СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСПЕРЕБОЙНОЙ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ
METHOD AND DEVICE FOR UNINTERRUPTED ELECTRIC POWER GENERATION ON A WIND POWER PLANT

Изобретение относится к возобновляемой альтернативной энергетике, а именно к способам и устройствам, обеспечивающим бесперебойность выработки электроэнергии на ветроэнергетических установках (ВЭУ) с пневматическим способом передачи ветровой мощности от ветродвигателя к электрогенератору, относящихся к тому типу, в котором необходимые условия для работы воздушной турбины-привода электрогенератора (перепад давлений) возникают в результате создания зоны пониженного давления воздуха позади воздушной турбины.
Серьезной проблемой ветроэнергетики является нестабильность и неравномерность выработки электроэнергии, вызываемая изменениями скорости ветра. Известны различные технические решения, направленные на исключение перебоев в выработке электроэнергии и поставке ее потребителям. Суть большинства этих решений заключается в использовании для стабилизации выработки электроэнергии дополнительного источника энергии. Чаще всего в этом качестве используется дизель-электрический агрегат. Помимо этого, есть предложения параллельно использовать установки альтернативной энергетики других типов, а также различные аккумуляторы энергии: электрические батареи, маховики, воздухоаккумулирующие установки, гидроаккумулирующие станции и т.п. По мнению некоторых авторов (Безруких П.П., Ветроэнергетика. (Справочное и методическое пособие). - М.: ИД «ЭНЕРГИЯ», 2010, с. 136), наиболее интересной на длительную перспективу является, гибридная система, содержащая ветроустановку, электролизер и двигатель-генератор на водороде. Во время, когда ветра больше, чем нужно для покрытия нагрузки, часть энергии от ВЭС идет на электропитание электролизера, разлагающего воду на водород и кислород. При отсутствии ветра или его слабой энергетике, работает двигатель-генератор на водороде.
Таким образом, большинство видов предложенных гибридных систем, несмотря на их конструктивные различия, обладают общим для всех них недостатком - для сглаживания колебаний в выработке электроэнергии задействуются дублирующие (резервные) мощности. Это значительно снижает экономическую эффективность их эксплуатации, поскольку, во-первых, требует значительных капиталовложений для создания и обслуживания дублирующей мощности, фактически являющейся второй электростанцией, равной по мощности ветровой электростанции, которую она дублирует, а, во-вторых, изначально допускает простои в работе дублирующей электростанции, в те периоды, когда выработку электроэнергии необходимого качества обеспечивает ВЭС.
Известны ветроэнергетическая установка и реализуемый ею способ выработки электроэнергии (SU 1682621 A1, F03D 7/04, 07.10.1991), которые позволяют повысить выработку электроэнергии путем расширения диапазона работы ветроэнергетической установки на номинальном режиме, что достигается путем установки у основания опорной башни ветряного ротора, набора муфт, маховиков и мультипликатора, обеспечивающих постоянство частоты вращения генераторов при любой рабочей скорости ветра и соединенных с ветряным ротором с помощью первичного вала.
Несмотря на то, что упомянутое устройство позволяет снизить необходимость в дублирующих мощностях, оно обладает рядом существенных недостатков, основными из которых является, во-первых, передача с помощью первичного вала вращающего момента от ветряного ротора, который должен быть установлен на высокой опорной башне, к мультипликатору, установленному на земле. Вследствие большой длины вала на нем неизбежно будут возникать заметные скручивающие и изгибающие моменты, что должно привести к снижению эффективности работы устройства. Во-вторых, использование маховиков, по причине ограниченного запаса накапливаемой ими энергии, не сможет обеспечить длительную работу установки в периоды штиля или слабых ветров. Более того, по мере уменьшения запаса накопленной маховиком энергии, скорость его вращения будет снижаться, что осложнит задачу поддержания номинальной скорости вращения генераторов.
