СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ
METHOD AND DEVICE FOR GENERATION OF ELECTRIC ENERGY ON RENEWABLE ENERGY SOURCES

Изобретение относится к энергетике, в частности к способам и устройствам для преобразования энергии потока сплошной среды в механическую энергию. Изобретение может быть использовано для тепло- и электроснабжения жилых строений (объектов) с помощью энергосистем, работающих на возобновляемых источниках энергии во всех климатических зонах.
Известны способы и устройства, в которых электроэнергия, вырабатываемая установками на возобновляемых источниках энергии (ветровые, волновые, фотоэлектрические станции и др.), отдается непосредственно в нагрузку потребителю. При этом возникают проблемы обеспечения качества энергии, вызванные нестабильностью потока энергии в источнике (изменяются сила ветра, интенсивность волнения, поток световой энергии и т.д.). Для сглаживания колебаний генерируемой мощности и согласования последней с режимом электропотребления используются аккумуляторы энергии: электрические батареи, воздухоаккумулирующие установки, гидроаккумулирующие электростанции и т.д. (Материалы советско-японского энергетического симпозиума Иркутск: 1980, с.277 - 283). Энергия, выработанная установками на возобновляемых источниках энергии при слабом ветре, солнечном излучении, волнении и т.п. не используется, так как качество (синусоидальность, напряжение, частота и мощность) не удовлетворяет как условиям работы электродвигателей, насосов (насосы не работают, выходят из строя электрические обмотки), так и потребителя, который должен непрерывно получать стабилизированную электроэнергию от гидрогенератора.
Известен способ преобразования энергии потока сплошной среды в механическую энергию, при котором потоку придают вращательный момент, направляя его во впускную камеру и систему каналов, создают в нем пониженное давление, обеспечивая тем самым подсос среды из внешнего пространства и концентрацию мощности в формируемом потоке, а затем преобразуют накопленную таким образом энергию движения потока с помощью механизма вращательного действия (Rangwalla A.A. Hsu C.T. Power coefficient of Tornado-Type Wind Turbins./Journal Energy. 1983. v.7, No 6, p.735-737; Hsu C.T.H. Ide. Performance of Turdines with radial Journal Energy. 1983. v.7, No 6, p.452-453).
Устройства, использующие этот способ, носят название (TWES Tornado Wind Energy Systems) и представляют собой башни, внутри которых образуется торнадоподобное закрученное течение. Это течение возникает, как указывалось, за счет притока воздуха внутрь башни через одну или множество щелей, образующих произвольный, но постоянный для данной конструкции угол с локальным радиусом башни. Щели в башне открыты с наветренной стороны и закрыты с подветренной стороны. Проходя сквозь эти щели, ветер приобретает тангенциальную составляющую скорости, что означает возникновение закрученного течения внутри башни. В ядре такого потока образуется зона пониженного давления, что обеспечивает всасывание внутрь башни дополнительных масс воздуха, поступающих через ее нижний торец, устанавливаемый на специальное устройство-поддувало.
Недостатком этого способа преобразования энергии и устройств, на нем основанных, является то, что при этом движение потока в виде отдельных струй по каналам или объемам, в которые его направляют, характеризуется нестабильностью линий тока, их резкими изгибами и, как следствие, образованием вторичных вихревых течений, приводящих к потерям энергии потока и низкому КПД устройства, реализующего упомянутый способ.
В зоне децентрализованного энергоснабжения России в настоящее время проживает около 10 млн человек, в том числе на Крайнем Севере - 2,5 млн человек, 70%. Районы децентрализованного электроснабжения распространены также на Дальнем Востоке, в Сибири, на Алтае, в Поволжье и на Северном Кавказе. В этих районах электроэнергия используется в жилых поселках, на животноводческих фермах, на водопойных пунктах, в жилых домах фермеров и животноводов. Большая часть потребляемой энергии расходуется на бытовые нужды населения, на производство низкопотенциального тепла (Энергетика и электромеханизация сельского хозяйства. - М.: ВИЭСХ, 2000. - 320 с. Научные труды. Том 87).
В настоящее время электроснабжение автономных потребителей в указанных зонах проводится за счет использования ДЭС (дизельные электростанции) различной мощности и в меньшей мере бензоэлектрических агрегатов. В связи с возросшими трудностями доставки топлива теперь ставится задача компенсировать сокращение к 2005 г. на 50% завоза жидкого топлива на Крайний Север и Дальний Восток за счет средств возобновляемой энергетики (П.П.Безруких Использование возобновляемых источников энергии в России. Инф. Бюллетень «Возобновляемая энергия». - М.: Интерсоларцентр, 1997. №1).
