ГОРНАЯ ВОЗДУШНО-ТЯГОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
MOUNTAIN AIR-DRAFT THERMAL POWER PLANT

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии без использования для этого топлива, либо подвода какой-либо энергии извне, являясь возобновляемым источником энергии, в различных, более широких условиях. Его возможно использовать практически повсеместно, не зависимо от существования, характеристик природных ветров и ветропотенциала, в отличие от традиционных ветроэнергетических установок, эффективность которых ограничивается экономически приемлемыми ветровыми характеристиками и ветропотенциалом региона.
Известны ветроэнергетические установки вырабатывающие электроэнергию за счет энергии движения воздуха - ветроэнергетические установки (ВЭУ) (Безруких П.П., Арбузов Ю.Д., Борисов Г.А., Виссарионов В.И. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. - СПб.: Наука, 2002). Она включает лопастной ротор или ветротурбину, электрогенератор, мачту с растяжками, аккумуляторы, контроллер заряда батарей, инвертор (преобразователь). В ней направленный поток воздуха вращает лопасти ротора, который передает вращение ротору электрогенератора. С него выработанная электроэнергия подается через контроллер на аккумуляторы, а с аккумуляторов через инвертор - электропотребителю. Инвертор преобразует выработанную электроэнергию до требуемого (нормированного) качества. ВЭУ просты, экологичны. К их недостаткам следует отнести: 1) только определенного уровня ветроэнергетические возможности в регионе. Утверждается, что эффективно использование ВЭУ малой мощности в регионах со скоростями ветра более 3 м/с, а большой мощности - более 6 м/с. Важно и существование стабильного ветра, а если малы периоды существования и скорости его менее указанных, использование их не эффективно и не оправдывает себя; 2) шум создаваемый ВЭУ, который тем больше, чем больше диаметр лопастей ротора; 3) вращение лопастей ротора представляет собой опасность для птиц.
Для достижения большей энергоэффективности и более стабильной работы ВЭУ ветер стали «загонять» в высокие трубы. При этом энергоэффективность увеличивается за счет составляющей, определяемой разницей плотностей восходящего, более теплого, потока воздуха в трубе. В ней поток воздуха в трубе стабилен по направлению. Примером такой ВЭУ является установка по патенту РФ на изобретение №2111381 («Воздушно-вакуумная электростанция для производства электрической энергии», заявка №94011969/06, дата подачи 1994.04.05, М.кл. F03D 3/04, опубл. 1998.05.20). Она содержит вертикальную трубу, установленную на опоре, размещенную в трубе воздушную турбину и генератор электрического тока, роторы которых соединены, электропреобразователь, теплоэлектронагревательные элементы для подогрева воздушного потока в трубе. Такие ВЭУ могут работать и при ветроэнергетических характеристиках региона ниже критических, рекомендованных, исходя из технико-экономической целесообразности, при проектировании традиционных ВЭУ.
Другим примером ВЭУ с вертикальным воздуховодом является проект башни-электростанции высотой 1 км, мощность которой составляет 200 МВт (Проект воздушно-вакуумной башни-электростанции в Австралии. Башня-электростанция обретает прописку. htpp://science.compulenta.ru/). Принцип ее работы основан на явлении конвенции. У подножия гигантской башни будет сооружена огромная теплица имеющая 7 км в поперечнике. Нагреваемый в теплице воздух будет стремиться подняться вверх, в зону с менее низкими плотностями и более низкой температурой воздуха. При этом единственным путем для выхода воздушного потока является башня. Энергия поднимающихся воздушных потоков будет использоваться для получения электричества, для чего в нижней части башни будут установлены мощные турбины и генераторы. Ночью нагрев воздуха в теплице будет осуществляться с помощью специального материала, способного накапливать тепло в дневное время. Годовая выработка электроэнергии будет составлять 760000 ГВт·ч, обеспечивая электричеством несколько сотен тысяч домов и промышленных предприятий. Стоимость проекта оценивается в 470 млн. долл. США.
Для увеличения мощности потока в ВЭУ с вертикальными трубами-воздуховодами предложены решения, направленные на создание вихревого движения потока в трубе, к которым следует отнести следующие: патент РФ на изобретение №2073111 «Вихревая ветроустановка». Заявка №92015707/06, дата подачи 1992.31.12. М.кл. F03D 3/00. Опубл. 1997.10.02, а также патент РФ на изобретение №2285149 «Вихревая ветроэнергетическая установка». Заявка №2004133475, дата подачи 16.11.2004. М.кл. F03D 3/04. Опубл. 10.10.2006 г. В таких ВЭУ при прочих равных условиях достигается повышение мощности воздушного потока, и, как следствие, мощности установленного ветроагрегата. Существенную долю в затратах при сооружении ВЭУ с вертикальной трубой составляет возведение собственно трубы.
