5.4. Режими роботи веу та акумуляторів.

В залежності від зміни швидкості вітру та величини навантаження ВЕУ постійного струму може працювати в одному із наступних режимів [4]:

1. Вітроагрегат заряджає батарею без зовнішнього навантаження.

2. Вітроагрегат заряджає батарею і одночасно забезпечує зовнішнє навантаження.

3. Вітроагрегат і батарея працюють паралельно на зовнішнє навантаження.

4. Батарея забезпечує зовнішнє навантаження одна.

Таким чином, акумуляторна батарея працює на вітроустановці, як правило, в змішаному режимі, який переходить із режимів заряджання-розряджання в періоди відсутності навантаження або вітру, на режим постійного підзаряджання (буферний режим) при наявності вітру та зовнішнього навантаження. Так працюють усі ВЄУ постійного струму, крім тих вітроагрегатних установок, які відповідно до властивостей споживачів повинні мати дві батареї. В останньому випадку батареї працюють тільки в режимах заряджання або розряджання, причому одна із них заряджається від вітроагрегата, а друга забезпечує на цей час споживачів.

Оскільки величина зарядного струму залежить від різниці напруг генератора та акумуляторної батареї, то віддача вітроагрегата, який працює на заряджання батареї, при заданій швидкості обертання n₁ генератора буде залежати від ступені зарядженості батареї. Чим менше заряджена батарея і, як наслідок, нижче її напруга, тим більше будуть зарядний струм та віддача генератора при умові достатньої потужності вітродвигуна. При недостатку останньої швидкість обертання агрегату понизиться до n₂, і генератор перейде на роботу по другій, пониженій зовнішній характеристиці. При цьому віддача генератора та зарядний струм батареї будуть зменшені у відповідності з потужністю вітродвигуна. Робочі характеристики вітроагрегата P_в=f(n) відповідно також понизяться.

Розглянемо умови заряджання та розряджання акумуляторної батареї і розподілення навантаження між нею та вітроагрегатом для загального випадку їх паралельної роботи.

Умовно, приймемо, що зарядний струм батареї позитивний, отримаємо вираз для визначення сили струму зовнішнього навантаження I:

, (5.4.1)

де I_г і I_б – відповідно сила струму генератора та батареї.

Напруга U на загальних шинах буде дорівнювати:

_{, (5.4.2)}

де r_г – опір на виході якоря генераторя; r_б – внутрішній опір батареї та з’єднувальних проводів.

Різниця ΔЕ між електрорушійною силою генератора E_г та батареї E_б може бути визначена відповідно до формули:

, (5.4.3)

При відсутності зовнішнього навантаження (І=0) генератор працює тільки на заряджання батареї (перший режим).

Якщо навантаження І збільшиться на стільки, що І∙r_г=ΔІ, тоді I_б=0, тобто заряджання батареї перестане бути. При наступному збільшенні навантаження, коли І∙r_г > ΔІ, тоді струм I_б змінить знак, оскільки батарея буде розряджатися і забезпечувати зовнішнє навантаження в місці з генератором (третій режим). Якщо величина зовнішнього навантаження буде постійною, а E_г та E_б будуть змінюватись, то при більшій величині E_г струм батареї буде зарядним, а при більшій величині E_б – розрядним. При E_г=E_б+Ir_г струм батареї I_б=0. При відсутності вітру, коли вітроагрегат не працює, навантаження забезпечується тільки від батареї, при цьому I_б=I, а напруга на шинах U=E_б – Ir_б (четвертий режим).

Розподілення навантаження при паралельній роботі вітроагрегата та акумуляторної батареї залежить від зовнішніх характеристик генератора і батареї. Зовнішня характеристика генератора залежить від його типу та способу регулювання напруги і може бути падаючою або горизонтальною. Зовнішня характеристика батареї залежить також від її типу, та від ступеня її зарядженості і зносу. Вона являє собою похилу криву, яка підвищується в бік збільшення зарядного струму.

Суміщені зовнішні характеристики генератора І і батареї II на випадок падаючої характеристики генератора при n=const показані на рис. 5.4.1 [4].