К возобновляемым источникам энергии относится и ветроэнергетика. Известна ветроустановка для производства электроэнергии, содержащая трубу и два ветродвигателя (ветроагрегата), состоящих из лопастного движителя с электрогенератором, при этом ветроустановка смонтирована на выходном конце дымовой трубы (Патент RU №2094651, МПК F03D 3/02, 1997).
Недостатком известной ветроустановки является невозможность энергообеспечения жилого дома (объекта), находящегося в труднодоступных или удаленных местах.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности к заявляемому изобретению является автономная воздушная энергетическая установка (Патент RU №2261367, МПК F03G 7/04, опублик. 27.09.2005), содержащая воздуховод, выполненный в виде конической трубы, и турбогенератор, смонтированный на верхнем конце воздуховода, а внутри воздуховода на расстоянии от 70 до 100 см от нижнего заборного отверстия размещено нагревательное устройство, состоящее из металлической трубы для нагрева и горелки (конвертора), при этом металлическая труба для нагрева установлена в изоляционном кожухе с кольцевым зазором по отношению к внутренней стенке изоляционного кожуха, а в стенке воздуховода и изоляционном кожухе выполнено отверстие, в котором размещена горелка (конвертор), соединенная посредством трубопровода с топливной емкостью, при этом на внутренней поверхности металлической трубы для нагрева в верхней и нижней ее частях размещены трубчатые электронагреватели, соединенные электрически с турбогенератором.
Однако рассматриваемая автономная энергетическая установка и реализуемый при этом способ получения электроэнергии на возобновляемых источниках энергии имеет достаточно высокие энергозатраты и низкий КПД и потенциальные возможности подобного схемно-конструктивного решения установки остаются все еще не исчерпанными.
Технический результат предлагаемого способа и устройства для его осуществления направлен на обеспечение стабильности линии воздушного потока, уменьшение энергозатрат и повышение КПД.
Поставленная задача решается таким образом, что в способе получения электроэнергии на возобновляемых источниках энергии осуществляют путем подачи атмосферного воздуха от земной поверхности посредством вертикально установленного конического воздуховода, обеспечивая при этом нагрев атмосферного воздуха со стороны воздухозаборной части воздуховода, перемещение потока нагретого воздуха по высоте воздуховода за счет перепада давления и вывод потока воздуха из воздуховода на исполнительный орган энергетической установки, в зоне воздухозаборной части установки подачу и перемещение предварительно нагретого атмосферного воздуха обеспечивают одновременно по двум соосно расположенным воздуховодам и вывод этих потоков из воздуховодов за счет разности перепада давлений при эжекционном режиме воздействия одного восходящего потока воздуха на другой поток, при этом один поток нагретого воздуха направляют в воздуховод с цилиндрической формой его поперечного сечения, а другой поток нагретого воздуха - в кольцевую полость между коническим и цилиндрическим воздуховодами, затем раздельно перемещаемые потоки воздуха на выходе из воздуховодов объединяют и осуществляют подачу общего потока воздуха на исполнительный орган энергетической установки.
Автономная воздушная энергетическая установка содержит конический воздуховод и турбогенератор, смонтированный на верхнем конце воздуховода, при этом со стороны воздухозаборной части воздуховода размещен нагревательный элемент атмосферного воздуха, согласно изобретению она дополнительно содержит цилиндрический воздуховод, причем цилиндрический воздуховод соосно размещен во внутренней полости конического воздуховода, образуя при этом двухпоточный воздуховод для раздельного перемещения восходящих потоков воздуха к турбогенератору, причем торец цилиндрического воздуховода со стороны выходного отверстия расположен ниже торца выходного отверстия конического воздуховода, а нагревательный элемент атмосферного воздуха расположен в основании установки ниже воздухозаборных частей обеих воздуховодов.
Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют снабжать дешевой электроэнергией жилые дома (строения) в труднодоступных или удаленных местах, а особенно в условиях Крайнего Севера или Дальнего Востока, где топливное сырье необходимо завозить.
На фиг.1 схематично изображена предлагаемая автономная воздушная энергетическая установка (строительный чертеж), общий вид; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.3 - разрез А-А фиг.1; на фиг.4 - поперечное сечение Б-Б фиг.2; на фиг.5 - поперечное сечение В-В фиг.2; на фиг.6 - поперечное сечение Г-Г фиг.2; на фиг.7 - схема автономной воздушной энергетической установки, реализующая способ получения электроэнергии на возобновляемых источниках энергии.
Автономная воздушная энергетическая установка для реализации способа представляет собой четырехгранную пирамидальную решетчатую башню с ромбической решеткой, сваренную из труб различного диаметра. Внутри решетчатой башни концентрично расположены два ствола - воздуховода: наружный 1 - в виде прямого усеченного конуса (конической формы) и внутренний 2 - цилиндрический. При этом внутренний цилиндрический воздуховод раскреплен с наружным коническим воздуховодом горизонтальными тяжами, расположенными в плоскости диафрагм решетчатой башни. В верхней части решетчатой башни расположена технологическая площадка 3 для монтажа и последующего обслуживания турбогенератора 4.