Наиболее близкими к предложенным способу и устройству является ветроэнергетическая установка и реализуемый ею способ выработки электроэнергии, раскрытые в US 20110187119 A1 (Thomas McMaster, опуб. 04.08.2011). Электрическая система выработки электроэнергии по одному из вариантов содержит башню, установленную на башне ветряную турбину для преобразования энергии ветра в электрическую энергию; а также дополнительные средства для выработки электроэнергии при малых скоростях ветра и при отсутствии ветра. Основная идея технического решения заключается в соединении вала электрогенератора как с валом ветроколеса, так и с валом какого-либо другого вспомогательного привода. Более того, предусмотрено три возможных режима выработки электроэнергии: при вращении вала генератора от вала ветроколеса; при вращении вала генератора от вала вспомогательного привода; при вращении вала генератора одновременно от вала ветроколеса и от вала вспомогательного привода. В качестве вспомогательных приводов, могут использоваться различные известные из уровня техники приводы: ДВС, двигатели Стирлинга, газовые турбины, паровые турбины, паровые машины, а также различные комбинации таких устройств. Не исключается даже возможность использования электромоторов в качестве вспомогательных приводов. В качестве источников энергии для работы всех названных устройств могут использоваться: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, пропан, водород, этанол, уголь, дрова, а также любые другие возможные энергоносители. Не исключается даже использование электроэнергии, получаемой на близлежащих тепловых электростанциях или ГЭС, то есть допускается использование дублирующих мощностей.
Задачей изобретения является полный отказ от использования дублирующих мощностей, предназначенных для выработки электроэнергии в периоды штиля или слабых ветров, обеспечение бесперебойности выработки электроэнергии, повышение надежности энергоснабжения потребителей и экономической эффективности эксплуатации ВЭУ.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении стабильной и бесперебойной генерации электроэнергии независимо от характера и скорости ветра при одновременном исключении использования дублирующих мощностей.
Технический результат достигается тем, что способ выработки электроэнергии заключается в том, что производят электроэнергию посредством электрогенератора, приводимого в действие воздушной турбиной, установленной в пневмомагистрали, при рабочих скоростях ветра перепад давления воздуха на турбине создают путем откачки воздуха из пневмомагистрали посредством компрессора, приводимого в действие ветроколесом, при штиле перепад давления воздуха на турбине создают за счет создания тяги в пневмомагистрали путем сжигания в агрегате, соединенном с пневмомагистралью, водорода, полученного путем электролиза воды, а при малых скоростях ветра перепад давлений воздуха на турбине создают либо только за счет создания тяги путем сжигания водорода, либо одновременно за счет создания тяги путем сжигания водорода и путем откачки воздуха из пневмомагистрали.
Кроме того, электролиз воды осуществляют с использованием произведенной электроэнергии.
Технический результат также достигается тем, что устройство для выработки электроэнергии содержит электрогенератор, соединенную с ним воздушную турбину, установленную в пневмомагистрали, ветроколесо, соединенное с компрессором, предназначенным для откачки воздуха из пневмомагистрали, установку для производства водорода методом электролиза, связанную с помощью силовой цепи с электрогенератором и соединенную с резервуаром для хранения водорода, который соединен с агрегатом для сжигания водорода, соединенным с пневмомагистралью.
Кроме того, агрегат для сжигания водорода соединен с пневмомагистралью посредством другой пневмомагистрали, предназначенной для забора воздуха для сжигания водорода, а на стыке пневмомагистралей установлен блок клапанов и задвижек, обеспечивающих поступление воздуха в пневмомагистрали только через воздушную турбину.
Обеспечение стабильной и бесперебойной генерации электроэнергии, независимо от характера и скорости ветра, воздействующего на ветроколесо, а также исключения использования дублирующих мощностей, достигается в предложенном способе тем, что выработка электроэнергии при любых режимах работы ветроколеса (номинальный, при номинальных рабочих скоростях ветра, меньше номинального, при малых скоростях ветра, простой в работе, при штиле) осуществляется одним и тем же электрогенератором. Электрогенератор приводится в действие воздушной турбиной. Необходимые условия для ее работы (перепад давлений воздуха перед турбиной и позади турбины) создаются либо (при номинальных рабочих скоростях ветра) путем откачки воздуха из пневмомагистрали с помощью компрессора, приводимого в действие ветроколесом, либо (при малых скоростях ветра или штиле), за счет создания тяги в пневмомагистрали путем сжигания в агрегате, подключенном к пневмомагистрали, водорода, который получают на станции путем электролиза воды. Возможна также (при малых скоростях ветра) одновременная работа упомянутых компрессора и агрегата для сжигания водорода, поскольку они подключены к одной и той же пневмомагистрали, в начале которой установлена воздушная турбина.
В предложенном устройстве для осуществления способа агрегаты системы ветроустановки с пневматической передачей мощности (ветроколесо, компрессор и т.п.) и агрегаты системы производства и сжигания водорода (резервуар для воды, электролизер, резервуар для хранения водорода, агрегат для сжигания водорода и др.), объединяются в единый комплекс путем их подключения к единой пневмомагистрали и обеспечивают при самостоятельной или совместной работе этих систем необходимые условия для работы (перепад давлений) установленной в начале этой пневмомагистрали воздушной турбины, которая является приводом генератора.
Предлагаемое устройство схематично поясняется чертежом (фиг. 1).
Конструктивно устройство включает установленное на опорной башне (не показана) ветроколесо 1, которое с помощью механической передачи (вал) 2 соединено с компрессором 3, который предназначен для откачки воздуха из пневмомагистрали 4. В начальной части пневмомагистрали 4 установлена воздушная турбина 5, являющаяся приводом электрогенератора 7 и соединенная с ним с помощью механической передачи (вал) 6. Электрогенератор 7 соединен с помощью силовых цепей с блоком оборудования и аппаратуры (не показан), который обеспечивает поставку потребителям электроэнергии необходимого качества. Кроме того, с помощью силовой цепи 8 электрогенератор 7 связан с установкой 10, в которой обеспечивается производство водорода. Для процесса электролиза, который применяется в установке 10, используется вода, запасенная в естественном или искусственном резервуаре 9. Трубопровод 11 служит для транспортировки произведенного водорода из установки 10 в резервуар 12 для хранения водорода. Трубопровод 13 служит для подачи водорода из резервуара 12 в агрегат 14, предназначенный для сжигания водорода. Пневмомагистраль 15 соединяет агрегат для сжигания водорода 14 с пневмомагистралью 4. В месте стыка пневмомагистралей 4 и 15 имеется блок клапанов и задвижек (не показан), с помощью которых регулируются направления потоков воздуха в пневмомагистралях 4 и 15. Кольцевой канал 16 служит для приема продуктов сгорания водорода, которые удаляются из кольцевого канала через сопла 17 эжектора.
Устройство работает следующим образом. Набегающий поток воздуха, имеющий номинальную рабочую скорость, приводит ветроколесо 1 во вращение. С помощью механической передачи (вал) 2 ветроколесо 1 приводит в работу компрессор 3, который начинает откачивать воздух из пневмомагистрали 4, создавая таким образом зону пониженного давления воздуха, в результате чего возникают благоприятные условия (перепад давлений) для работы воздушной турбины 5. Воздушная турбина 5 при помощи механической передачи (вал) 6 приводит в работу электрогенератор 7. Выработанная энергия направляется потребителям.
В периоды избыточной выработки электроэнергии (превышение номинальной рабочей скорости ветра, ночной период низких электрических нагрузок и т.п.) полученная электроэнергия полностью или частично направляется по силовой цепи 8 в установку 10, которая забирает воду из резервуара 9 и с помощью процесса электролиза разлагает ее на водород и кислород. Полученный водород транспортируется по трубопроводу 11 в резервуар 12 для последующего хранения.
В периоды слабых ветров, а также штиля водород, хранящийся в резервуаре 12, подается по трубопроводу 13 в агрегат 14, где водород сжигается. Воздух, необходимый для этого, забирается из пневмомагистралей 15 и 4, что создает тягу в пневмомагистралях. При этом система клапанов и задвижек создает такие условия, при которых воздух будет поступать в пневмомагистрали 4 и 15 только через воздушную турбину 5, являющуюся приводом электрогенератора 7. Это, даже в периоды слабых ветров и штиля, обеспечит стабильную и бесперебойную выработку электроэнергии и поставку ее потребителям.
Продукты сгорания водорода поступают из агрегата 14 в кольцевой канал 16 и затем удаляются из него через сопла 17 эжектора.
Изобретение позволяет полностью отказаться от использования дублирующих систем, обеспечить стабильность и бесперебойность выработки электроэнергии, повысить надежность энергоснабжения потребителей, обеспечить возможность использования ВЭУ в качестве станции, обеспечивающей покрытие пиковых электрических нагрузок, повысить экономическую эффективность эксплуатации ВЭУ.