так же, как и остальные ВЭУММ компании Aerogen, изготавливается в двух модификациях: для работы в сетях постоянного тока 12 В и 24 В. Первая модификация Aero4gen обозначается как LVM 412, а вторая – LVM 424. Последние две цифры в маркировке изделий фирмы LVM Ltd указывают величину рабочего напряжения. Эти ветрогенераторы предназначены для подзарядки соответствующих аккумуляторных батарей (12 В или 24 В).

Зависимость ЭДС ветрогенератора Aero4gen LVM 412 (при разомкнутой внешней цепи) от скорости ветра приведена в табл.2 (см. прикрепленные данные), а зависимость ЭДС от скорости вращения вала – в табл.3 (см. прикрепленные данные). Данные табл.3 (см. прикрепленные данные) получены автором. В качестве привода для вращения вала ветрогенератора Aero4gen при этом использовался токарный станок.

Следует заметить, что при изменении скорости на один оборот ЭДС для ветрогенератора LVM 412 изменяется приблизительно на 0,06 В, а для ветрогенератора LVM 424 – на 0,12 В.

В простейшем варианте ветрогенератор можно подключать к аккумулятору непосредственно через предохранитель (20 А для сети 12 В или 10 А для сети 24 В), как показано на рис.4 (см. прикрепленные данные).

Фирма-изготовитель использует в своей продукции для цепей с положительным потенциалом провода красного цвета, для цепей с отрицательным потенциалом – черного цвета, а для остальных цепей – серого цвета. Это заметно упрощает монтажные работы.

Для предотвращения перезаряда аккумулятора следует использовать регулятор напряжения. Если в системе электропитания используется одна аккумуляторная батарея, то можно использовать так называемый одинарный регулятор напряжения (single battery voltage regulator): для LVM 412 типа 4SB12, а для LVM 424 – 4SB24. Схема подключения ветрогенератора к аккумулятору с использованием этих регуляторов показана на рис.5 (см. прикрепленные данные).

Регулятор напряжения представляет собой регулятором шунтового типа и отличается от аналогичных автомобильных регуляторов, в первую очередь, тем, что не только ограничивает величину напряжения на аккумуляторе, но и при больших ветрах притормаживает ветрогенератор за счет увеличения тока потребления, который коммутируется регулятором напряжения на мощный проволочный резистор (R1 – DAMP RESISTOR). С этой целью регулятор содержит силовой ключ на мощном полевом транзисторе, который управляется широтно-импульсным модулятором (ШИМ). Чем сильнее ветер, тем больше ЭДС генератора. Это приводит к тому, что ШИМ, в каждый период сигнала управления, увеличивает время открытого состояния силового ключа, а значит, среднее значение тока через DAMP RESISTOR. При больших значениях этого тока происходит большой отбор мощности от генератора, а значит, его притормаживание и уменьшение его ЭДС. Порог срабатывания регулятора 4SB12 14,2 В (заводская установка) может регулироваться в пределах 11,5…17 В, а порог срабатывания регулятора 4SB24 28,4 В может регулироваться в пределах 25…30,5 В (рис.6 см. прикрепленные данные).

Недостатком регуляторов напряжения 4SB12 и 4SB24 является то, что при отсутствии ветра они потребляют небольшой ток 10…15 мА, несколько разряжая аккумулятор. Поэтому производитель не рекомендует их использовать на яхтах. Для яхт рекомендуется использовать двойные регуляторы напряжения (twin battery voltage regulator) типа 4TB12 и 4TB24. Эти регуляторы могут обеспечивать независимую зарядку двух аккумуляторных батарей. Схема подключения двух аккумуляторов к ветрогенератору показана рис.7 (см. прикрепленные данные).

Для включения 4TB12 и 4TB24 в схему с одним аккумулятором изготовитель рекомендует запараллелить провода, которые в схеме (рис.7 см. прикрепленные данные) идут на аккумуляторы (рис.8 см. прикрепленные данные).