Рис.5.4.1 Зовнішні характеристики акумуляторної батареї та генератора з падаючою характерсткою при паралельній роботі

Якщо не враховувати падіння напруги на з’єднувальних проводах, то при всіх режимах паралельної роботи U_г=U_б та при відсутності зовнішнього навантаження сила струму батареї буде визначатися точкою перетину обох зовнішніх характеристик. При цьому, якщо U_г > E_б, то струм буде зарядним (точка а) і I'_г=I'_б. При наявності зовнішнього навантаження вітроагрегат буде одночасно забезпечувати навантаження і заряджати батарею I"_k=I"+I"_б. Напруга на шинах внаслідок збільшення навантаження повинна понизитись. Нова величина її U"_г=U"_б визначається на діаграмі точками б перетину обох характеристик горизонтальною прямою, проведеною так, щоб відрізок її б-б дорівнював струму зовнішнього навантаження I". Зарядний струм батареї зменшиться, оскільки він буде створюватись тепер меншою різницею напруг U_г–E_б. При подальшому збільшенні зовнішнього навантаження до I"' напруга понизиться до рівня нижчого, ніж E_б (до U"' в точці в), батарея перейде в режим розряду і буде забезпечувати навантаження I"', яка показана горизонтальним відрізком в-в сумісно з генератором, тобто I"'= I_г"'+ I_б"'. Взагалі, при збільшенні зовнішнього навантаження зарядний струм батареї зменшується, а струм генератора збільшується на меншу величину, ніж струм зовнішнього навантаження. Напруга U_б=E_б відповідає режиму холостого хода батареї.

Тривалість розряду батареї, яка працює в режимі постійного підзаряду, залежить від нахилу зовнішньої характеристики генератора. Для того, щоб не мати тривалих розрядів, бажано мати такий нахил цієї характеристики, при якій вітроагрегат при повній потужності приймав би на себе все зовнішнє I_г"' навантаження та ще й продовжував підзаряджати батарею I_б"'.

Рис. 5.4.2 Зовнішні характеристики акумуляторної батареї та генератора з горизонтальною характиристикою

Якщо генератор має горизонтальну характеристику, то розподілення навантаження між вітроагрегатом та акумуляторною батареєю буде мати другий характер: зарядний струм батареї не буде зменшуватись при збільшенні зовнішнього навантаження, оскільки напруга генератора при цьому залишається постійною (рис. 5.4.2) [4]. При відсутності зовнішнього навантаження, оскільки напруга генератора U_г > E_б і при цьому зарядний струм батареї буде визначатися як і раніше точкою а перетинання зовнішніх характеристик. При підключенні навантаження напруга U_г не зміниться, внаслідок чого струм генератора при збільшенні навантаження визначиться точками перетину лінії постійної напруги з природною зовнішньою характеристикою генератора при даній швидкості його обертання (точка б) і не може бути більше I'_Гmax= I'_б + I'. При зміні навантаження і постійній напрузі зарядний струм остається незмінним. При великому збільшенні навантаження відбувається падіння напруги генератора відповідно до природної характеристики (на рис. 5.4.2 показано пунктирною лінією). При цьому зарядний струм зменшиться, і якщо напруга зменшиться до U_г < E_б (нижче точки б), струм батареї стане розрядним. Зовнішнє навантаження I"' буде покриватися вітроагрегатом сумісно з батареєю I"'= I_г"'+ I_б"' (точка г).

Для збереження батареї та приймачів енергії режим заряджання батареї повинний задовольнити визначені умови. Найбільший зарядний струм, який має місце на початку заряджання, коли напруга батареї мала, не повинний перевищувати допустимого значення для даного типу і ємності батареї. Перед закінченням заряджання він повинен зменшуватись, для того щоб не було перевантаження батареї. Для здійснення такого режиму напруга генератора вітроагрегата на протязі заряджання повинна оставатись постійною та близькою до номінального значення. Але з пониженням температури повітря величина напруги та час заряджання збільшуються, а корисна ємність батареї і напруга при її розряді зменшуються, тому для здійснення нормально режиму роботи батарея повинна працювати при постійній температурі навколишнього середовища і повинна бути установлена в опалюючих приміщеннях. На випадок встановлення в холодних будівлях для створення нормального режиму заряджання в різні пори року напруги генераторів вітроагрегатів слід змінювати відповідно до сезону. Виконання вказаних умов забезпечує найбільший термін використання батареї. З другого боку для забезпечення своєчасного заряджання батареї після її розряджання може бути потрібним підвищення напруги заряджання. Необхідна величина напруги генератора, виходячи із обох умов, може бути підрахована відповідно до характеристик генератора та батареї в залежності від тривалості періодів заряджання та розряжання батареї в місцевих умовах використання ВЕУ, які можна визначити, використовуючи характерні добові графіки швидкості вітру для зимніх та літніх діб, а також графіки навантаження.

Потужності вітроагрегатів та їх швидкості обертання змінюються в залежності вад швидкості вітру.

Внаслідок цього напруга генераторів буде також змінюватись: якщо U_г>E_б, то генератори будуть заряджати батарею з силою струму в залежності від величини різниці U_г–E_б. При підключенні зовнішнього навантаження, воно буде розподілятись між генераторами також у відповідності з розташуванням їх характеристик в даний момент.