Известна горная электростанция (Горная электростанция, автор В.Рогачевский. htpp://yourbiz.narod.ru/), в которой вместо дорогостоящей трубы предложено использовать полиэтиленовый «рукав», проложенный по склону горы. Однако, условия его использования ограничены, такое решение возможно использовать только в горных районах. Кроме того, при этом для создания энергетической установки необходимо обеспечить подогрев поступающего в трубу воздуха, для чего требуются дополнительные энергозатраты, и что ухудшает ее энергоэффективность.
Известна подземная воздушная электростанция (Подземная воздушная электростанция. htpp://world-energy.ru/), включающая сообщенный своим входом и выходом с атмосферой вертикальный или наклонный воздуховод в виде горной выработки (шахты), которая пройдена с поверхности горы к морской бухте; установленный в воздуховоде воздушный двигатель, например, ротор или воздушную турбину, кинематически соединенную с электрогенератором, выход которого посредством электрической линии связи соединен с электроформирователем. В ней, согласно проекту, холодный воздух, собирающийся в «горной чаше» (пространство за горами), по горным выработкам - шахтам (как более тяжелый, будет стекать к бухте, у которой расположен нижний конец горной выработки (воздуховода) и в которой воздух более теплый. Двигающийся воздух вращает ротор воздушного двигателя, вращение которого передается ротору электрогенератора. Последний вырабатывает электроэнергию, которая после преобразования будет направляться в городскую электросеть. Предполагается, что продолжительность существования такого периода движения холодного воздуха вниз к бухте определяется продолжительностью существования «бора» и может составлять 30 дней в году (всего). Недостаток подземной воздушной электростанции заключается в том, что существующие «боры» характеризуются небольшим перепадом высот положений «горной чаши» с холодным воздухом и уровнем воды в бухте моря, которому пропорциональна и а) малая мощность такой электростанции. Кроме того, период существования аэродинамического энергопотенциала мал и составляет около 1 месяца в году. Этим объясняется б) малые период работы и объем вырабатываемой станцией электроэнергии. Для осуществления традиционного для ВЭУ движения воздуха «снизу-вверх», при котором могли бы быть увеличены и период работы и вырабатываемая мощность, в) она не включает в своем составе экономичный (не требующий для его нагрева подвода энергии извне) теплонагреватель воздуха, поступающего в трубу.
Наиболее близкой к заявляемой горной воздушно-тяговой электростанции является воздушно-вакуумная электростанция для производства электрической энергии по патенту РФ №2111381 (заявка №94011969/06 от 1994.04.05, М.Кл. F03D 3/04, опубл. 1998.05.20), принятая за прототип. Она включает сообщенный своим входом и выходом с атмосферой вертикальный воздуховод; установленный в воздуховоде воздушный двигатель, например, ротор или воздушную турбину, кинематически соединенную с электрогенератором, выход которого посредством электрической линии связи соединен с электрораспределительным устройством, соединенным с электропотребителем либо (и) с компрессором, соединенным с ресивером; нагревательный элемент для подогрева атмосферного воздуха, поступающего в воздуховод с нижней его стороны. Недостаток ее заключается в том, что она не может вырабатывать электроэнергию в безветренное время, кроме того, энергоэффективность ее не велика из-за того, что часть вырабатываемой ею электроэнергии расходуется на подогрев воздуха, поступающего в воздуховод.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании горной воздушно-тяговой электростанции, в которой бы обеспечивалось круглогодичное самопроизвольное движение воздушного потока в воздуховоде электростанции (и в безветренное время), а также в повышении ее энергоэффективности.
Поставленная техническая задача решена тем, что в принятой за прототип воздушно-вакуумной электростанции, включающей сообщенный своим входом с нижней стороны и выходом с верхней стороны с атмосферой вертикальный воздуховод; установленный в нем воздушный двигатель, кинематически соединенный с электрогенератором, выход которого посредством электрической линии связи соединен с электрораспределительным устройством; канал сообщения входа воздуховода с атмосферой с нагревателем атмосферного воздуха в нем, воздуховод выполнен в виде горной выработки, изолированной от поступления в нее подземных вод, устье которого на земной поверхности является выходом воздуховода; нагревателем является подземный геотермальный коллектор, представленный сухими теплыми (или горячими) породами, характеризующимися вызванной или природной сообщенной трещиноватостью, сообщенный с входом горной выработки; каналом сообщения его входа с атмосферой является сам подземный геотермальный коллектор, простирающийся до пересечения с поверхностью рельефа горной местности; либо горизонтальное продолжение горной выработки в подземном геотермальном коллекторе, оканчивающееся пересечением с поверхностью рельефа горной местности; либо одна или несколько дополнительных горных выработок, сооруженных с дневной поверхности до геотермального коллектора и расположенных вокруг горной выработки; на устье горной выработки установлен шибер и побудитель движения воздуха, например вентилятор.