Каждый из четырех поясов решетчатой башни опирается на железобетонный фундамент 5, а наружный и внутренний воздуховоды 1, 2 нижней частью опираются на технологическую бетонную площадку 6. В зоне расположения технологической площадки для размещения и обслуживания турбогенератора выходные отверстия воздуховодов находятся на разных уровнях, причем торец цилиндрического воздуховода 2 со стороны выходного отверстия расположен ниже торца выходного отверстия конического воздуховода 1.
В основании фундамента установки имеется заборная часть атмосферного воздуха, которая выполнена в виде радиально расположенных входных каналов 7. Ниже входных каналов в полости 8 железобетонного фундамента размещено нагревательное устройство, состоящее из металлической нагревательной системы (элементов) 9 и горелки (конвертора) 10. Нагревательная система содержит также трубчатые электронагреватели 11, соединенные электрически с турбогенератором 4.
Нагревательное устройство предназначено для создания дополнительной тяги, а именно искусственного постоянно направленного устойчивого воздушного потока в двухтрубном воздуховоде.
Трубчатые электронагреватели предназначены для обеспечения замкнутого цикла работы установки от турбогенератора и создания дополнительной тяги в воздуховодах 1, 2.
Для запуска установки зажигают горелку (конвертор) 10, которая работает от любого топлива (мазут, солярка, бензин или газ). Пламя горелки нагревает металлическую поверхность 9, например, до температуры свыше 20°С, при этом тепловой поток нагретого атмосферного воздуха поступает в воздухозаборные отверстия конического и цилиндрического воздуховодов 1 и 2, в каждом из которых происходит перепад давления за счет разности температур воздуха, нагретого у воздухозаборных нижних отверстий воздуховодов, и холодного - у выпускных верхних отверстий воздуховодов. При перепаде давления происходит движение потока воздуха, направленного в сторону выпускных отверстий обоих воздуховодов. Конусность воздуховода 1 при эжекционном режиме воздействия исходящего из его выходного отверстия кольцевого потока воздуха на поток воздуха цилиндрического воздуховода 2 позволяет создать среду повышенного давления, обеспечить устойчивый скоростной режим перемещения потока воздуха в цилиндрическом воздуховоде и увеличить его движущую силу, при этом реализовать в выходном отверстии воздуховода поле скоростей потока с максимумом.
Кинетическая энергия струи направленного воздушного потока приводит в движение турбину турбогенератора, которая работает без перебоев при направлении на лопасти турбины стабильных потоков воздуха с постоянным давлением. Такие «организованные» потоки воздуха всегда поднимаются в воздуховоде из-за разности плотностей у нижнего заборного отверстия и верхнего выпускного отверстия воздуховодов. Далее за счет преобразования механической энергии в электрическую происходит выработка электроэнергии. При вращении лопастей турбины происходит также подсос воздуха, в результате образуется дополнительно разрежение, что приводит к увеличению тяги в воздуховодах. После выхода на устойчивый режим работы генератора необходимо отключить горелку и включить трубчатые электронагреватели. Небольшая часть выработанной электроэнергии турбогенератором идет на нагрев трубчатых электронагревателей, при этом процесс движения искусственно созданного воздушного потока (тяги) не прекращается до тех пор, пока необходимо произвести техническое обслуживание предлагаемой установки или отключить установку по каким-либо другим причинам.
При размещении цилиндрического воздуховода во внутренней полости конического воздуховода конструктивно создается среда повышенного давления, а перемещение всасываемых масс воздуха и подача его на исполнительный орган энергетической установки происходит по прямолинейному воздуховоду с нулевыми аэродинамическими потерями, при этом получаем устойчивый направленный воздушный поток, регулируемый перепадом температур, с высоким КПД.
Основная часть выработанной электроэнергии автономной энергетической установкой идет на хозяйственные нужды (свет, отопление и т.д.). Ввод объектов нетрадиционной энергетики целесообразно для энергоснабжения отдельных объектов и населенных пунктов Крайнего Севера и Дальнего Востока.
Выбор оптимально необходимого соотношения значений разности перепада температур между атмосферным воздухом и нагретым воздухом в полости соосно расположенных воздуховодов и соответственно эффективность режима работы установки задается в зависимости от климатических зон.
Предлагаемый способ получения электрической энергии на основе использования возобновляемых источников энергии не зависит от природных явлений, линия воздушного потока в воздуховодах всегда стабильна и устойчива; автономные воздушные энергетические установки, реализующие данный способ, просты в изготовлении, надежны в эксплуатации и целесообразны в использовании. Сырьевой ресурс при этом практически неиссякаем.