Жел энергиясын түрлендіру тәсілдері

Жел энергиясын түрлендірудің ішінде ең тартымдысы және күрделісі түрлі типтегі генераторлармен электр энергиясына айналдыру болып табылады.

Жел энергиясын электр энергиясына түрлендірумен байланысты сұлбаларды шартты екі бағытқа бөлуге болады. Бірінші бағыты энергожүйеден оқшау, автономды жұмысы кезінде жел қондырғысы шығаратын электр энергиясын пайдалану болып табылады. Екінші бағыты: энергожүйемен параллель жұмысы кезінде жел қондырғысы шығаратын электр энергииясын пайдалану сұлбасы [1,4,24].

Қазіргі кезде электр энергиясын пайдаланудың автономды нұсқасында негізгі үш сұлбаны қолданады.

Бірінші сұлба тұрақты ток генераторынан және акуммуляторлы батареяның зарядты құрылғысынан тұрады. Бұл нұсқада тұтынушылар ретінде тек қана тұрақты ток қозғалтқыштары, қыздырғыштар, жарықтандыру құрылғылары және электролизді қондырғылар көрінеді. Генератордың шығысындағы кернеу тұрақты емес.

Екінші сұлбада ауыспалы токтың генераторы немесе қыздыруға арналған тұрақты ток генераторы болады, яғни тек жылу алу үшін және оны аккумуляциялауға арналған.

Үшінші сұлбада ауыспалы ток генераторы, түзеткіш, буферлі жинақтағыш және тұрақты токты тұрақты жиіліктің ауыспалы тогына түрлендіргіш болады.

Жоғарыда аталған нұсқалардың бәрінде жел қондырғысының роторы ауыспалы жиілікпен айналады. Бұл сұлбалар ротор айналуының тұрақты жылдамдығын қолдауды қажет етпейді де. Осы үш сұлбаны қолданудың, жел энергиясының жоғары потенциалы бар және дәстүрлі отын ресурстарына деген қажеттілікті сезінетін аудандардағы болашағы зор.

Екіншісі- жел қондырғысының энергожүйемен параллель жұмыс сұлбасы болып табылады. Энергожүйе ретінде негізгі тұрақты электр желісі, жедел әрекетті дизелді электр станциясы немесе өзге де электр өндіретін қондырғы болуы мүмкін. Параллелді энергия қондырғысын қолдану жұмыстың автономды режиміне қарағанда желэнерго қондырғысының аккумуляциялайтын құрылысының құнын арзандатады.

Екінші бағытты шартты түрде да үш сұлбаға бөлуге болады. Сұлбалардың бәрінде электр энергиясының тұтынушысы энергожүйе желісіне қосылған. Бірінші сұлбада энергожүйеге қосылған синхронды генератор ғана болады. Сұлбаның бұл нұсқасында жел қондырғысының роторы қондырғысы генераторының синхронды жұмысы үшін, тұрақты бұрыштық жылдамдықпен айналуы тиіс. Ол ең қарапайым сұлба болып табылады. Әдетте энергожүйенің қуаттылығы желэнерго қондырғысының қуаттылығынан әлдеқайда көп, электр машинасы жел қондырғысының роторы дамытатын момент өзгерісінің айтарлықтай кең диапазонындағы синхронизмінде жатады.

Синхронды генераторды қолданудың кемістігі қозғалтқыш режиміне ауысып, энергияны энергожүйеден тұтынуы болып табылады, ал ұйытқыған желде синхронизмнен шығу мүмкіндігі пайда болады, ал генераторды әрі қарай синхрондау мен оны энергожүйеге қосу күрделі үдеріс болып табылады.

Екінші сұлбада да тек қана бір генератор болады, бірақ энергожүйеге тек асинхронды қосылған. Желқондырғысы роторының айналым жиілігі тұрақты болмауы да мүмкін, бірақ, айналымның синхронды жиілігінен көп айырмасы болмауы керек.