В заявляемой горной воздушно-тяговой электростанции:
а) стенки горной и (или) дополнительной горной выработок, или их отдельные интервалы могут быть теплоизолированными;
б) горной и дополнительной(ыми) горной(ыми) выработками могут быть буровые скважины;
в) горной и дополнительной горной выработками могут использоваться вентиляционный и технологический стволы горнодобывающего сооружения, например, рудника или шахты, а их сообщениями - подземные горные выработки, например штреки;
г) она может быть снабжена дополнительным, при необходимости теплоизолированным, воздуховодом, например, трубой или башней-трубой, сообщенным своим нижним концом на устье горной выработки с ее выходом;
д) она может быть снабжена теплопотребительским поверхностным воздуховодом, воздухозаборник которого расположен в непосредственной близости от выхода горной выработки.
Благодаря сочетанию признаков заявляемой горной воздушно-тяговой электростанции, она приобретает новые качества - круглогодичное существование воздушного потока в горной выработке (воздуховоде), причем для этого не требуется подвода какой-либо энергии из вне. Действие в горной выработке постоянно и круглогодично воздушного потока достигается тем, что поступающий в нее воздух нагревается за счет тепла пород, с которыми он контактирует при подземном его движении, поступая из окружающей атмосферы. Движение в ней существует за счет формирующейся в электростанции разности плотностей воздуха в горной выработке и в атмосфере. А постоянно оно существует в течение бесконечно длительного времени, потому как бесконечно постоянно различны температуры воздуха в горной выработке (пород, слагающих ее стенки) и окружающего воздуха.
Преобразовывается в электрическую энергию энергопотенциал воздушного потока в горной выработке энергоагрегатом, состоящим из воздушного двигателя (турбины) и электрогенератора, роторы которых соединены.
Именно, сформулированные в изобретении признаки позволяют достичь поставленную техническую задачу: создать горную воздушно-тяговую электростанцию (далее ГВ-ТЭ), в которой постоянно и круглогодично существует образованный, благодаря природным естественным условиям, аэродинамический энергопотенциал воздушного потока и который преобразовывается в электрическую энергию, а также повысить энергоэффективность электростанции.
Ниже приведены признаки обозначенных выше (п.а) - (п.д) дополнительных пунктов изобретения, которые направлены на повышение следующих показателей назначения электростанции и расширение условий ее эксплуатации:
а) в ней стенки горной и (или) дополнительной горной выработок или их отдельные интервалы могут быть теплоизолированными.
Это позволяет исключить изменение температуры воздуха движущегося в горной выработке за счет отличающейся от нее, часто в сторону более холодной, температуры слагающих стенки горной выработки контактирующих с ним, не уменьшать его скорость и, как следствие, не снижать мощность электростанции;
б) в ней горной и дополнительной(ыми) горной(ыми) выработками могут быть буровые скважины.
Производительность сооружения буровых скважин, в сравнении с другими технологиями проходки горных выработок, более высокая, а технология ее - менее трудо- и материалоемка. Диаметры специальных буровых скважин могут составлять от 0,5 до 8,75 м, а глубины их сооружения - до 1000 м (Брылин В.И. Бурение скважин специального назначения. 3-е издание. Издательство ТПУ, г.Томск, 2009 г., с.209-220). Использование п.б) позволяет повысит производительность и сроки сооружения горных выработок и ГВ-ТЭ и снизить связанные с ним затраты;
в) в ней горной и дополнительной горной выработками использоваться вентиляционный и технологический стволы горнодобывающего предприятия, например, рудника или шахты, а их сообщениями - подземные горные выработки, например штреки.
Признак по п. в) позволяет использовать для создания электростанции, например, уже отработанную шахту, в которой закладка подземных выработок (штреков и др.) после их отработки выполнена не сплошным перекрытием их сечения. Большие сечения шахтных стволов, в том числе вентиляционных при использовании их в качестве электростанции позволяют получить большие мощности электростанций. Использование отработанных шахтных комплексов позволяет снизить затраты, связанные с сооружением горной воздушно-тяговой электростанции, и этим повысить ее экономическую эффективность за счет снижения срока окупаемости, в частности;
г) она может быть снабжена дополнительным, при необходимости теплоизолированным, воздуховодом, например, трубой или башней-трубой, сообщенным своим нижним концом на устье горной выработки с ее выходом выше места установки воздушного двигателя.
Геотермальный градиент в отдельных районах может отличаться от среднего по всей поверхности Земли (средний составляет 3°С/100 м), чаще это наблюдается в районах высокой вулканической активности и может кратно превышать среднее значение. При этом породы с высокой температурой залегают не глубоко.
Признак по п. г) позволяет повысить скорость воздушного потока при не глубоком расположении высокотемпературных пород. Скорость воздушного потока (тяга), как известно, тем лучше, чем выше воздуховод. При неглубоком положении горячих пород увеличение высоты воздуховода электростанции (включая и его подземную часть) можно достичь установкой поверхностного воздуховода - трубы или башни-трубы, что, зачастую, экономически выгоднее, чем сооружение более глубокой горной выработки. Установка теплоизоляции на поверхностном воздуховоде предотвращает возможное охлаждение движущегося в нем воздуха (поступившего в него из скважины за счет теплообменных процессов с окружающим воздухом через стенки поверхностного воздуховода) и этим обеспечить максимальную его скорость, и, как следствие, большую мощность электростанции. Таким образом, решение по п. г) позволяет повысить мощность воздушно-тяговой электростанции (скорость воздушного потока) при меньших затратах на его (решение) осуществление;
д) она может быть снабжена теплопотребительским поверхностным воздуховодом, воздухозаборник которого расположен в непосредственной близости от выхода горной выработки.
Техническое решение по п. д) позволяет использовать тепло отработавшего в электростанции воздушного потока, как вторичного энергоресурса, то есть утилизировать его, например, с целью его применения для энергетических целей хозяйственно-бытового назначения (отопление, вентиляция и др.) и этим повысить энергоэффективность электростанции.
Ниже приведен пример реализации заявляемой горной воздушно-тяговой электростанции (ГВ-ТЭ).
На фиг.1 приведена схема горной воздушно-тяговой электростанции в гористой местности, в которой горная выработка выполнена с горизонтальным ее окончанием до пересечения с поверхностью рельефа; на фиг.2 - то же, но горная выработка сооружена до зоны сухих, теплых, трещиноватых пород, простирающейся до пересечения с поверхностью рельефа. На фиг.3 приведена схема горной воздушно-тяговой электростанции, включающей горную и дополнительную горную выработки (в условиях равнинной местности). На фиг.4 приведен схематичный вид сверху горной воздушно-тяговой электростанции, включающей одну горную и несколько дополнительных горных выработок, сооруженных вокруг нее; на фиг.5 - то же, но ее схематичный фронтальный вид.
На фиг.1-5 введены следующие обозначения: 1 - поверхность рельефа местности; 2 - горная выработка; 3 - дополнительная горная выработка; 4 - горизонтальное продолжение горной выработки; 5 и 6 - устья горной и дополнительной горной выработок соответственно; 7 - пересечение зоны сухих, сухих, теплых трещиноватых пород или горизонтального окончания горной выработки с поверхностью рельефа гористой местности; 8 - воздушный двигатель (воздушная турбина); 9 - электрогенератор; 10 - поток атмосферного (с температурой ниже температуры в скважине) воздуха; 12 - электрокабель от устья горной выработки (от электрогенератора) к электрораспределительному устройству; 13 - механическое соединение на устье горной выработки; 14 - поток горячего (теплого) воздуха в горной выработке; 15 - породы, слагающие горный массив, в котором сооружена горная выработка; 16 - зона сообщенной трещиноватости, простирающаяся до пересечения с поверхностью рельефа гористой местности (с дневной поверхностью); 17 - геотермальный коллектор (зоны сухих, сухих, теплых трещиноватых пород); 19 - электрораспределительное устройство; 20, 21, 22 - датчики температуры, расхода и давления воздуха на устье горной выработки; 23, 24, 25 - датчики температуры, расхода и давления воздуха на устье дополнительной горной выработки; 26 - шибер на устье горной выработки; 27 - заслонка в дополнительной горной выработке; Н - расстояние по вертикали от высотного положения земной поверхности у устья горной выработки (воздушной турбины) либо до пересечения ее горизонтальной части с поверхностью рельефа гористой местности, либо до пересечения с зоной сухих, теплых, трещиноватых пород, до которой сооружена горная выработка.
Устройство горной воздушно-тяговой электростанции.
