Автономный источник энергоснабжения на основе ветросиловой установки
INDEPENDENT POWER SOURCE BASED ON WIND POWER INSTALLATION

Предлагаемое изобретение относится к автономным энергетическим устройствам и предназначено для стабильного обеспечения потребителей электричеством. Наиболее перспективным использование данного устройства представляется при наличии высокого ветропотенциала в северных и дальневосточных районах с автономным энергоснабжением, где устройства такого типа могли бы служить заменой дизельным электростанциям, приводя к значительному сбережению органического топлива и улучшая экологическую обстановку в регионах.
Известна универсальная комплексная энергосистема (патент РФ 2489589, 10.08.2013 г.) для получения электричества, холода и тепла, которая содержит ветродвигатель, компрессор, накопитель воздуха, теплообменник с горячим и холодным контурами, потребитель теплого воздуха, турбодетандер, с приводимым им электрогенератором. Энергосистема включает источник природного газа повышенного давления, потребитель природного газа, дополнительный компрессор с приводом и дополнительный турбодетандер с потребителем мощности. Изобретение позволяет стабильно и эффективно обеспечить потребителей заданным количеством электроэнергии, холода и тепла при пониженном уровне ветропотенциала.
Техническое решение ограничивает область применения такого устройства необходимостью использования дополнительного источника природного газа повышенного давления.
Известно аккумулирующее устройство (Патент РФ 2384734, 20.03.2010 г.), в котором накопление (запас) энергии происходит путем подъема груза мотор-генератором в период высоких скоростей ветра с последующей отдачей энергии в период штилей. Мотор-генератор поднимает груз с помощью полиспаста. Отдача энергии осуществляется путем раскручивания мотор-генератора сбегающей ниткой полиспаста через барабан и ускоритель вращения при опускании груза полиспаста. Целью данного изобретения является создание аккумулирующего устройства, способного обеспечить выработку электроэнергии во время безветрия.
Недостатком данного устройства является ограниченный уровень запаса аккумулированной энергии наряду со с значительными материалоемкими технологиями. (Например, груз 100 тонн, поднятый на высоту 10 м, хранит энергию менее 3 кВт ч).
Наиболее близким к заявленному является устройство, описанное в заявке на патент США 20150184641, 2015-July-02 "Storage of compressed air in wind turbine support structure", касающееся аккумулятора сжатого воздуха в опоре ветрогенератора, которое было выбрано в качестве прототипа. Реализация данного устройства заключается в разработке системы хранения энергии, полученной от ветродвигателя, в виде сжатого воздуха от газового компрессора, работающего от ветродвигателя, башни-опоры ветродвигателя, стенки которой служат резервуаром для накопителя сжатого воздуха. Турбодетандер-генератор служит для генерации электрической мощности при расширении сжатого газа из резервуара высокого давления.
Существенным недостатком данного устройства является конструктивное решение аккумулирования всей энергии сжатого газа только в резервуаре высокого давления. Турбодетандер, на вход которого подается воздух из резервуара высокого давления, работает в режиме высокой степени расширения газа, сопровождающегося сильным охлаждением воздуха с вероятным образованием твердых фракций на элементах устройства. Для его функционирования необходима многоступенчатая система расширения с обязательной предварительной осушкой и подогревом воздуха, что усложняет устройство и снижает эффективность и надежность его работы, так как требуются дополнительные затраты энергии на систему осушки и нагрева.
Задачей изобретения является создание автономного источника гарантированного энергоснабжения на основе ветродвигателя и системы пневматической аккумуляции энергии, обеспечивающего устранение упомянутого недостатка.
