Спосіб отримання електроенергії

Реферат: Спосіб отримання електроенергії включає формування потоку газу або повітря, або рідини в технологічному тракті за рахунок роботи турбомеханізму, електродвигун якого живиться напругою від електричної мережі, вплив потоку газу або повітря, або рідини на гвинт, кінематичне пов'язаний із ротором генератора, перетворюючи механічну енергію обертання гвинта у електричну енергію. У сформованому потоку газу або повітря, або рідини розміщують гвинт та за допомогою генератора здійснюють вироблення електричної енергії, при умові досягнення в технологічному тракті оптимального параметру тиску газу або повітря, або рідини. Живлення турбомеханізму від мережі живлення виконується за допомогою перетворювача частоти, який складається з випрямляча змінної напруги у постійну та інвертора, для якого постійна напруга випрямляча подається на його вхід, перетворюється в змінну і подається на статорні обмотки електродвигуна турбомеханізму, та системи управління випрямлячем й інвертором. Вихідна змінна напруга генератора випрямляється другим випрямлячем, постійна напруга якого заряджає акумуляторну батарею, величина якої при достатньому рівні, що визначається датчиком напруги на акумуляторній батареї, відключає першим комутатором напругу живлячої мережі від випрямляча перетворювача частоти і забезпечує живленням постійною напругою інвертора перетворювача частоти від акумуляторної батареї. Через другий комутатор, що є керованим від контролера у функціях визначених датчиком рівня напруги на акумуляторній батареї та забезпечують синхронізацію по фазі вихідної напруги інвертора із електрорухомою силою на обмотках статора електродвигуна турбомеханізму. UA 119020 U (12) UA 119020 U UA 119020 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до енергетичного будівництва, пов'язаного із проблемою енергозбереження, і може бути використана у системах автоматичного керування технологічними процесами різних турбомеханізмів. До відомих способів вироблення електроенергії можна віднести спосіб, котрий включає перетворення теплової енергії у механічну роботу в газотурбінній установці шляхом зміни послідовності утворення, охолодження та очищення робочого тіла установки при безпосередньому контакті теплоносіїв, щоб досягти можливість використовувати конденсат із продуктів згорання у газотурбінній установці [Патент України № 15127 А, МПК F02C 6/18], або спосіб отримання електроенергії у метрополітені, який включає операції по створенню повітряних потоків, перетворення механічної енергії, вимірюванню та передачі струму на відстань, що перетворення механічної енергії в електричну здійснюється шляхом штучного створення повітряних потоків від електропоїзда, що рухається, подачі їх через повітропровід, камеру на лопаті вентилятора, обертовий момент котрого одночасно приводить у дію вал електрогенератора, що виробляє електроенергію [Патент України № 28997, МПК F01B 1/00, F03B 13/13, F03D 1/02]. Відомі способи мають наступні недоліки. В одних способах вироблення електроенергії потребує додаткових затрат на стиснення повітря, спалювання вуглеводневого палива при змішанні продуктів згоряння із водяною парою, охолодження газопарової суміші при вчиненні роботи, що значно зменшує коефіцієнт корисної дії та потребує додаткового обладнання, яке дорого коштує. В інших способах є те, що не повністю використовується потік повітряних мас, котрі виникають внаслідок руху технологічного об'єкту, що знижує ефективність отримання електроенергії. При реалізації таких способів необхідно додатково формувати потік повітряних мас на лопаті вентилятора (турбіни), що суттєво знижує коефіцієнт корисної дії перетворення повітряних мас у механічну енергію та додатково потребує матеріальних і фінансових витрат. Найбільш близьким є спосіб отримання електроенергії включає формування потоку газу або повітря за рахунок роботи вентилятора технологічної установки, що живиться напругою від електричної мережі. Для формування потоку газу або повітря використовують повітропровід технологічної установки, всередині якого розміщують повітряний гвинт. Потік газу або повітря впливає на повітряний гвинт, який кінематичне пов'язаний із ротором генератора. Механічна енергії обертання повітряного гвинта перетворюється у електричну енергію. За допомогою генератора здійснюють вироблення електричної енергії для живлення напругою електродвигуна технологічної установки, при умові досягнення в каналі оптимального тиску газу/повітря, при цьому формують імпульсний сигнал, який визначається шпаруватістю, що є функцією від величини живлячої напруги генератора. При цьому відключають напругу живлячої мережі від електродвигуна технологічної установки. Забезпечують синхронізацію по фазі напруги живлення генератора із електрорухомою силою на обмотках статора електродвигуна вентилятора. Для досягнення максимальної аеродинамічної якості лопатей гвинта для перетворення механічної енергії обертання повітряного гвинта у електричну енергію встановлюють оптимальний кут атаки лопатей повітряного гвинта. [Патент України № 110298, МПК (2016.01) G03D 5/00, F01B 1/00]. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу шляхом використання потоку маси газів/повітря, відпрацьованих, вивільнених або видувних, технологічною установкою, керованою системою управління, що живиться від електричної мережі, та перетворення енергії потоку цих мас у електричну. Це дозволяє зменшити кількість використаної електроенергії системою управління та обмежити рівень електромагнітних перешкод, що передаються із живлячої мережі у систему управління та захистити її елементи від пошкодження. Недоліком даного способу є те, що використання маси потоку газу/повітря потребує частих перемикань на включення електродвигуна вентилятора до живлячої мережі або живлення від генератора, що негативно впливає на механічні частини електроприводів і приводить до зниження працездатності роботи обладнання, що знижує ефективність отримання електроенергії. При реалізації цього способу потрібні умові досягнення в каналі оптимального тиску газу/повітря в повітропроводі технологічної установки, що необхідно для оптимального обертання повітряного гвинта та це надасть потрібну напругу живлення для електродвигуна вентилятора. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб отримання електроенергії виконується шляхом перетворення механічної енергії обертання повітряного гвинта у електричну енергію, яка заряджує акумуляторну батарею При достатньому рівні напруги на акумуляторі, вона перетворюється у змінну напругу, що живить електродвигун турбомеханізму, коли він відключений від живлячої мережі. За рахунок використання кінетичної енергії потоку 1 UA 119020 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 газу/повітря, що надходить з турбомеханізму, що приводить в дію повітряний гвинт і відповідно ротор генератора, що живить перетворену змінну напругу в постійну, заряджає акумуляторну батарею при керуванні контролером. