ГИБРИДНЫЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к установкам, вырабатывающим электрическую и тепловую энергию и может быть использована в качестве автономного источника энергии для объектов, удаленных от энергетической системы, до которых экономически нецелесообразно строить традиционные линии электропередачи, в том числе на объектах нефтедобычи, на промыслах, производственных объектах и на нефтяных скважинах при добыче нефти и газа на забалансовых месторождениях, а также может быть использована как альтернативный автономный источник электрической энергии в различных отраслях промышленности и народного хозяйства.
Анализ существующего уровня техники в области энергетических установок на возобновляемых источниках энергии показал следующее:
1. У существующих установок, работающих на альтернативных источниках питания, низкий коэффициент полезного действия (КПД).
2. Процент использования гибридных установок на альтернативных источниках в промышленности различного рода достаточно мал по сравнению с установками на традиционных источниках энергии, это обусловлено тем, что данные установки не могут гарантировать стабильность качества электрической энергии, согласно ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
3. Надежность электроснабжения от установок на альтернативных источниках энергии в настоящее время не может конкурировать с источниками на традиционных энергоносителях, это связано с непостоянством ветрового потока, солнечной инсоляцией, горячих источников недр, силы приливов и т.п.
Известна ветросиловая установка с вертикальной осью вращения, содержащая горизонтальное основание и конусообразный купол, который устанавливается над горизонтальным основанием на стойках. В верхнем центральном отверстии купола на коническом дефлекторе устанавливается рабочее колесо с вертикальным валом для привода механизмов потребителя. Горизонтальное основание и купол образуют кольцевое отверстие для входа воздуха для лопастей ветроколеса (Патент США №4017205, F03D 3/04, 1977 г.).
Недостатками такой установки является низкая эффективность преобразования энергии набегающего потока ветра, слабое использование местных естественных тепловых потоков и недостаточная надежность установки ветроколеса с большими диаметральными размерами.
Существует конструкция ветросиловой установки, содержащая корпус башни с ветроколесом и входные каналы с воздушными заслонками, корпус башни состоит из нижней конфузорной, средней цилиндрической и верхней диффузорной частей, в цилиндрической части корпуса башни на вертикальном валу горизонтально установлено ветроколесо, установка снабжена исполнительным сервомеханизмом, содержащим вал с общим центральным поворотным звеном, кинематически связанным с заслонками и вертикальным валом ветроколеса (А. Св. СССР №1134771, F03D 3/04, 09.04.1981 г. Бюл. №2, 1985 г.).
Недостатками таких ветросиловых установок являются низкая удельная мощность, большая неравномерность работы ветроколеса, отсутствие эффективного использования внутреннего подогрева дополнительных газовоздушных потоков и недостаточная надежность установки ветроколеса при больших диаметральных размерах.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является, выбранная нами в качестве прототипа, ветротепловая энергетическая установка (Патент РФ №2244849, F03D 3/04, 20.02.2003 г., 2005 г.).
Ветротепловая энергетическая установка содержит корпус башни с нижней конфузорной, средней цилиндрической и верхней диффузорной частями. В нижней части расположены входные каналы с воздушными заслонками, в верхней - дефлектор. В цилиндрической части башни на вертикальном валу расположено ветроколесо, сервомеханизм с общим центральным поворотным звеном, кинематически связанным с заслонками, причем входные каналы выполнены тангенциально направленными и наклонными к вертикальной оси корпуса башни, внутри нижней части соосно с ней установлен дополнительный конфузорный канал, а ветроколесо выполнено с подвижными опорами, опирающимися на монорельс. В нижней части башни расположены источники теплоты.
Недостатком данной установки является привязка к постороннему источнику тепла для создания дополнительных тепловых потоков.
Целью полезной модели является обеспечение бесперебойного энергообеспечения потребителей, удаленных от энергосистемы, при этом важно значительное снижение негативного воздействия колебания потока ветра на ветроколесо гибридной ветроэнергетической установки организация дополнительных воздушных потоков, повышающих тепловой напор и результирующее воздействие на ветроколесо на постоянную составляющую вырабатываемой мощности, улучшение управления работой ветроколеса и повышение его эффективности, надежности, достижение экономии материальных затрат и соблюдение основных требований охраны окружающей среды. Большое значение имеет полная автономность гибридной ветроэнергетической установки.
Поставленная цель достигается гибридной ветроэнергетической установкой, включающей корпус башни с входными каналами с воздушными заслонками в нижней конфузорной части, средней цилиндрической частью и верхней диффузорной частью с дефлектором, ветроколесо, расположенное в цилиндрической части башни на вертикальном валу, соединенное с электрогенератором, входные каналы выполнены тангенциально направленными и наклонными к вертикальной оси корпуса башни, а внутри нижней конфузорной части, соосно с ней, установлен дополнительный конфузорный канал.
Новым является то, что в нижней части башни расположены внешний и внутренний излучатели тепла.
Новым является и то, что внешний излучатель тепла представляет собой металлическую трубу, подключенную к солнечному коллектору, и заполненную тепловым носителем.
