Вітроенергетичний комплекс з кондиціонуванням потоку

Реферат: Вітроенергетичний комплекс з кондиціонуванням потоку містить вітродвигун, кінематично сполучений з ним компресор, накопичувальну ємкість для повітряної маси, виконавчий механізм, що перетворює кінетичну енергію вторинного потоку в механічну форму та кінематично сполучений з електрогенератором. Накопичувальна ємкість виконана у вигляді великогабаритного пневмоакумулятора середнього тиску, під який можуть бути пристосовані адаптовані вугільні або соляні шахти, печери або природні підземні пустоти в твердих мінеральних масивах. Пневмоакумулятор зв'язаний із стволовою камерою, що має можливість розгону робочого повітряного потоку, через шлюзовий вузол, який виконаний з можливістю подачі в неї повітря із накопичувальної ємкості. На виході в атмосферу із стволової камери встановлена система виконавчих механізмів, виконана у вигляді вітроколес, переважно репелерів, вбудованих в конфузорно-диффузорне обрамлення, яке щільно сполучене з каналом стволової камери, стінки якої мають покриття, виконане з полімерних матеріалів із мікрошорсткою поверхнею. UA 104056 C2 (12) UA 104056 C2 UA 104056 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вітроенергетики, зокрема до створення вітроенергетичних електростанцій для використання в регіонах з нестійкими вітрами. Материкові вітри України відрізняються нестійкістю, добовими і сезонними коливаннями натиску. Більшість регіонів має слабкий усереднений вітровий потенціал, хоча окремі пориви можуть досягати комерційної сили. Для компенсації цього недоліку в даній галузі енергетики розвиваються буферні технології. В рамках проблематики буферних вітроенергетичних технологій досліджується можливість накопичення вітрової енергії, яка покривала б провали швидкості вітру. Акумулятори енергії, що використовуються для корегування режиму роботи комплексів можуть бути різних типів: механічні, гідравлічні, пневматичні, електричні, хімічні і теплові. Найбільш проблемна, але, в той же самий час, одна з найперспективніших технологій припускає створення резервних запасів енергії не в перетвореній вже електричній, механічній або кінетичній формі, а у вигляді деякого об'єму газу, що знаходиться в різко нерівноважному стані (під надлишковим тиском). Цей стан створюється в герметичних ємкостях (пневмоакумуляторах), в які повітря закачується за допомогою спеціальних вітроустановок (оснащених компресорами). Ця технологія використовує здатність газів до стиснення. Задача покриття дефіциту вітрового потенціалу сполучається з проблемою якості електроенергії, що виробляється. Відповідно нестійкому природному режиму вітроприйому вихідний струм не має стійких характеристик. І для подачі його в мережу споживання, необхідні серйозна чистка і нормування, які забирають помітну частину енергії. Втрат на доведення електроенергії, як правило неможливо уникнути в електротехнічних системах, що складаються з акумуляторного вузла та інвертора. Таким чином, в технології відбору енергії у нестійкого вітру виникає ще і проблема стаціонарності. Стаціонарність потоку в гідроелектростанціях забезпечується постійністю перепаду зупиненою дамбою води. Енергія вітру відбирається "сходу", відкриті вітрові дамби не дають істотного накопичення енергії. Це призводить до залежності від капризів вітрових течій, в яких штильові фази чергують з хвилями поривів. За таких умов говорити про стаціонарність потоку, про стабільність швидкості обертання робочого органа, за допомогою якого йде знімання енергії у вітроенергетичних установках (ВЕУ), немає підстав. Буферні технології еволюціонували від розробки засобів підтримки роботи ВЕУ до створення самостійних енергетичних комплексів. У вітрокомплексах, використовуючих буферні технології, технічні труднощі з використанням запасеної енергії розв'язуються різними засобами. 4 Так, відома вітроенергетична установка за а. с. СРСР № 1163029, МПК F03D 9/00, автори Ш.Д. Шахбазов, Ф.М. Ахундов і С.Я. Ахундов, заявка № 3620795/25-06, пріоритет від 03.06.1983, опубл. 23.06.1985, Бюл.№ 23. Установка містить вітропривід (вітроколесо), кінематично сполучений з ним компресор, сполучену з електрогенератором турбіну та ресивери високого і низького тиску. Вхід турбіни сполучений з ресивером високого, а вихід - з ресивером низького тиску. Пневмоконтур забезпечений регулятором тиску. До недоліків установки слід віднести низький ККД турбіни, що працює при відносно малому перепаді тиску між входом і виходом, а також обумовлений високотурбулентною структурою робочого потоку. Відома також вітроустановка з пневматичним буферним акумулятором, яка описана в книзі Шефтер Я.І. Винахіднику про вітродвигуни у вітроустановках. М., Мінсельхоз, 1955, с. 131. Установка працює від вітроприводу, сполученого з компресором. Стисне повітря нагнітається в балони високого тиску (до 60 атм.). Витрачається воно періодично, при провалах вітрового натиску. Для цього установка оснащена додатковим вітродвигуном, який працює від струменя, що випускається на турбіну з балона і приводом, що передає одержаний обертальний момент на основний вал вітроустановки. Ця енергія доповнює при роботі її вихідну потужність до номінальної. До недоліків аналога слід віднести низький коефіцієнт перетворення запасеної енергії, обумовлений втратою потужності при розширенні вихідного струменя, а також великі втрати енергії на редукторі при закачуванні в балони високого тиску. Найближчим технічним рішенням, узятим як прототип, є комплекс вітродвигунного 6 оснащення Султанова А.З., за пат. РФ № 2116504 МПК F03D 9/02, автор Султанов Адхам Закірович, заявка № 96120604/06, пріоритет від 14.10.96, опубл. 27.07.98, Бюл. № 21. Установка містить вітродвигун, кінематично сполучений з ним компресор, електрогенератор, кінематично сполучений з ним роторний двигун, ресивери, сполучені трубами з вхідним патрубком роторного двигуна і з вихідним патрубком компресора. Ресивери виконані у вигляді 1 UA 104056 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 трубчастих кругових ліній - основної і резервної. Повітря в ресивери закачується за допомогою компресорів, що мають механічний привід від карусельних вітроустановок, оснащених асиметричними конфузорами. Електроенергія виробляється генераторами з приводом від роторних двигунів, що працюють за рахунок перепаду тиску у вихідному контурі ресивера. До недоліків приведеного вітроенергетичного комплексу слід віднести велику металоємність, а також технологічну складність будівництва ресиверних ліній і крупногабаритних ємностей високого тиску. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача створення вітрокомплексу з надвеликим пневмоакумулятором середнього тиску, який накопичує енергію вітру, і в якому за рахунок кондиціонування робочого потоку в каналі камери, де розміщено вузол енергоперетворення, досягається виробництво електроенергії високої якості без додаткового конвертування. Поставлена задача вирішується тим, що у вітроенергетичному комплексі, який містить вітродвигун, компресор, накопичувальну ємкість, виконавчий механізм і електрогенератор, накопичувальна ємкість виконана у вигляді великогабаритного пневмоакумулятора середнього тиску, під який можуть бути пристосовані адаптовані вугільні або соляні шахти, печери або природні підземні пустоти в твердих мінеральних масивах, який зв'язаний із стволовою камерою, що служить для розгону робочого повітряного потоку, через шлюзовий вузол, який дозовано подає в неї повітря із накопичувальної ємкості, на виході в атмосферу із стволової камери встановлена система виконавчих механізмів, виконана у вигляді вітроколес (переважно репелерів), вбудованих в конфузорно-диффузорне обрамлення, яке щільно сполучене з каналом стволової камери, стінки якої мають покриття, виконане з полімерних матеріалів із мікрошорсткою поверхнею. Проведемо детальний аналіз технічного рішення. Відмінна ознака "накопичувальна ємкість виконана у вигляді великогабаритного пневмоакумулятора середнього тиску, під який можуть бути пристосовані вугільні або соляні шахти, печери або природні підземні пустоти в твердих мінеральних масивах" є базовою для досягнення поставленої мети. В прототипі неможливо провести кондиціонування робочого потоку, тому що стиснутий у ресивері газовий об'єм не має достатнього ресурсу, який можна охарактеризувати як коефіцієнт стаціонарності к (відносно до вихідного тиску Ρ в робочому потоці). к = dP/dt Недостатній буферний об'єм ресивера в прототипі вимушує для збільшення швидкості витоку газу через сопло підвищувати тиск в ємності, що створює технічні труднощі в процесах закачування повітря силами вітроустановок. Чим більше об'єм пневмоакумулятора, чим більше відношення маси запасеного повітря до його миттєвої витрати (к), тим більше гарантії поповнення спаду тиску. В аналозі енергія запасається шляхом сильного стиснення повітря в невеликому об'ємі (у ресиверному балоні). Повітроенергоносій безпосередньо подається на робочий орган пневматичний двигун. В прототипі форма акумуляції така ж, але кінетична енергія перетворюється задопомогою вітротурбіни в електрику. Такі прийоми виправдані і продиктовані отриманням можливості використовувати енергію вітру на будь-якій відстані від засобів її утилізації. Проте, тактика акумуляції в даному випадку вимушує задовольнятися дуже малим відсотком корисного використання цієї енергії. Річ у тому, що повітря, яке надходить на вітротурбіну максимально турбулізоване, оскільки його подають по магістралі малого перерізу, а виток струменя в робочій камері проводиться через ще більш вузьке сопло. Струмінь такої структури втрачає здатність до віддачі енергії, яка замкнена в масі вихорових утворень. Мається на увазі утворення вільних макровихорів, а не мікровихорових полів на поверхнях робочого органа, які, навпаки, сприяють вітроприйманню. Саме тому в аналозі передбачений другий ресивер, в який повторно збирають відпрацьований газ, що втратив на робочому органі тільки частину своєї кінетичної енергії. У зв'язку із зміною технології перетворення енергії вітру набувають змін і вузли накопичення повітряних мас. Ресивери та балони високого тиску заміняються газгольдерами та мегалітражними ємкостями середнього тиску. Задача збільшення впливу власного об'єму ресивера на ефективність перетворення кінетичної енергії вітру в електричну може бути вирішена шляхом максимального нарощування цього об'єму. Таким шляхом, розповсюджені ресивери у рішенні, що патентується, замінюються на пневмоакумулятори, в яких коливання надходжень і витрат повітряних мас мало впливають на тиск в об'ємі. Така реконструкція повністю змінює технологічну тактику перетворення енергії, переносячи акцент на процеси попередньої обробки повітряних потоків. На перший план виходить параметр 2 UA 104056 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 стаціонарності, а не потенціал перепаду тиску. Надвеликі ємкості, що використовуються для акумуляції повітря забезпечують велику інерційність газового стану. Що в технічному відношенні стає ресурсом стійкості режимів витрати і поповнення повітряних запасів. Саме цих якостей позбавлені системи з ресиверами високого тиску, режимні показники яких різко змінюються при спуску і нагнітанні повітря і тому не можуть підтримувати стаціонарний режим великих витратних потоків. Таким чином, в пристрої, що патентується, замість принципу компенсації енергетичних провалів на прямому вітроприйомі, реалізовано принцип вторинного керованого вітроприйому з кондиціонуванням робочого потоку. Технічній реалізації замовленого принципу сприяє відмінна ознака "накопичувальна ємкість зв'язана із стволовою камерою, що служить для розгону робочого повітряного потоку, через шлюзовий вузол, який дозовано подає в неї повітря із накопичувальної ємності". Метод кондиціонування робочого потоку реалізований за допомогою пристрою, що додається до великої накопичувальної ємкості (пневмоакумулятора). Він виконаний у вигляді камери, де формується і набуває необхідних аеродинамічних параметрів повітряний потік, який потім подають на робочі органи електрогенераторів. До основних параметрів кондиціонування потоку належать: швидкісний діапазон, стаціонарний характер течії, рівень турбулентності і температура. В процесі постійного кондиціонування потоку по вказаних чинниках беруть участь практично всі основні вузли комплексу. Швидкість робочого потоку в даному комплексі легко стабілізується за рахунок контролю над перепадом тиску між пневмоакумулятором і камерою. За оптимальний діапазон швидкостей потоку прийняте його експериментальне значення, напрацьоване практикою використання ВЕУ. Він лежить у межах 10-15 м/с. Саме при таких швидкостях репелерні вітроколеса дають максимальний КВЕВ (коефіцієнт використання енергії вітру). Знаходячись в підземному сховищі, повітряна маса набуває відносно низької і постійної температури, що сприяє заспокоєнню вихрових утворень за рахунок підвищення в'язкості. Крім того, повітря набуває більшої густини, що підвищує енергетичний потенціал потоку та коефіцієнт енергопередачі. Таким чином, вітроенергетичний комплекс, що патентується, забезпечує кондиціонування багатопараметричного потоку, що подається на вітроколесо. Це гарантує виробництво електроенергії високої якості, не потребуючої конвертації і нормування параметрів. Відмінна ознака "на виході в атмосферу із стволової камери встановлена система робочих органів, виконана у вигляді вітроколес (переважно, репелерів), вбудованих в конфузорнодиффузорне обрамлення, яке щільно сполучене з каналом стволової камери" описує ту конструктивну відмінність, завдяки якій відбувається підвищення ККД перетворення. Просторове суміщення конфузорно-дифузорного обрамлення із вітроколесом в одному каналі гарантує більш повну подачу енергії на робочий орган, ніж у прототипі. Оскільки в прототипі звуження каналу виконане перед робочим органом, внаслідок чого робота розширення потоку відбувається до взаємодії з ним, і віднімає у потока надто багато енергії. Вихідний канал стволової камери має раціональний змінний переріз для використання ефекту Бернуллі. При цьому в закритому (з боку подачі повітря) контурі ефект виконується в повному об'ємі, оскільки здійснюється аеростатичний підпір. Такі умови реалізуються лише частково в системах відкритого вітроприйому, при розміщенні вітроколес просто в природних повітряних течіях. Крім того, знімається габаритний чинник. Діаметр вихідного дифузора вже не лімітується, в результаті поверхневі ефекти в набагато меншому ступені турбулізують потік, оскільки стінки віддалені на відстань, що набагато перевищує розміри пристіночних шарів… А оскільки від структури потоку у вирішальному ступені залежить КВЕВ вітроколеса, то прості геометричні перетворення дають суттєвий якісний ефект. Плавне збільшення швидкості потоку на ділянці розгону у стволовій камері пригнічує інтенсивність утворення вихорів. Системи з пневмоакумуляторами високого тиску менш ефективні, ніж низького, оскільки виконавчі механізми типу турбінних або роторних двигунів мають менший коефіцієнт перетворення при роботі від повітряних потоків, що мають здатність стискатися, ніж від нестискуваних рідинних струменів. Це обумовлено ще і тим, що при виході потоку в соплах значна частина енергії витрачається на роботу розширення. Тоді як репелерні вітроколеса забирають у потоку 40-50 % кінетичної енергії. Режим стаціонарного вітроприйому ефективний унаслідок відсутності періодично відновлюваних перехідних режимів. В конфузорі, працюючому у відкритому потоці, кожний новий порив вітру створює фазу перехідного стану, який характеризується нестійкістю параметрів і легким переходом струменів у вихровий режим. Збудження швидко знімається, 3 UA 104056 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вихори видавлюються швидкісним натиском з об'єму конфузора. Вітроприйом стає квазістаціонарним, але швидко зривається, оскільки натиск слабшає. Робота вітроколеса в такому режимі супроводжується значними втратами енергії. Тому кондиціонування потоку може стати рентабельним. У вітроенергетичному комплексі, що патентується, використовується ще один ефект, пов'язаний з можливістю довільного орієнтування робочого потоку. Відпрацьований потік можна виводити в атмосферу вертикально, горизонтально і під будь-яким проміжним нахилом до горизонту. Це дає можливість отримати вигоду з взаємодії потоку, що втратив швидкість, з швидкими приземними вітровими течіями. Прискорення уповільнених струменів потоку перешкоджає утворенню зони підвищеного тиску у вихідному перетині дифузорного обрамлення. Максимальний ефект може бути одержаний при вертикальній орієнтації дифузора, при якому вітер будь-якого румба стане захоплювати і відносити у бік частини малорухомої повітряної пробки, що формується на виході. Для повного її видалення шляхом додаткової ежекції можуть бути використані екрани у форми тарілки, встановлювані навпроти кожного дифузора, на відстані діаметра вихідного отвору. Таким чином, перевага комплексу в тому, що на вітроколесо подається безперервний і стабілізований по швидкості потік, внаслідок чого електрогенератор виробляє струм, готовий до подачі в мережу споживання. При цьому практично всі параметри потоку стають керованими, більш того - піддаються оперативній корекції. Допоміжна відмінна ознака "стінки стволової камери мають покриття, виконане з полімерних матеріалів із мікрошорсткою поверхнею" дозволяє зменшити втрати енергії на тертя. Така структура покриття задає режим течії всьому потоку, створюючи змащувальний шар зв'язаних мікровихорів, який забезпечує стабільний режим перебігу повітряної маси. За відомостями, що є у авторів, запропоновані істотні ознаки, що характеризують суть винаходу, не відомі в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні вітроенергоустановок збільшеної надійності. Критерій "промислове вживання" підтверджується актуальністю проблематики на сучасному етапі розвитку вітроенергетики і його практичною прив'язкою до виробничих технологій, що розвиваються на даному етапі прогресу вітроененргетики. Опис комплексу, що патентується, ілюструється кресленням, на якому приведений загальний вид вітроенергетичного комплексу. Вітроенергетичний комплекс з кондиціонуванням потоку містить вітродвигуни 1 (ВЕУ), кінематично сполучені з компресорами 2, накопичувальну ємкість 3 (пневмоакумулятор) для