Үшінші сұлба тұрақсыз жылдамдықпен айналатын генераторлы жүйеден тұрады, бірақ токтың жиілігі тұрақты. Бұл сұлба жел қондырғысының роторына жел жылдамдығының азаюына сәйкес ауыспалы жиілікпен айналуына мүмкіндік беру және осы жағдайларда тұрақты жиіліктегі ауыспалы токты алуды қамтамасыз ететіндей реттелетін және сол кезде электр энергиясы энергожүйеге берілуімен көрінеді.

Жетек білігі айналымының ауыспалы жиілігіндегі тұрақты жиіліктің ауыспалы кернеуін алу әдістері екі топқа келіп тіреледі.

Бірінші топ – дифференциалды, синхронды генераторлары бар ауыспалы беріліс қатынасы (вариаторлар) қуаттылықты гидравликалық беретін құрылғылары бар. Сондай-ақ генератор роторының айналым жиілігінің және генератор жұмыс істейтін энергожүйенің кернеу жиілігінің айырмасына тең электрлік айналым жиілігінің өзгерісін сырғу жиілігі бар кернеудің қозу орамасын қоректендіру арқылы орнын толтыратын құрылғылары бар редукторлардың көмегімен генератор роторының көмегімен айналымның тұрақты жиілігін алуын қамтамасыз ететін механикалық құрылғылардың көмегімен жүзеге асырылады.

Дифференциалды емес әдістер жиілік өзгерісінің статикалық құрылғылары арқылы “ауыспалы жиіліктің ауыспалы кернеуі – тұрақты кернеу – тұрақты жиіліктің ауыспалы кернеуі ”түрлендіру сұлбасы бойынша жүзеге асырылуы мүмкін.

Екі бағытта да автоматтандырылған сұлбалар жасалған.

13.10-сурет. Жел қондырғысының автоматтандырылған жүйесі

Біздер ұсынған, бірінші бағыттың үшінші автоматтандырылған сұлбасы, редуктор арқылы жел қондырғысының роторымен айналымға келетін тұрақты магниттері бар ауыспалы ток генераторынан тұрады. Кернеу мен жиілік ауыспалы, сондықтан түзеткішті қолданып, ауыспалы жиіліктің ауыспалы кернеуі тұрақтандырылмаған кернеудің тұрақты тоғына түрленеді.

13.10-суретте жел қондырғысының автоматтандырылған сұлбасы көрсетілген, ол ауыспалы ток генераторын айналымға келтіреді.

Өндірілетін электр энергиясы екі контурға тармақталады. Бірінші контур: түзеткіш 2 және тұрақтандырғыш 3 арқылы түрлендіргішке түседі (инвертор).

Инвертор тұрақты кернеуді 14 В ауыспалы кернеуге 220 В түрлендіреді және жиіліктегі 50 Гц тұтынушыны қоректендіреді 220 В. Сұлбада ұсынылған инвертор айтарлықтай жетілдірілген, сенімді және шағын [8,2]. Бұндай құрылғылардың қуаттылығы кВт бірнеше бірлігіне жетеді.

Екінші контур – электр энергиясының буферлік жинақтағыш желісі. Ол аккумулятордың зарядтау 5 құрылғысынан және 4 сумматордан тұрады, желдің қарқындылығы жеткілікті болғанда өндірілетін электр энергиясының қуаттылығы инвертор арнасы тұтынатыннан артық. Сонда тұрақтандырғыш алдындағы кернеу, тұрақтандырғыштың соңындағыға қарағанда жоғары. Кернеулердің бұл айырмасы зарядтау құрылғысын іске қосады. Зарядты токтың шамасы кернеулер айырмасының тогына пропорционалды. Желдің қарқындылығының азаюы тұрақтандырғыш алдындағы кернеудің азаюына әкеп соғады.

Сумматордың шығысынан бекітілген мәнге дейінгі сигналдың азаюы аккумулятордың зарядты тогының тоқтауына әкеп соғады. Мұндай жағдайда жел қондырғысының энергиясы инвертор арқылы тұтынушыны қөректендіруге ғана жұмсалады. Жел токтағанда немесе қуаты жеткіліксіз болғанда, тұрақтандырғыштың шығысындағы кернеу аккумулятор кернеуінен төмен болады. Инвертор бұл күйінде аккумулятордан қөректене бастайды.