Устройство приведенных на прилагаемой графике схем вариантов горных воздушно-тяговых электростанций (далее ГВ-ТЭ) следующее. Их можно разделить с учетом альтернативных вариантов выполнения канала сообщения нагревателя в виде подземного геотермального коллектора с атмосферой на две группы:
я
- 1 группа, она содержит одну горную выработку, сооружается, как правило, в горных условиях и в ней возможны две схемы - в схеме А (фиг.2) геотермальный коллектор простирается от пересечения с горной выработкой до пересечения с поверхностью рельефа горной местности; - в схеме Б (фиг.1) вертикальная горная выработка сообщена с атмосферой посредством горизонтальной горной выработкой, сооруженной в геотермальном коллекторе. (В схеме Б не обязательным является требование к нему об обязательности того, чтобы геотермальный коллектор должен быть представлен породами с сообщенной трещиноватостью, так как теплообмен между воздухом, поступающим из атмосферы, и теплом пород (нагрев воздуха) осуществляется в результате его контакта со стенками скважины (но не в результате его контакта со стенками трещин, по которым он движется, как это предусматривается по схеме А);
я
- 2 группа, она содержит две или более горных выработок, сооружается, как правило, в равнинных условиях и в ней возможны две схемы - в схеме В (фиг.3) горная выработка и дополнительная горная выработки сооружены от земной поверхности до пересечения с геотермальным коллектором; - в схеме Г (фиг.4 и 5) одна горная выработка и расположенные вокруг нее дополнительные горные выработки сооружены от земной поверхности до пересечения с геотермальным коллектором.
Горная воздушно-тяговая электростанция по схеме А (фиг.1). В гористой местности сооружены вертикальная горная выработка 2 и сообщенное с ней ее горизонтальное продолжение 4, выполненное в геотермальном коллекторе и направленная так, что им пересечена поверхность рельефа гористой местности 1 (дневная поверхность), а устье горной выработки 5 расположено в верхней части гористой местности. Горная выработка в верхней своей части (у устья) и в нижней части, благодаря пересечению с поверхностью рельефа гористой местности 7 сообщена с атмосферой. Известно, что с глубиной температура пород 15, слагающих земные недра, повышается, а температура воздуха в горной выработке, контактирующего с породами, старается принять температуру пород, слагающих ее стенки. И в общем случае температуры воздуха в горной выработке и в сообщенной с ней атмосферой различны. Принимая во внимание существующую разницу плотностей воздуха в сообщающихся ветвях «горная выработка - атмосфера», можно утверждать о потенциальном существовании при этом движения воздуха в сообщающейся системе из ветви с большей плотностью воздуха в ветвь с меньшей его плотностью. Как правило, температура воздуха в горной выработке 14 выше его температуры в атмосфере и движение в системе горная выработка - атмосфера устанавливается так: из атмосферы, через пересечение горизонтального продолжения горной выработки с поверхностью рельефа гористой 7 в горную выработку, далее по ней снизу вверх к ее устью, а через него - в атмосферу. На устье горной выработки установлена обсадная труба с механическим соединением 13, например фланцем. Посредством фланца 13 к обсадной трубе подсоединяется воздушный двигатель (воздушная турбина 8), кинематически соединенная с электрогенератором 9, выход которого электрокабелем 12 соединен с электрораспределительным устройством 19. Электрораспределительное устройство 19 предназначено для преобразования вырабатываемой электрогенератором электроэнергии до требуемого уровня (по показателям его качества) и осуществления ее отпуска электропотребителям. Для контроля параметров режима работы ГВ-ТЭ на устье горной выработки 5 установлены датчики температуры, расхода и давления воздуха, соответственно, 20, 21 и 22. В обсадной трубе установлен шибер 26 и побудитель движения воздуха, например вентилятор (на графике не показан), включаемый только для запуска работы электростанции (при необходимости). Посредством шибера 26 делается останов станции путем приведения его в закрытое состояние. При этом перекрывается сечение канала горной выработки и движение воздуха в ней.
Горная воздушно-тяговая электростанция по схеме Б (фиг.2). Устройство ГВ-ТЭ по схеме Б принципиально идентично описанному выше устройству ГВ-ТЭ по схеме А за исключением следующего отличия: в ней горная выработка вертикальной сооружена до пересечения с зоной сухих, теплых, трещиноватых (с сообщенной трещиноватостью) пород, простирающейся до пересечения с поверхностью рельефа гористой местности 7. Именно благодаря сообщенной трещиноватости пород в этой зоне 16 осуществляется сообщение атмосферы с объемом горной выработки.
Горная воздушно-тяговая электростанция по схеме В (фиг.3). Приемущественно она сооружается в равнинных условиях и включает горную 2 (далее ГВ) и дополнительную горную (далее ДГВ) выработки 3. ГВ и ДГВ расположены на некотором расстоянии друг от друга и сооружены с дневной поверхности до геотермального коллектора 17. Геотермальный коллектор 17 представляет собой сухие, крепкие, горячие, трещиноватые породы. Причем их сообщенная трещиноватость может быть природной или вызванной (достигнутой благодаря применению для этого специальных технологий). Благодаря геотермальному коллектору 17, ГВ сообщается с ДГВ - существует возможность существования движения воздуха в нем из одной горной выработки (из ДГВ - в ГВ), в другую, а горные выработки представляют собой сообщающуюся систему. В этой сообщающейся системе ДГВ должна быть заполнена холодным воздухом, а ГВ - горячим воздухом. Для этого в начальный момент (пусковой период) в ДГВ 3 воздуходувкой (на фиг.3 не показана) подается атмосферный воздух, он, проходя через геотермальный коллектор, нагревается, движется к ГВ, а по ней от ее забоя к устью, заполняя ее объем. Пусковой период заканчивается после заполнения ГВ горячим воздухом, а ДГВ - холодным). Поскольку плотности воздуха в горных выработках различны, в их сообщении устанавливается автоматический переток через геотермальный коллектор 17 - из ДГВ в ГВ, и после пускового периода он может существовать без нужды в воздуходувке. После пускового периода воздуходувка (побудитель воздушного потока) отключается. Таким образом, в ГВ-ТЭ (фиг.3) устанавливается следующий поток воздуха: из атмосферы воздух поступает в устье ДГВ 6 и далее по ее каналу 3 холодный воздух 10 движется к забою горной выработки 3. Достигнув геотермального коллектора 17, воздух движется в геотермальном коллекторе в сторону ГВ, нагреваясь при этом от контактирования (теплообмена) с горячими горными породами. Нагретый воздух поступает в ГВ и от ее забоя движется к устью, а далее поступает в атмосферу. Благодаря температурной разности плотностей воздуха в ДГВ и ГВ и высоте горной и дополнительной горной выработок в них формируется воздушный поток с определенной скоростью, обладающий аэродинамическим энергетическим потенциалом.
На устье ГВ установлена обсадная труба с механическим соединением 13, например фланцем. Посредством фланца 13 к обсадной трубе подсоединяется воздушный двигатель (воздушная турбина 8), кинематически соединенная с электрогенератором 9, выход которого электрокабелем 12 соединен с электрораспределительным устройством 19. Последнее предназначено для преобразования вырабатываемой электрогенератором электроэнергии до требуемого (по показателям качества электроэнергии) уровня и осуществления ее распределения и отпуска электропотребителям. Для контроля параметров режима работы ГВ-ТЭ на устье ГВ установлены датчики температуры, расхода и давления воздуха, соответственно, 20, 21 и 22, а на устье ДГВ установлены датчики температуры, расхода и давления воздуха, соответственно, 23, 24 и 25. В обсадной трубе ГВ установлен шибер 26 и побудитель движения воздуха (не показан), а в ДГВ - заслонка, посредством которых прерывается сообщение горных выработок, и при этом движение воздуха в них прекращается. Кроме того, при закрытом положении шибера 26 и заслонки 27 ДГВ заполнена холодным воздухом и созданы условия, препятствующие его нагреву, а ГВ заполнена горячим воздухом и созданы условия, способствующие его нагреву. Такая ситуация направлена на надежный запуск ГВ-ТЭ после ее останова, а также для повышения энергоэффективности ее работы в процессе эксплуатации.
Горная воздушно-тяговая электростанция по схеме Г (фиг.4; 5). Известно, что мощность ВЭУ пропорциональна площади сечения воздушного потока, воздействующего на ветроколесо во второй степени. С учетом этого, а также возможностей использования для сооружения ГВ и ДГВ буровых скважин, как более эффективных горных выработок, схема Г предназначена для повышения мощности ГВ-ТЭ, достигаемой с меньшими капитальными затратами. Ее устройство, принципиально идентично описанному выше устройству ГВ-ТЭ по схеме В за исключением следующих отличий: в ней ГВ 2 большего диаметра, а вокруг нее расположены несколько ДГВ 3 меньшего диаметра, направлено такое решение на повышение возможных объемных расходов воздуха в Г-ЭВ, и, как следствие, на повышение энергопотенциала воздушного потока, а также мощности электростанции и объемов выработки электроэнергии. В остальном устройство ГВ-ТЭ по схеме Г аналогично устройству ГВ-ТЭ по схеме В.
Работа горной воздушно-тяговой электростанции.
Энергоинициирующим фактором в заявляемой ГВ-ТЭ является воздушный поток, формируемый в ГВ 2, и чем больше высота и площадь сечения воздуховода, тем больше его скорость и выше мощность потока направленного вверх потока теплого воздуха 14 и больше его энергетический потенциал. На формирование воздушного потока в ГВ 2 влияет температурная разность плотностей воздуха в ней и сообщенных с ней, либо атмосферы, либо в ДГВ 3, а также объемы воздуха в горных выработках (связаны с высотами). При этом температура воздуха в ГВ принимает температуру пород слагающих ее стенки (воздух нагревается), плотность нагретого воздуха ниже плотности холодного воздуха атмосферы, они между собой сообщены. За счет разности плотностей воздуха в ГВ и в атмосфере, или в ГВ и ДГВ осуществляется движение воздуха из ветви (сообщающейся системы) с холодным (более плотным) в ветвь с теплым (менее плотным) воздухом. В рассматриваемой ГВ-ТЭ устанавливается постоянное движение воздуха, интенсивность (скорость) его тем выше, чем выше температурные разности плотностей (или температуры воздуха в ГВ и, либо в атмосфере, либо в ДГВ), а также, чем больше высота горной выработки. Энергетическая мощность воздушного потока в ГВ определяет энергопотенциал ГВ-ТЭ.
Во всех схемах ГВ-ТЭ в ГВ 2 установлены воздушные турбины 8, кинематически соединенные с электрогенератором 9. Под воздействием потока воздуха 14 ротор воздушной турбины 8 вращается, его вращение передается ротору электрогенератора 9, который при этом вырабатывает электроэнергию. Указанные признаки работы ГВ-ТЭ являются идентичными для всех схем ее работы, однако каждая их них имеет индивидуальные особенности, которые изложены ниже.
Горная воздушно-тяговая электростанция по схеме А (фиг.1). Для пуска в работу станции открывают шибер 26 на устье ГВ 2. При этом более теплый и менее плотный воздух в горной выработке, чем воздух атмосферы, начинает двигаться вверх к ее устью, а более холодный воздух атмосферы из нее через пересечение горизонтального продолжения ГВ с поверхностью горного рельефа 7 поступает в ГВ 2. Устанавливается постоянное движение воздуха в горной выработке снизу - вверх, поток которого обладает энергетической мощностью. Под воздействием потока воздуха 14 ротор воздушной турбины 8 вращается, его вращение передается ротору электрогенератора 9, который при этом вырабатывает электроэнергию. Выработанная электроэнергия по электрокабелю 12 передается на электрораспределительному устройству 19. Последним она доводится до требуемого уровня и направляется электропотребителям. Для остановки работы станции шибером 26 перекрывают ГВ 2. При этом движение воздуха в горной выработке прекращается, прекращается и работа ГВ-ТЭ.
Горная воздушно-тяговая электростанция по схеме Б (фиг.2). В принципе работа ГВ-ТЭ по этой схеме аналогична работе ГВ-ТЭ по схеме А, изложенной выше. Их отличие заключается в том, что в ней вместо горизонтального продолжения ГВ до пересечения с поверхностью горного рельефа 7 и сооруженного в геотермальном коллекторе, этот элемент представляет собой, сообщенную с одной стороны с ГВ, а с другой стороны с атмосферой, зону сухих, теплых, с сообщенной трещиноватостью горных пород. А работа ее идентична работе по схеме А.
Горная воздушно-тяговая электростанция по схеме В (фиг.3). Для пуска электростанции в работу открывают шибер 26, после чего начинается движение горячего воздуха 14 (как более теплого и менее плотного в сравнении с температурой атмосферного воздуха) из объема ГВ 2 к ее устью. Благодаря создающемуся при этом разрежению в нижней части Г-ЭВ, в нее начинает поступать воздух из ДГВ 3 и заслонка 27 в ней отклоняется (открывает сечение ДГВ). В сообщающейся системе (атмосфера → ДГВ → геотермальный коллектор → ГВ → атмосфера) устанавливается постоянное движение воздуха, которое формирует аэродинамический поток. Выработка электроэнергии, инициирующаяся аэродинамическим потоком в ГВ-ТЭ, аналогична работе станции по другим схемам, например по схеме А.
Следует отметить, что установка в электростанции ГВ-ТЭ шибера 26 на устье ГВ и заслонки 27 в ДГВ выше геотермального коллектора 17 позволяет повысить надежность ее работы и энергоэффективность. Установленными шибером 26, а в ДГВ - заслонкой прерывается сообщение горных выработок и при этом движение воздуха в них прекращается. Кроме того, при закрытом положении шибера 26 и заслонки 27 ДГВ заполнена холодным воздухом и созданы условия, препятствующие его нагреву, а ГВ заполнена горячим воздухом и созданы условия, способствующие его нагреву. Такая ситуация направлена на надежный запуск ГВ-ТЭ после ее останова. Поддержание за счет шибера 26 и заслонки 27 низкой температуры в ДГВ и высокой температуры в ГВ - при (и после) останова электростанции позволяет не только повысить надежность ее запуска в работу, но и повысить энергоэффективность, так как большая разность температур в сообщающихся горных выработках приводит к большей температурной разности плотностей воздуха в них, и при прочих равных условиях - к большей скорости движения воздуха и большему энергопотенциалу воздушного потока.
Следует отметить, что при необходимости надежного запуска в работу в электростанции может быть применен побудитель движения воздуха в указанной выше цепи движения воздуха (атмосфера → ДГВ → геотермальный коллектор → ГВ → атмосфера). Для этого воздуходувкой из атмосферы в ДГВ нагнетается холодный воздух (на фиг. не показана) в течение пускового периода, который определяется временем, достаточным для заполнения (от подачи воздуха воздуходувкой) ДГВ и ГВ.
Для останова электростанции необходимо перекрыть ГВ шибером 26.
Горная воздушно-тяговая электростанция по схеме Г (фиг.4; 5). На фиг.4 и 5 условно не показаны шибер в Г-ЭВ 2 и заслонки в дополнительных горных выработках 3. Для запуска электростанции в работу открывают шибер в Г-ЭВ 2, после чего в сообщающейся системе ГВ и ДГВ (дополнительные горные выработки) устанавливается движение воздуха (атмосфера → ДГВ → геотермальный коллектор → ГВ → атмосфера). Устанавливается постоянное движение воздуха в ГВ снизу - вверх, обладающий энергетической мощностью. Под воздействием потока воздуха 14 ротор воздушной турбины 8 вращается, его вращение передается ротору электрогенератора 9, который при этом вырабатывает электроэнергию. Выработанная электроэнергия по электрокабелю 12 передается на электрораспределительному устройству 19. Последним она доводится до требуемого уровня (по показателям качества электроэнергии), распределяется и направляется электропотребителям. Для остановки работы станции шибером перекрывают ГВ, при этом движение воздуха в скважине прекращается, прекращается и работа ГВ-ТЭ.
Таким образом, с использованием заявляемой ГВ-ТЭ достигается поставленная перед изобретением задача, в ней обеспечивается круглогодичного самопроизвольное движение воздушного потока за счет формирования в электростанции разности плотностей воздуха в горной выработке и в атмосфере (либо - и в дополнительной горной выработке), а также повышение ее энергоэффективности. Это позволяет расширить условия применения ветроэнергетических установок и получить эффект (энергетический, экономический, социальный и экологический) от применения нового возобновляемого источника энергии.
Кроме того, применение горной воздушно-тяговой электростанции позволяет:
- обеспечить комплексное использование сформированного в ней потока воздуха и повысить ее энергоэффективность за счет утилизации выходящего из горной выработки «отработавшего» теплого воздуха для целей энергетического назначения, например, отопления или сушки и др.;
- повысить ее скрытность и защищенность, и этим повысить ее надежность и живучесть в экстремальных условиях, в том числе, в периоды военных действий, террористических проявлений;
- создать энергоисточник, практически не отражающийся на естественном, природном ландшафте территории (в отличие от традиционных энергоисточников аналогичного назначения - котельные, ТЭЦ, ГЭС, ветроэнергетические установки, отрицательно отражающиеся на природном ландшафте территории) и «делающий» ее более привлекательной в ряду объектов, например, ландшафтного туризма.
Вариантом расширения условий применения заявляемой ГВ-ТЭ может быть использование в качестве горной выработки газохода теплоэнергетической установки, предусматривающей сжигание топлива, например котельной. Реализация его может быть осуществлена путем сооружения газохода в виде горной выработки в горном массиве (целесообразно при расположении котельной и ГВ-ТЭ в гористой местности). Очевидно, что такой вариант требует рационального сочетания скорости газов в газоходе - с одной стороны, чтобы обеспечивался оптимальный режим горения топлива в котельной (исключались механический и химический его недожоги), с другой - приемлемый режим работы ГВ-ТЭ. Осуществление варианта позволит совмещать выработку электроэнергии на ГВ-ТЭ с работой котельной (или другой промышленной теплоэнергетической установки) и получить при этом экономический, экологический эффекты и уменьшить отрицательное влияние на природные ландшафты.