акумуляції вітрової енергії, яка виконана у вигляді великомасштабного газового сховища середнього тиску, під який можуть бути пристосовані адаптовані вугільні шахти, соляні печери або природні підземні пустоти в твердих мінеральних масивах, стволову камеру 4, що служить для розгону робочого повітряного потоку, сполучену з ємкістю 3 через шлюзовий вузол 5, який дає можливість дозованої подачі повітря з накопичувальної ємкості в стволову камеру, на виході в атмосферу із стволової камери 4 встановлена система виконавчих механізмів, виконана у вигляді вітроколес 6 (репелерів), кінематично сполучених з електрогенераторами 7, що перетворюють кінетичну енергію потоку в електричну, і вбудованих в конфузорнодиффузорное обрамлення 8, зв'язане з каналом стволової камери. Компресори 2 сполучені з ємкістю 3 каналами 9 наддуву. Поверхня стволової камери 4 має покриття з мікрошорсткою поверхнею, виконане з полімерних матеріалів. Описаний комплекс працює наступним чином. За наявності вітру ВЕУ 1 примушують компресори 2 нагнітати повітря по каналах 9 в накопичувальну ємкість 3. Оскільки пневмоакумулятор 3 має дуже великий об'єм, то перший сеанс накопичення повітря проводять в холостому режимі, при якому шлюзовий вузол 5 закритий, і комплекс не виробляє електроенергії. Коли тиск в ємкості 3 виходить на 5 технологічний рівень (не менше 2.0·10 Па), то запускають робочий цикл. Він складається з декількох фаз. Спочатку відкривають на повний переріз заслінки шлюзу, що дає можливість хвилі течії, обумовлену встановленим градієнтом, витиснути пробку нерухомого повітря з каналу стволової камери 4. В результаті починається постійне перетікання повітря з ємкості 3 в атмосферу через камеру 4. Для підтримки стаціонарної швидкості потоку в діапазоні 10-20 м/с достатньо градієнта тиску по стовпу витікаючого повітря відповідно 80-320 Па. Канал камери 4 служить в даному комплексі направляючим перебіг повітря вузлом, в якому відбувається кондиціонування потоку. Коли швидкість в каналі досягає робочого діапазону, її стабілізують зменшуючи переріз подачі в шлюзі 5. Далі ведуть постійний моніторинг з метою корекції тиску в каналі камери 4. Проходячи по каналу з малим опором, завдяки особливостям поверхні 4 UA 104056 C2 5 10 15 20 25 покриття, повітряний потік не турбулізується і надходить на вітроколеса з постійною швидкістю. Вітроколесо в стаціонарному потоці обертається з постійною швидкістю, що дає можливість одержувати високу якість електроенергії, що виробляється. Таким чином, попереднє кондиціонування потоку дає можливість зразу ж без додаткової конвертації подавати його в мережу споживача. Оскільки повітряна маса, акумульована за перший цикл на багато порядків більше маси, що витрачається щогодини, а ВЕУ продовжують нагнітати в пневмоакумулятор повітря зовні, то такий режим може продовжуватися необмежено довго. При цьому ресурс може 2 покривати і недовгі зупинки ВЕУ. Так, витрата повітря при діаметрі стволової камери 5 м 5 3 5 складе 5,65 10 м /годину. При початковому тиску в пневмоакумуляторі, рівному 2 10 Па і об'ємі 9 3 3 2·10 м (2 км ) запасу повітря достатньо на - 70 діб роботи. Даний комплекс має значний потенціал збільшення тривалості часу автономної роботи, як завдяки нарощування об'єму, так і завдяки тому, що для підвищення в декілька разів тиску в ємкості пневмоакумулятора немає принципових або ж технічних перешкод. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Вітроенергетичний комплекс з кондиціонуванням потоку, що містить вітродвигун, кінематично сполучений з ним компресор, накопичувальну ємкість для повітряної маси, виконавчий механізм, що перетворює кінетичну енергію вторинного потоку в механічну форму та кінематично сполучений з електрогенератором, який відрізняється тим, що накопичувальна ємкість виконана у вигляді великогабаритного пневмоакумулятора середнього тиску, під який можуть бути пристосовані адаптовані вугільні або соляні шахти, печери або природні підземні пустоти в твердих мінеральних масивах, і який зв'язаний із стволовою камерою, що має можливість розгону робочого повітряного потоку, через шлюзовий вузол, який виконаний з можливістю подачі в неї повітря із накопичувальної ємкості, а на виході в атмосферу із стволової камери встановлена система виконавчих механізмів, виконана у вигляді вітроколес, переважно репелерів, вбудованих в конфузорно-диффузорне обрамлення, яке щільно сполучене з каналом стволової камери, стінки якої мають покриття, виконане з полімерних матеріалів із мікрошорсткою поверхнею. Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5