Технический результат, заключающийся в повышения эффективности и надежности работы устройства, достигается тем, что автономный источник энергоснабжения, включающий установленную на башне-опоре ветросиловую установку, механически связанную с электрогенератором и компрессором-бустером, связанным трубопроводом с резервуаром высокого давления, и турбодетандер, содержит дополнительный компрессор, механически связанный с ветросиловой установкой, дополнительный электрогенератор, механически связанный с турбодетандером, а также содержит расположенный в башне-опоре резервуар низкого давления, внутри которого соосно размещен резервуар высокого давления, при этом резервуар низкого давления снабжен регулирующим клапаном и связан трубопроводом с дополнительным компрессором, компрессором-бустером и турбодетандером, причем резервуар высокого давления выполняет одновременно функции аккумулятора энергии сжатого воздуха и аккумулятора тепла, используемого для нагрева воздуха в резервуаре низкого давления, поступающего на вход турбодетандера. При этом в качестве дополнительного компрессора может быть использован винтовой компрессор или турбокомпрессор, установленный непосредственно за ветродвигателем ветросиловой установки, а компрессор-бустер может быть установлен на фундаменте в основании башни-опоры.
Достижение технического результата обеспечивается путем разделения системы аккумулирования и хранения энергии сжатого воздуха на две подсистемы - резервуар низкого и резервуар высокого давления. Резервуар низкого давления заполняется воздухом от высокопроизводительного винтового компрессора или турбокомпрессора до давления, оптимального для запуска и работы турбины турбодетандера. Также резервуар низкого давления служит для подачи воздуха на вход компрессора-бустера, который заполняет резервуар высокого давления. Резервуар высокого давления служит для аккумулирования и хранения основной части энергии сжатого воздуха и подпитки воздухом резервуара низкого давления.
Система разделения на подсистемы низкого и высокого давления позволяет более эффективно использовать два разных компрессора для питания каждого из резервуаров. Оба компрессора механически связаны с ветродвигателем. Для высокопроизводительных винтовых компрессоров характерен низкий уровень шума и вибрации, высокая надежность, большой ресурс работы и сравнительно небольшой вес. Эффективность и надежность работы системы ветродвигатель-компрессор будет выше, если винтовой компрессор или турбокомпрессор размещен в поворотной гондоле с ветроколесом непосредственно за ветродвигателем. В то время как компрессор-бустер требует более тщательного режима обслуживания и может быть размещен на прочном фундаменте на уровне земли в зоне упрощенной доступности обслуживающего персонала.
Оба резервуара низкого и высокого давления формируют башню-опору ветросиловой установки, причем резервуар высокого давления размещен внутри и соосно с резервуаром низкого давления.
На выходе компрессора-бустера и на входе в резервуар высокого давления сжатый воздух нагрет до высокой температуры. Внутреннее расположение резервуара высокого давления с подогретым воздухом служит аккумулятором и источником тепла, необходимого для нагрева воздуха в резервуаре низкого давления, подаваемого на вход турбодетандера, что повышает его коэффициент полезного действия.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично представлен автономный источник энергоснабжения, общий вид.
Автономный источник энергоснабжения на основе ветросиловой установки включает в себя установленную на башне-опоре 1 ветросиловую установку, которая содержит ветроколесо 2 и высокомоментный ветродвигатель 3, механически связанный посредством привода-распределителя 4 с электрогенератором 5 и компрессором-бустером 6, связанным трубопроводом 7 с резервуаром 8 высокого давления, а также содержит турбодетандер 9, механически связанный посредством привода-распределителя 4 с дополнительным электрогенератором 10, дополнительный компрессор 11, механически связанный с ветродвигателем 3, и резервуар 12 низкого давления, корпус которого образован стенками башни-опоры 1, внутри которого соосно размещен резервуар 8 высокого давления, при этом резервуар 12 низкого давления снабжен регулирующим клапаном 13 и связан трубопроводами 14 с дополнительным компрессором 11, компрессором-бустером 6 и турбодетандером 9, причем резервуар 8 высокого давления выполняет одновременно функции аккумулятора энергии сжатого воздуха и аккумулятора тепла, используемого для нагрева воздуха в резервуаре 12 низкого давления, поступающего на вход турбодетандера 9. В качестве дополнительного компрессора 11 использован высокопроизводительный винтовой компрессор или турбокомпрессор, установленный непосредственно за ветродвигателем 3 ветросиловой установки в гондоле 15. Компрессор-бустер 6 установлен в основании башни-опоры 1.
Автономный источник гарантированного энергоснабжения работает следующим образом.
Высокомоментный ветродвигатель 3 под действием ветра через ветроколесо 2 вырабатывает энергию, часть которой идет на производство электроэнергии в электрогенераторе 5 через механический привод-распределитель 4 и поступает затем в сеть потребителя 16, а часть аккумулируется в виде запасов сжатого воздуха.
Реализован двухступенчатый процесс сжатия воздуха. На первом этапе используются высокопроизводительный винтовой или турбокомпрессор 11, работа которого обеспечивается ветродвигателем 3 через механический привод-распределитель 4. Для винтовых компрессоров характерен низкий уровень шума и вибрации, высокая надежность, большой ресурс работы и сравнительно небольшой вес, что позволяет установить дополнительный компрессор 11 непосредственно за ветродвигателем 3 наверху в гондоле 15, вращающейся в горизонтальной плоскости в направлении ветра.
По трубопроводу 14 низкого давления компрессор 11 поддерживает рабочее давление до 10-15 атм в резервуаре 12 низкого давления.
Второй этап сжатия воздуха до высокого давления (до 150 атм) происходит в компрессоре-бустере 6, на вход которого по трубопроводу 14 низкого давления подается воздух из резервуара 12 низкого давления. Сжатый до высокого давления воздух по трубопроводу 7 высокого давления подается в камеру 8 высокого давления.
Через регулирующий клапан 13 давление в резервуаре 8 поддерживается в рабочем диапазоне перепуском сжатого воздуха из резервуара 12.
Резервуар 8 высокого давления служит для хранения больших масс сжатого воздуха и для поддержания стабильного рабочего давления в резервуаре 12 низкого давления. Конструктивно оба ресивера - резервуары 8 и 12 располагаются в башне-опоре 1 ветросиловой установки, при этом резервуар 8 высокого давления располагается внутри резервуара 12 низкого давления.
Из резервуара 12 сжатый воздух подается по трубопроводу 14 на вход высокооборотной турбины турбодетандера 9, которая через привод-распределитель 4 передает рабочий момент на вал дополнительного электрогенератора 10.
Выработанная генератором 10 электроэнергия поступает в сеть потребителя 16.
16
16
8
9
9
8
1
8
6
6
6
6
9
5
3
3
3
3
В качестве примера рассмотрим расчет установки малой мощности, рассчитанной на потребителя W=50 кВт. Для бесперебойной работы турбогенератора (турбодетандера 9, механически связанного посредством привода-распределителя 4 с дополнительным электрогенератором 10) в случае отсутствия ветра в течение двух дней (t=48 ч), необходимо обеспечить потребителя электроэнергией, равной E=W*t=2 400 кВт ч. Для этого необходимо иметь запасы сжатого воздуха в резервуаре высокого давления М=Р*Е=144000 кг при условии, что расход турбогенератора равен Р=60 кг/кВт ч. Для этого необходимо иметь объем резервуара высокого (например, до 100 атм) давления, равный V=M/Ro=144000 кг: (1.1 кг/м*100)=1310 м. При высоте башни-опоры ветродвигателя, равной H=25 м, радиус внутреннего ресивера высокого давления должен быть равен R=4 м. Чтобы закачать такой объем воздуха в ресивер 8 требуется время работы компрессора-бустера 6 при производительности Р=14 м/мин ~ 1100 кг/ч t=М/Р=130 ч или 5.5 суток. При этом мощность компрессора-бустера порядка W=130 кВт (КП-2/100Д1 ЧКЗ). В то же время винтовой компрессор должен поддерживать давление в резервуаре низкого давления и обеспечить подачу воздуха на вход компрессора-бустера с такой же производительностью Р=14 м/мин. Мощность такого винтового компрессора порядка=100 кВт (КВ-12/10 ЧКЗ). Для гарантированной бесперебойной работы такого устройства необходимо, чтобы в неделе было не более двух дней безветрия. Суммарная мощность ветродвигателя складывается из мощности электрогенератора W=50 кВт и мощности обоих компрессоров (компрессора-бустера 6 и дополнительного компрессора 11) 230 кВт, т.е. номинальная средняя мощность ветродвигателя 3 с учетом потерь не менее 300 кВт. Необходимо отметить, что мощность ветродвигателя сильно зависит от скорости ветра, поэтому при выборе ветросиловой установки необходимы данные о ветропотенциале на месте сооружения установки.