Генератор с изменяемой схемой подключения катушек обмотки.

Ветрогенератор надо рассматривать как комплекс винт плюс полезная нагрузка которую винт тянет. И определение характеристик ветра турбин и согласование с нагрузкой (генератором) является важнейшей задачей при построении ветрогенератора. Изготовление идеального винта не гарантирует нам большую электрическую мощность на выходе ветрогенератора. Мы можем получить высокую мощность на валу винта и растерять большую часть этой мощности при трансформации и преобразовании напряжения, до нужных нам параметров.

Давайте рассмотрим подробней, винт вращает генератор, напряжение на выходе генератора зависит от длины проводника находящегося в магнитном поле, силы этого поля и частоты его изменения. Магниты мы используем постоянные поэтому сила поля не меняется, катушки тоже определенной длинны и включены в трех фазную или однофазную сеть, не важно. Меняется только частота вращения винта, чем сильней ветер тем быстрей крутится винт, и наоборот слабей ветер тише винт. На выходе генератора мы будем получать плавающее напряжение. Для стабилизации напряжения нам необходим инвертор который выпрямит напряжение и приведет его к нужным нам параметрам. В частности для заряда кислотного аккумулятора необходимо напряжение 13,8 14 вольт. Если напряжение выше аккумулятор будет кипеть, то есть часть энергии будет пролетать мимо, а если напряжение намного выше может пробить пластины аккумулятора. Если напряжение ниже обозначенного аккумулятор вообще не будет заряжаться. Инвертор необходимая деталь ветрогенератора, но при работе с малыми генерируемыми мощностями на инверторе теряется от 40 до 60 процентов мощности. А еще надо помнить про потери на балансовых нагрузках и проблемах с контролем отбора мощности при слабом ветре (не перегрузить и не застопорить винт при слабом ветре).

То есть ветрогенератор работающий на слабом ветре может запасти в аккумуляторе в лучшем случаи половину мощности получаемую на валу ветра турбины а за частую эта доля не превышает 20 30 процентов мощности на валу винта. Предлагаемая далее конструкция генератора позволит минимизировать потери при трансформации и преобразовании напряжения что позволит как минимум удвоить выходную мощность.

Предполагается использовать генератор с изменяемой схемой подключения катушек обмотки. Ротор генератора состоит из нескольких постоянных магнитов. Статор имеет многополюсную обмотку, состоящую из независимых катушек (или из катушек намотанных двойным проводом зависит от конструкции).

На рисунке условно изображен генератор состоящий из трех катушек намотанных двойным проводом А1 А2 и Б1 Б2 в центре вращающееся магнитное поле.

Каждая катушка генератора намотана двумя проводами и являются двумя независимыми катушками с обмотками А1-А2 и Б1-Б2. Мы имеем возможность соединять катушки то последовательно, то параллельно, замыкая контакты А2-Б1 или А1-Б1 и А2-Б2. Замыкая катушки последовательно мы увеличиваем напряжение но уменьшаем силу тока, включив их параллельно мы увеличим силу тока уменьшив напряжение. Напряжение на выходе генератора зависит от длинны провода, находящегося в магнитном поле, силы магнитной индукции и частоты ее изменения. Меняется скорость ветра, изменяется и выходное напряжение. Переключая катушки то последовательно, то параллельно мы сможем регулировать выходное напряжение генератора, удерживая его в нужных нам пределах.

Это общее описание идеи которая дает нам возможность отказаться от использования инвертора и избежать связанных с его работай потерь. На практике понадобится очень большое количество катушек и узлов коммутации чтобы обеспечить необходимую точность регулировки напряжения что само по себе ставит перед нами новую проблему.

Для решения возникших проблем предлагается использовать ветра турбину описанную в статье Винт ветрогенератора . В отличии от классического горизонтального ветрогенератора скорость вращения которого превышает скорость ветра и может достигать 500 оборотов в минуту представленная конструкция всегда вращается со скоростью ветра, но при этом крутящий момент намного выше чем у классического горизонтального ветрогенератора. А чем меньше скорость вращения тем меньше количество катушек и узлов коммутации нам понадобиться.

Но для более четкого понимания давайте сравним работу двух конструкций. Рассмотрим классический ветряк с горизонтальной осью вращения. Предположим винт вращается на холостом ходу, без нагрузки. При отборе мощности скорость вращения начинает падать но мощность растет до какой то величины. Мы продолжаем увеличивать отбор и тогда и мощность и обороты падают. Задача контролера регулируя отбор мощности держать постоянно максимальные значения снимаемой мощности, балансировать на пике. Все эти регулировки приблизительные, мы точно не знаем почему упали обороты. Изменилась скорость ветра, перегрузили ветряк отбором мощности или какие то другие причины. Конструкция описанная выше самостоятельно регулирует угол атаки в зависимости от скорости ветра и снимаемой нагрузки. Если конструкция вращается со скоростью ветра ее лопасти расположены к набегающему потоку строго параллельно, поток обтекает лопасть равномерно с обоих сторон и подъемная сила не возникает. Если вращение ветряка отстает от скорости ветра на какой то угол то набегающий поток давит на лопасть с положительным углом атаки и создает подъемную силу ветра. Ветряк будет стремится достигнуть скорость ветра но чем ближе скорость вращения ветряка к скорости ветра тем меньше будет угол атаки набегающего потока а следовательно и подъемная сила. Если мы будем нагружать ветряк пытаясь затормозить его, угол атаки будет расти а следовательно будет расти подъемная сила ветра. Скорость вращения ветряка падать не будет но крутящий момент многократно вырастет.

Как это будет работать на практике. Потребителем ветра генератора является аккумулятор. Предположим что, аккумулятор сильно разряжен, потребляет большую мощность и тем самым подсаживает линию. На практике это означает что увеличивая отбор мощности мы нагружаем генератор, усилие на вращение генератора растет и начинает тормозить вращение ветряка. Если мы будем пытаться затормозить ветряк, угол атаки будет расти а следовательно будет расти подъемная сила ветра и как следствие крутящий момент. То есть ветряк будет увеличивать крутящий момент пытаясь компенсировать недостающую мощность. По аналогии то же происходит и на гидроэлектростанции, с увеличением потребляемой мощности открывают задвижки увеличивая давление воды на лопасти турбины чтобы компенсировать увеличивающийся тормозящий эффект нагружаемой турбины. При этом следят чтобы скорость вращения турбины не увеличилась, частота напряжения в розетках должна оставаться 50 герц. Ветрогенератор регулируя угол атаки лопасти будет пытаться удержать напряжение в нужных нам параметрах. Предположим что аккумулятор очень сильно разряжен и мощности потока ветра не хватает для вращения генератора с нужной частотой при данной нагрузке. Тогда мы переключим катушки генератора из параллельного подключения в последовательное и тем самым увеличим напряжение что позволит нам удержать нужное нам напряжение на клеммах аккумулятора при данной силе ветра. Для коммутации катушек обмотки генератора предполагается использовать импульсные бистабильные реле так как они экономичны имеют два фиксированных положения и требуют затрат энергии только в момент переключения.

Теоретические границы КИЭВ давно известны и рассчитывать на то, что удастся взять у потока более половины мощности я бы не стал. Но особенности конструкции дают нам возможность минимизировать потери при трансформации электроэнергии, за счет применения генератора с изменяемой схемой подключения катушек обмотки. Это даст нам возможность удвоить мощность на выходе ветрогенератора.

Ветряк описанный в статье Винт ветрогенератора использует подъемную силу ветра как движущую силу, но реализует это по средством иной траектории движения лопастей, что дает конструкции возможность регулировать угол атаки лопасти и как следствие управляемый крутящий момент. Четкое позиционирование лопасти относительно набегающего потока дает конструкции значительное преимущество в сравнении с другими ветрогенераторами. Это позволит удвоить мощность на выходе за счет минимизации потерь при трансформации выходного напряжения в сравнении с существующими аналогами представленными сегодня на рынке.