Новым является также и то, что внутренний излучатель тепла изготовлен из медных труб с греющимися кабелями внутри.
Указанная гибридная ветроэнергетическая установка поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображен общий вид гибридной ветроэнергетической установки;
- на фиг. 2 представлены уточняющие элементы устройства: разрезы А-А - ветроколесо, Б-Б - конфигурация воздушных заслонок, В-В - система излучателей тепла;
- на фиг. 3 представлена трехфазная схема соединения системы греющихся кабелей, разрезы Г-Г и Д-Д.
Гибридная ветроэнергетическая установка включает корпус башни 1, состоящий из нижней конфузорной части 2 с наклонными к ее вертикальной оси входными тангенциально направленными каналами с воздушными заслонками 3 (фиг. 2, Б-Б), средней цилиндрической части 4 с монорельсом 5, верхней диффузорной части 6 с дефлектором 7, ветроколеса 8 (фиг. 2, А-А), соединенного с валом генератора 9, установленное на вертикальной стойке 15 и дополнительно опирающегося подвижными опорами (на фиг. не обозначены) на монорельс 5, дополнительный конфузорный канал 10, соосно расположенного внутри нижней конфузорной части 2 корпуса башни 1.
В нижней части башни 1 расположены две системы возбуждения воздушных потоков от внешнего и внутреннего излучателей тепла 11 и 12 (фиг. 2, В-В). Внешний излучатель тепла 11 - металлическая труба, заполненная тепловым носителем, подключена к солнечному коллектору 16.
Внутренний излучатель тепла 12 (фиг. 2, разрез В-В) представляет собой медные трубы с греющимися кабелями, концы которых соединены в звезду (фиг. 3, разрез Д-Д), а начало греющихся кабелей (фиг. 3, разрез Г-Г) соединено с питающей кабельной линией 14, которая через станцию управления (на фиг. не показана) подключена к выходу системы накопления и преобразования выработанной электрической энергии (на фиг. не обозначена). Генератор 9 кабельной линией 13 соединен с системой накопления и преобразования электрической энергии.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом. Гибридная ветроэнергетическая установка монтируется на месте предполагаемой эксплуатации, и может быть сразу запущена в работу.
Наклонные к вертикальной оси башни 1 входные тангенциально направленные каналы с воздушными заслонками 3 воспринимают естественные воздушные потоки и пульсации различных направлений и преобразуют их в организованный внутренний вихревой восходящий поток, создающий в центре по вертикали всего корпуса башни 1 дополнительное разряжение, в зону которого поступают из центральной выходной части дополнительного конфузорного канала 10 подогреваемые внешним излучателем тепла 11 (дневное время суток) и внутренним излучателем тепла 12 (в любое время суток) дополнительные воздушные потоки, повышающие тепловой напор и результирующее воздействие на ветроколесо 8, что способствует увеличению КПД установки.
Внешний излучатель тепла 11 представляет собой замкнутый контур, заполненный тепловым носителем, который получает тепловую энергию от солнечного коллектора 16.
Внутренний излучатель тепла 12 получает по питающей кабельной линии 14 часть электрической энергии, которую вырабатывает генератор 9 и передает по кабельной линии 13 через систему накопления и преобразования электрической энергии потребителям.
Повышение КПД гибридной ветроэнергетической установки достигается за счет стабильной выработки постоянной составляющей активной мощности, которая составляет 65…70% от мощности генератора 9, так как часть вырабатываемой электрической энергии затрачивается на поддержание стабильного дополнительного воздушного потока, повышающего тепловой напор и результирующее воздействие на ветроколесо 8.
Предложенная гибридная ветроэнергетическая установка представляет собой абсолютно автономное устройство, к тому же обеспечивающее гарантированную стабильность энергоснабжения независимо от скорости ветрового потока и солнечной инсоляции, высокую энергоэффективность и экологическую безопасность: отсутствуют выбросы отравляющих веществ в окружающую среду, в отличие от дизель-генераторных установок.
При разработке устройства учтены все современные требования по защите окружающей среды от воздействия выбросов вредных веществ, в связи с чем гибридная ветроэнергетическая установка может быть отнесена к разряду экологически чистого производства. Позволяет обоснованно проводить мероприятия по снижению техногенной нагрузки на окружающую среду.
Гибридная ветроэнергетическая установка проста по изготовлению и монтажу, надежна в эксплуатации, что приводит к снижению материальных затрат на обслуживание и ремонт. Способствует уменьшению капиталовложений вводимых в эксплуатацию производственных объектов. Предложенное устройство достаточно компактно, не требует возведения сложных конструкций для ее монтажа. Сразу после монтажа может подключаться к потребителям для их питания электроэнергией. Позволяет получить экономию от использования первичных энергоносителей: ветра и солнца, то есть нет необходимости периодического привода к объекту электроснабжения дизельного топлива.
Заявляемая полезная модель соответствует условиям производства, ее использование позволяет соблюдать правила безопасности труда, а для внедрения гибридной ветроэнергетической установки не требуется перестройки производственного процесса и применяемой техники.