УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ В ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКЕ

Полезная модель относится к устройствам преобразования энергии ветра в механическую (электрическую) преимущественно к системам энергообеспечения и предназначено для электро- или гибридных электростанций.
Известны устройства преобразования ветровой энергии в механическую (электрическую), в том числе, энергоустановки, преобразующие ветровую энергию в электрическую, которая запасается в электроаккумуляторах и затем по необходимости выдается потребителю. (Патент РФ на полезную модель №105689, авт. свидетельство СССР №1163029). 3начительный потенциал имеют гибридные энергоисточники, которые выгодно использовать при постоянной нагрузке, в то время как ветрогенератор работает при переменных ветровых нагрузках, что требует изменения мощности. Из особенностей работы энергогенерирующих систем известна проблема увеличения эффективности энергоисточника при работе на переменной мощности. Таким образом, возникает задача создания устройства преобразования ветровой энергии в механическую, энергоаккумулирующих установок и систем, способных обеспечивать высокую эффективность преобразования ветровой энергии в требуемом по условиям потребления неравномерном режиме вне зависимости от графика переменных ветровых нагрузок.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является гибридная ветроэнергетическая установка, содержащая ствол с подшипником и корпус, генераторы электрического тока, раструб и оперения, цилиндрический металлический корпус, спереди которого прикреплены раструб, а сзади через фланец, стакан и оперение, на упорном подшипнике установлен на стволе, внутри корпуса установлен основной генератор электрического тока, содержащий подвижные статор и ротор, выполненные в виде барабанов, с обеих торцов которые через Г-образные спицы жестко соединены с радиально-упорными подшипниками, закрепленными с обоих концов на горизонтальном штоке, который спереди закреплен в днище отбойного щита, расположен в центре раструба и жестко прикреплен к нему стержнями, сзади шток имеет диск, жестко прикрепленный с помощью стержней к задней внутренней части корпуса, причем к барабану статора снаружи вертикально прикреплены пластины с изгибом влево, а к барабану ротора изнутри вертикально прикреплены пластины с изгибом вправо, а внутри стакана прикрепленный через фланец к корпусу на станине установлен дополнительно генератор электрического тока, содержащий неподвижный статор и подвижный ротор, закрепленный на вращающемся штоке, к которому на гайке спереди установлена крыльчатка, а каркас оперения выполнен из металлических труб, жестко прикреплен снаружи к стакану, на каркасе закреплена пьезоэлектрическая пленка, пневматически связанная через выхлопные отверстия в днище стакана с воздушным потоком, покидающим установку (патент №2418981 оп. 20.05.2011 Бюл. №14 - прототип). Недостатком данного устройства также является низкий КПД преобразования и запасения энергии, что связано с низкой эффективностью пьезогенератора, а также сниженные динамические и маневренные возможности генерации энергии и надежность работы, ухудшенные экономические показатели энергоустановки и систем энергообеспечения на ее основе.
Задача полезной модели - создать устройство преобразования ветровой энергии в механическую в гибридной энергоустановке, в котором повышены динамические и маневренные возможности генерации энергии, ресурс и надежность работы энергоустановки, улучшены экономические показатели энергоустановок и систем энергообеспечения.
Поставленная задача решается тем, что предложено устройство преобразования ветровой энергии в гибридной энергоустановке, содержащее формирующий воздушный поток раструб, ветродвигатель с ротором, соединенным с основным генератором электрической энергии, а также дополнительный электрогенератор, при этом ветродвигатель соединен с компрессором, выход которого пневматически соединен с пневмоаккумулятором, пневматически соединенным с дополнительным электрогенератором.
Кроме того:
- формирующий воздушный поток раструб расположен на входе в компрессор с возможностью подачи дополнительного воздушного потока
- в качестве привода дополнительного электрогенератора используют газовую турбину.
- перед дополнительным электрогенератором установлен нагреватель.
- ротор ветродвигателя ориентирован по отношению к поверхности земли горизонтально или вертикально с возможностью подвода к нему энергии от дополнительного электрогенератора.
- ветродвигатель установлен с возможностью передачи вырабатываемой им энергии к компрессору.
- пневмоаккумулятор расположен в подземной полости.
На фигуре дана общая схема выполнения гибридной энергоустановки, где 1 - коллектор воздушного ветрового потока, 2 - раструб, 3 - ветродвигатель с ротором, 4 - основной генератор электрической энергии, 5 - газоход в компрессор, 6 - формирующий воздушный поток раструб, 7 - компрессор, 8 - пневмоаккумулятор, 9 - трубопровод, 10 - нагреватель, 11 - топливо, 12 - газовая турбина, 13 - дополнительный электрогенератор.
В излагаемом примере осуществления полезной модели в качестве привода дополнительного электрогенератора 13 применяют газовую турбину 12, что позволяет охарактеризовать особенности реализации устройства применительно к энергоустановкам пневматического аккумулирования электроэнергии, с возможностью нагрева воздуха перед газовой турбиной продуктами сгорания углеводородного топлива 11.
Устройство работает следующим образом.
Коллектор воздушного ветрового потока 1 установлен перед раструбом 2, размещенным на входе в ветродвигатель с ротором 3, который механически соединен с приводом основного генератора электрической энергии 4, вырабатывающим электроэнергию. Ветродвигатель 3 пневматически соединен через газоход 5 с компрессором 7, на входе которого установлен формирующий воздушный поток раструб 6, а выход соединен пневматически с пневмоаккумулятором 8, который целесообразно выполнить в подземной полости в связи с возможностью снижения затрат на корпус пневмоаккумулятор 8 при его размещении в естественной или искусственной подземной выработке, выполненной с возможностью герметично удерживать воздух высокого давления. Пневмоаккумулятор 8 пневматически соединен трубопроводом 9 с нагревателем 10, выход которого пневматически соединен с газовой турбиной 12, механически соединенной с дополнительным электрогенератором 13, который вырабатывает электроэнергию в периоды, когда снижается мощность основного генератора электрической энергии 4.
С целью повышения эффективности использования энергии сжатого воздуха, отбираемого из пневмоаккумулятора 8, перед газовой турбиной 12 установлен теплонагреватель 10, что увеличивает мощность дополнительного электрогенератора 13. Нагрев может производиться путем конвективного нагрева либо за счет стороннего теплоносителя, например, передающего тепло от теплоаккумулятора, использующего ветровую энергию, или теплового источника, использующего ядерную или солнечную энергию. Целесообразно также нагревать воздушный поток перед газовой турбиной за счет смешения его с продуктами сгорания углеводородного топлива 11 (например, природный или попутный газ, керосин), для чего теплонагреватель 10 может быть выполнен по технологии камер сгорания высокого давления.
Воздушный раструб 2 может быть выполнен также и перед ветродвигателем 3, как показано на фигуре, или образовывать с ветродвигателем 3 общий коллектор воздушного ветрового потока 1.
Перед компрессором 7 в формирующем воздушный поток раструбе 6 удается снизить требуемые затраты энергии на компрессию воздушного потока 5, поступающего в компрессор 7, пневматически соединенный с пневмоаккумулятором 8.
Ветродвигатель 3 при этом может быть выполнен пропеллерного типа как с вертикальным, так и горизонтальным ротором. Как указывается в статье «Что лучше - вертикально или горизонтально-осевая BЭУ?»/http://www.arkona2011.kz/ встречающиеся в литературе сопоставления ветродвигателей вертикально-осевой и горизонтально-осевой пропеллерной схем обычно ограничиваются упоминанием о предпочтительности вертикально-осевых ветродвигателей в связи с их основной особенностью - нечувствительностью к направлению ветра и, следовательно, возможностью значительного упрощения конструкции установки. Для ветроустановок средней и большой мощности с диаметром ветроколеса более 30-40 м эффективность его ориентации на ветер снижается вследствие некомпланарности и различия в скоростях ветрового потока по длине размаха лопастей, что приводит к невозможности установки ветроколеса а оптимальное направление ориентации. Момент трогания вертикально-осевых ветродвигателей равен 0, что препятствует их самозапусканию. Поэтому в реализации указанного устройства целесообразно предусмотреть возможность подвода к ветродвигателю 3 энергии от дополнительного электрогенератора 13.
Таким образом, указанное устройство позволит повысить динамические и маневренные возможности преобразования ветровой энергии в гибридной энергоустановке, ресурс и надежность работы энергоустановки, снизить расход топлива, улучшить экономические показатели энергоустановок и систем энергообеспечения - задача изобретения.