Фирма LVM Ltd постоянно совершенствует свои изделия. Для устойчивой работы в условиях больших перепадов температур производятся модернизированные регуляторы напряжения 4SB12-T, 4TB12-T с термокомпенсацией 25 мВ/°С и 4SB24-T, 4TB24-T с термокомпенсацией 50 мВ/°С.

На основе всех рассмотренных регуляторов напряжения можно создавать системы электропитания с подзарядом аккумуляторов как от ветрогенератора, так и от солнечных батарей. Для этого необходимо подключить солнечную батарею к цепи через разделительный диод, как это показано на рис.9 (см. прикрепленные данные).

Подобным образом через разделительные диоды допустимо подключать для зарядки дополнительные аккумуляторы. С этой целью LVM Ltd выпускает диодные сборки (Diode Units) 4DU и 6DU. В табл.4 (см. прикрепленные данные) приведена информация по использованию регуляторов напряжения и диодных сборок для обеспечения заряда нескольких аккумуляторов, которая может быть полезна для создания систем заряда одного или нескольких аккумуляторов от ветрогенератора Aero4gen и солнечных батарей.

Для остановки винта ветрогенератора допустимо использовать электронное торможение, закорачивая мощным тумблером выводы ветрогенератора.

Для монтажа ветрогенератора Aero4gen можно использовать один из трех монтажных наборов (mounting kits) МК2, МК4 или МК5, изготовленных из нержавеющей стали.

МК2 имеет мачту высотой 1200 мм, МК4 – 1450 мм, а МК5 – 2900 мм.

Генераторы с буксируемой турбиной

Хочу заметить, что фирма LVM Ltd производит еще одну разновидность экологических источников электропитания для яхт – генераторы с буксируемой турбиной, которые имеют фирменное название AquaGen. Генераторы с буксируемой турбиной имеют более высокую выходную мощность, чем ветрогенераторы. Одна из причин этого – уменьшение силы курсового ветра на полных курсах за счет движения судна (судно «убегает от ветра»).

Существуют две модели таких генераторов AQUA4GEN и AQUA6GEN.

Генератор AquaGen крепится на кормовом релинге с помощью троса, который входит в комплект (рис.11 см. прикрепленные данные).

В комплект входят также турбина и буксировочный трос (рис.12).

 

Рис.12

Монтаж и демонтаж AquaGen осуществляются в считанные минуты без дополнительных креплений. Модель Aqua4gen поставляется с двумя комплектами лопастей для турбины: длиной 115 мм и 90 мм, а Aqua6gen – только с лопастями длиной 90 мм. Турбина соединяется с генератором с помощью этого самого вращающегося буксировочного троса. При движении яхты турбина генератора располагается под водой на глубине 1…3 м. Причем, чем больше скорость судна, тем меньше глубина погружения турбины. При больших скоростях движения яхты турбина поднимается над поверхностью воды. Скорость вращения ее уменьшается, что приводит к снижению выходной мощности и предотвращает перегрев генератора.

Генератор Aqua4gen начинает вырабатывать электроэнергию при скорости судна 2,5 узла, а Aqua6gen – при скорости 3,5 узла.

Генератор Aqua4gen при скорости 8 узлов дает постоянный ток 11 А, если на турбине установлены большие лопасти (115 мм), и при скорости 10 узлов – ток 10 А, если на турбине установлены стандартные лопасти (90 мм). Лопасти турбины легко заменяются.

Модель Aqua6gen при скорости 12 узлов дает постоянный ток 16 А.

Для наглядности основные параметры генераторов с буксируемой турбиной AQUA4GEN и AQUA6GEN приведены в табл.5 (см. прикрепленные данные).

В заключение хочу добавить, что на моторных судах применять генераторы с буксируемой турбиной экономически нецелесообразно. Более целесообразно для заряда аккумуляторов использовать штатные генераторы и магнето, имеющиеся в большинстве стационарных и подвесных лодочных (судовых) моторах.

Литература

1. Безверхний И.Б. Ветрогенераторы//Электрик. – 2008. – №5. – С.36–39.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus