СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЕЁ В ДРУГИЕ ВИДЫ ЭНЕРГИИ И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO PRODUCE WIND ENERGY AND CONVERT IT INTO OTHER TYPES OF ENERGY AND WIND-ENERGY DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для получения нетрадиционной экологически чистой и возобновляемой ветровой энергии и преобразования ее в другие виды энергии: электрическую, механическую, тепловую или их различные сочетания.
В известных способах получения и использования ветровой энергии ветроустановка, как правило, представляет взаимосвязанный комплекс технологического оборудования, включающий, с одной стороны, лопастную ветротурбину аэродинамического типа, воспринимающую кинетическую энергию ветрового потока, с другой стороны,  дополнительные агрегаты или устройства, преобразующие ветровую энергию в другие виды энергии, что создает целый ряд серьезных недостатков и ограничений в эксплуатации.
мин
макс
н
0
н
мин
макс
н
1
0
мин
2
0
макс
3
0
1
2
3
1
2
3
0
н
мин
мах
Так, например, большие трудности для эксплуатации известных ветроустановок возникают из-за ограниченного динамического диапазона скоростей ветра по причине их значительной неравномерности во времени. Нижнюю и верхнюю границы динамического диапазона определяют соответственно минимальная скорость V, которой соответствует момент трогания с места неподвижного ветроколеса установки, и максимальная скорость ветра V, при которой работа ветроустановки должна быть остановлена во избежание ее разрушения. Внутри динамического диапазона находится номинальная скорость ветра V, которая обеспечивает потребителя расчетным количеством энергии. Принимая за расчетную величину среднегодовую скорость ветра V, можно ориентировочно определить скорости V, V и V по соответствующим простым формулам: V=K·V; V=K·V; V=K·V. Здесь K, K, K - определяемые опытным путем поправочные коэффициенты, зависящие от целого ряда факторов, таких как топографические условия местности, высота расположения ветроустановки над уровнем земли, конструктивные особенности оборудования и, в частности, рабочего органа и других факторов. Ориентировочные значения данных коэффициентов лежат в следующих пределах: K=1,4÷2,0; K=0,6÷0,8; K=4÷5. Так, например, для расчетной среднегодовой скорости V, равной 5 м/с, номинальная скорость ветра V будет находиться в пределах от 6 до 10 м/с, а минимальная и максимальная скорости будут равны соответственно V=3÷4 м/с и V=20-25 м/с (см., например, книгу: Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. Под общей ред. П.Л. Безруких. - Санкт-Петербург, Наука, 2002 г., ISBN 5-02-024971-8).
Ограниченный динамический диапазон скоростей ветра также существенно влияет на условия надежного и бесперебойного энергоснабжения потребителя. Так, при малых скоростях ветра возникает дефицит энергии, который должен быть компенсирован энергией, производимой резервным источником энергоснабжения, например дизель-электростанцией или энергией, накопленной различного рода аккумуляторами в период максимальных скоростей ветра, когда ветроустановка вырабатывает избыточную энергию.
Предлагаются также системы, которые используют различные возобновляемые источники в комбинации. Так, известна из патента DE 3407881 A1 комплексная система энергоснабжения, при которой в дополнение к генерации электрической энергии от солнечных батарей извлекается механическая энергия движущегося потока воздуха посредством ветроколеса и превращения ее в электрическую энергию приводимым в действие генератором. Воздушное течение возникает путем слияния горизонтального и отклоненного в вертикальном направлении течения ветра в зазоре между наружной стеной здания и расположенными на расстоянии от нее солнечными поглотителями излучения тепла из пластин-абсорберов.
Также, согласно патенту DE 2751341 A1, могут комбинироваться все возможные природные энергетические источники, причем для эксплуатации энергии ветра упомянуты только ветротурбины.
Патент US 4079264 A описывает такую ветротурбину, которая расположена в самом узком месте течения воздуха в канале Вентури в точке самой высокой скорости и низкого давления. Крыльчатка расположена в области преимущественно низкого давления для того, чтобы создать поток для рабочего колеса ветротурбины в другом месте.
Такие комбинированные системы энергоснабжения характеризуются значительными весогабаритными показателями, большими занимаемыми производственными площадями, высокой строительной и эксплуатационной стоимостью, низкими кпд в пределах 5-30% и высокой себестоимостью производимой энергии.
И, наконец, ограниченный динамический диапазон скоростей ветра препятствует использованию во всем объеме энергетического потенциала ветровой энергии, отрицательно влияя на величину коэффициента преобразования энергии (КПЭ). Так, известно, что существующие ветрустановки могут использовать всего лишь 20-30% имеющихся ветровых ресурсов (см., например, книгу: А.Н. Старков и др. Атлас ветров России. Минтопэнерго России. - М., 2000 г., ISBN 5-7542-0067-6).
Таким образом, известные способы получения и преобразования ветровой энергии, обладающие перечисленными выше существенными недостатками, не соответствуют требованиям, которым должен удовлетворять современный энергетический процесс.
Из прикладной аэрогидромеханики известен способ получения и преобразования энергии воздушного потока, эжектируемого напорным водным потоком, путем фазных превращений, конечной целью которых является образование двухфазной (вода + воздух) среды. Последняя при определенном количественном соотношении фаз и местной скорости разгоняется до сверхзвуковой скорости в специально спрофилированных каналах. Это движение происходит со скачками уплотнения, сопровождающимися скачкообразным увеличением давления и температуры текучей среды, которая затем превращается в дозвуковой поток (см., например, книгу: Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. Струйные аппараты. - 3-е изд., перераб - М., Энергоатомиздат, 1989 г., ISBN 5-283-00079-6).
Исходя из приведенных выше соображений, в качестве прототипа выбрано техническое решение, в котором описывается способ превращения в сжатый воздух атмосферного воздуха в процессе его эжекции напорным потоком воды (см., например, книгу: Б.Ф. Лямаев. Гидроструйные насосы и установки. Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение, 1988, с.232-237, ISBN 5-217-00278-6).
Из этого же источника известно устройство для осуществления данного способа, содержащее насос, гидроструйный аппарат, выполненный с возможностью эжекции атмосферного воздуха, бак-ресивер для отделения воды от сжатого воздуха, всасывающий и напорный трубопроводы, а также регулирующую арматуру.
Основным недостатком известного способа и устройства для его осуществления является ограниченность применения только в условиях неподвижной воздушной среды и невозможность получения и преобразования энергии скоростных ветровых потоков, как разновидности воздушных потоков, с высокими коэффициентами преобразования энергии (КПЭ), обеспечивая при этом также высокие кпд устройства.
Целью настоящего изобретения является увеличение КПЭ за счет получения и преобразования энергии ветра в широком динамическом диапазоне от аномально малых, близких к нулю скоростей, до предельно высоких для данной местности скоростей, дополнительное увеличение кпд устройства за счет отказа от применения малоэффективной лопастной ветротурбины, уменьшения весогабаритных показателей устройства и занимаемой им производственной площади, повышения надежности в работе, бесперебойности энергоснабжения потребителей разными видами энергий.
Поставленная цель достигается с помощью совокупности признаков из основных требований и зависимых пунктов формулы изобретения, представляющих предпочтительные дополнения. Изобретение разъясняется последующим описанием способа использования энергии ветра на примере приложенного рисунка, показывающего схему устройства.
На фиг.1 представлен вариант ветроэнергетического устройства для осуществления способа получения энергии ветра и преобразования ее в другие виды энергии (электрическую, механическую, тепловую или их различные сочетания), которое включает гидравлическую установку 1, состоящую из насосного агрегата 2, составленного из динамического лопастного насоса, преимущественно центробежного насоса 3 и электропривода 4, бака-ресивера 5, содержащего корпус 6, днище 7 и крышку 8, вместе образующих внутренние полости: нижнюю гидравлическую 9 и верхнюю пневматическую 10 полость, а также гидроструйный аппарат 11, содержащий рабочую камеру 12, центральное суживающееся сопло 13, камеру смешения 14 и диффузор 15.
Гидравлическая установка 1 дополнительно оснащена ветроусилителем 16, содержащим последовательно расположенные по движению воздушного потока ветрозаборник 17, корпус 18 с воздушным каналом 19 и выходной патрубок 20 с обратным клапаном 21, гидравлическим преобразователем энергии 22 с гидравлической турбиной 23, вал отбора мощности 24 которой выполнен с возможностью соединения с электрическим генератором 25 или с другой механической нагрузкой 26, пневматическим преобразователем энергии 27 с пневматической турбиной 28, вал отбора мощности 29 которой, в свою очередь, выполнен с возможностью соединения с электрическим генератором 30 или с другой механической нагрузкой 31.
Выходной патрубок 20 ветроусилителя 16 радиально или тангенциально присоединен к гидроструйному аппарату 11 в его поперечном сечении. Выход 32 из гидравлической турбины 23 коротким трубопроводом 33, оборудованным регулирующим устройством 34 и обратным клапаном 35, соединен с баком-ресивером 5 через днище 7, а вход 36 в пневматическую турбину 28 через трехходовой клапан 37 с выпуском 38 в атмосферу соединен воздухопроводом 39 с баком-ресивером 5 через крышку 8. Насос 3 соединен с всасывающим трубопроводом 40, оборудованным регулирующим устройством 41 и обратным клапаном 42, с баком-ресивером 5, а напорным трубопроводом 43 с другими регулирующими устройствами 41 соединен с гидроструйным аппаратом 11.
Во всасывающий трубопровод 40 вмонтирован бойлер 44, внутри которого размещен теплообменник 45, например змеевик, сообщающийся с трубами прямой 46 и обратной 47 подачи теплоносителя - воды системы водяного отопления и/или другой теплообменник 48, сообщающийся с трубами подачи холодной воды 49 и отведения горячей воды 50 системы горячего водоснабжения.
Выход из пневматической турбины 28 соединен с узлом распределения 51 системы воздушного отопления.
Ветроусилители 16 ветроэнергетического устройства установлены в количестве n≥1 навстречу ветру, причем их продольные прямолинейные или изогнутые оси 52 могут быть расположены относительно продольной оси 53 гидроструйного аппарата 11 под углом β, удовлетворяющим условию 180°≥β≥0°. На чертеже представлен вариант ветроэнергетического устройства с одним (n=1) ветроусилителем 16, продольная ось 52 которого расположена под прямым углом (β=90°) к продольной оси 53 гидроструйного аппарата 11.
1
2
1
2
Воздушный канал каждого ветроусилителя по ходу воздушного потока выполнен конфузорным при следующих геометрических условиях: F=(10÷100)F; 24°≥α≥8°, где F, F и α - площади соответственно входного (1-1) и выходного (2-2) поперечных сечений и угол конфузорности воздушного канала.
Корпус 18 может быть изготовлен из водо- и воздухонепроницаемого материала. Поперечные сечения могут быть выполнены любой, но преимущественно круглой формы.
В гидравлической полости 9 бака-ресивера 5 с возможностью обеспечения максимальной поверхности раздела сред вода - сжатый воздух установлена наклонная разделительная перегородка 54.
Для регулирования расхода и давления, а также предотвращения обратного движения текучей среды предусмотрена регулирующая арматура 34 и 41 и обратные клапаны 35 и 42. Контроль и измерение рабочих характеристик ветроэнергетического устройства осуществляется посредством следующих контрольно-измерительных приборов: манометров 55, расходомера 56, теплосчетчика 57 и термометров 58, установленных по принятым Правилам монтажа и эксплуатации данных приборов.
На входе в ветрозаборник 17 установлена предохранительная сетка 59 для защиты от попадания мусора и посторонних предметов.
Способ получения энергии ветра и преобразования ее в другие виды энергии (электрическую, механическую, тепловую или их различные сочетания) заключается в том, что воздушный поток принудительно ускоряют в ветроусилителе 16, после чего в камере смешения 14 гидроструйного аппарата 11 ускоренный воздушный поток смешивают с подаваемым насосом 3 ускоренным напорным водным потоком, тем самым интенсифицируя процесс образования сверхзвукового водовоздушного потока, движение которого происходит со скачками уплотнения, сопровождающимися скачкообразным увеличением давления и температуры. После диффузора 15 происходит преобразование двухфазного потока на выходе из гидроструйного аппарата 11 в дозвуковой напорный водовоздушный поток энергоносителя с избыточной гидравлической и тепловой энергией. Большую часть избыточной гидравлической энергии напорного водовоздушного потока энергоносителя посредством гидравлического преобразователя энергии 22 преобразуют в электрическую энергию, присоединяя к валу отбора мощности 24 гидравлической турбины 23 электрический генератор 25, или в другие виды энергии, присоединяя к валу отбора мощности 24 другую механическую нагрузку 26. После гидравлического преобразователя энергии 22 напорный водовоздушный поток энергоносителя с остаточной гидравлической тепловой энергией подвергают сепарации в баке-ресивере 5, отделяя сжатый воздух, который аккумулируют в воздушной полости 10, от воды, которую собирают в гидравлической полости 9. Остаточную энергию сжатого воздуха посредством пневматического преобразователя энергии 27 дополнительно преобразуют в электрическую энергию, присоединяя к валу отбора мощности 29 пневматической турбины 28 электрический генератор 30 или в механическую энергию, присоединяя к тому же валу отбора мощности 29 другую механическую нагрузку 31.
Горячий сжатый воздух в качестве теплоносителя направляют после выхода из пневматической турбины 28 в узел распределения 51 системы воздушного отопления. Горячую воду в качестве теплоносителя по всасывающему трубопроводу 40 направляют в бойлер 44. В последнем размещают теплообменник 45, сообщающийся с трубами прямой 46 и обратной 47 подачи горячей воды, по которым осуществляют циркуляцию теплоносителя в системе водяного отопления, и/или размещают другой теплообменник 48, сообщающийся с трубами подачи холодной воды 49 и отведения горячей воды 50, посредством которых осуществляют функционирование системы горячего водоснабжения.
Принудительное ускорение воздушного потока выполняют в динамическом диапазоне 1:100, равном отношению минимальной к максимальной скорости ветра во входном сечении (1-1).
Напорный водный поток для гидроструйного аппарата 11 создают с помощью насосного агрегата 2, осуществляя его электропитание в пусковом режиме от электрического устройства хранения энергии или от независимого источника электроснабжения или от сети, а в рабочем режиме используя часть вырабатываемой электроэнергии, причем электропривод комплектуют устройством регулирования числа оборотов с возможностью обеспечения оптимальной рабочей характеристики насосного агрегата в условиях неравномерности скорости ветра путем изменения числа оборотов, уменьшая или увеличивая числа оборотов электропривода соответственно при уменьшении или увеличении скорости ветра.
1
2
1
2
1
2
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>V</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>></mo><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><msubsup><mi>V</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow>
2
Ветроэнергетическое устройство работает следующим образом. При включении в работу насосного агрегата 2 вода по напорному трубопроводу 43 подается в центральное суживающееся сопло 13 гидроструйного аппарата 11. На выходе из сопла 13 скорость струи возрастает, а давление падает. Это создает разрежение в рабочей камере 12, куда одновременно с водным потоком поступает ускоренный воздушный поток, образующийся из ветрового потока. Последний через ветрозаборник 17 ветроусилителя 16 поступает в корпус 18 с воздушным каналом 19 конфузорной формы, площадь F входа которого больше площади F выхода. В результате такого конструктивного исполнения в конфузорном канале 19 будут иметь место следующие аэродинамические условия: P>Р; V<V;
, где Р, V, ρV/2 и ρ - соответственно давление, скорость, кинетическая энергия и плотность воздушной среды. Индексы 1 и 2 относятся соответственно к входному (1-1) и выходному (2-2) поперечным сечениям.
Таким образом, в соответствии с приведенными выше аэрогидродинамическими условиями в рабочей камере 12 создаются оптимальные условия для эжекции ускоренного воздушного потока также ускоренной водной струей. Далее в камере смешения 14 происходит интенсивное перемешивание воды с воздухом. В результате этого образуется водовоздушная смесь, скорость звука в которой намного ниже скорости звука в однофазном водном потоке. Вследствие этого на входе в диффузор 15 движение сверхзвукового водовоздушного потока, ускорившегося больше скорости собственного звука, будет происходить со скачками уплотнения, являющимися в то же время скачками давления и температуры. По мере продвижения в диффузоре 15, площадь поперечного сечения которого возрастает от входного к выходному сечению, сверхзвуковой поток на выходе из диффузора 15 превращается в дозвуковой напорный водовоздушный поток энергоносителя, обладающий избыточной гидравлической энергией, определяемой суммой потенциальной и кинетической энергии, а также избыточной тепловой энергией, благодаря которой температура напорного водовоздушного потока энергоносителя в зависимости от давления достигает 80-120°C при температуре нагрева порядка 0,5-2°С в минуту.
После гидроструйного аппарата 11 дозвуковой напорный водовоздушный поток энергоносителя поступает в гидравлический преобразователь энергии 22, где через вал отбора мощности 24 гидравлической турбины 23 приводит в действие электрический генератор 25 для выработки электрической энергии и/или другой рабочий механизм 26 для производства механической энергии. На этой стадии используется большая часть гидравлической энергии напорного водовоздушного потока энергоносителя. После гидравлического преобразователя энергии 22 напорный водовоздушный поток энергоносителя, обладающий еще значительной остаточной тепловой и гидравлической энергией, по короткому трубопроводу 33 поступает в бак-ресивер 5. Здесь сжатый воздух отделяется от воды и аккумулируется в верхней пневматической полости 10, а вода собирается в нижней гидравлической полости 9. Сжатый воздух по мере его накопления и достижения расчетного давления через трехходовой клапан 37 и воздухопровод 39 поступает в пневматический преобразователь энергии 27, где через вал отбора мощности 29 пневматической турбины 28 приводит в действие электрический генератор 30 и/или другой рабочий механизм 31 для дополнительного производства электрической и/или другой энергии.
Тепловая энергия напорного водовоздушного потока энергоносителя после гидравлического преобразователя энергии в баке-ресивере 5 условно разделяется на тепловую энергию воды в гидравлической полости 9 и тепловую энергию сжатого воздуха в пневматической полости 10, причем температуры обеих сред примерно одинаковые.
В показанном варианте осуществления горячая вода как теплоноситель проходит по всасывающему трубопроводу 40 в бойлер 44, в котором через теплообменник 45, сообщающийся трубопроводами прямой 46 и обратной 47 подачи теплоносителя - воды, происходит нагрев циркулирующей воды, которая используется для отопления помещений. Дополнительно или альтернативно водонагреватель содержит теплообменник 48 для нагрева хозяйственно-питьевой воды, которая поступает по трубопроводу холодной воды 49 и отводится потребителю по трубопроводу горячей воды 50.
Тепловая энергия горячего сжатого воздуха, как теплоносителя, используется преимущественно для целей воздушного отопления, для чего горячий сжатый воздух подается в узел распределения 51 системы воздушного отопления и распределяется между пользователями или индивидуальными потребителями. Очевидно, что количество поступившего горячего воздуха будет равно количеству воздуха, которое было принято ветрозаборником 17 ветроусилителя 16. В случае необходимости избыточное давление сжатого воздуха может быть уменьшено, для чего его стравливают в атмосферу посредством трехходового крана 37 через выпуск 38.
Предлагаемое изобретение в совокупности основных и дополнительных признаков позволяет комплексно использовать ветровую энергию с высокими значениями коэффициентов преобразования энергии в широком динамическом диапазоне от аномально низких скоростей ветра 0,5 м/сек, до предельно высоких скоростей 50 м/сек, которые не могут использоваться современными ветроустановками.
Отказ от применения лопастных ветротурбин в предлагаемом способе приводит к резкому увеличению надежности и эффективности ветроэнергетической установки при одновременном снижении веса и габаритов, а также необходимой производственной площади.
Кроме того, входные параметры насосного агрегата с регулируемым электроприводом всегда находятся в оптимальном энергосберегающем режиме независимо от колебаний скорости ветра, поскольку через скачки уплотнения не проходят обратно изменения выходных аэрогидродинамических и температурных параметров энергоносителя.
Особое значение имеет еще то, что энергетические процессы, происходящие в предлагаемом способе получения энергии ветра и ее преобразования, могут быть легко реализованы в различных масштабах, что позволяет выстроить типоряд ветроэнергетических установок с высокими технико-экономическими показателями как в киловаттном, так и в мегаваттном диапазоне.
Промышленная применимость дана в широком объеме: в системах энергоснабжениях различного назначения, в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения населенных мест и промпредприятий, а также в малогабаритных ветроэнергетических установках, например в бытовых стационарных или переносных энергогенерирующих и/или водонагревательных устройствах.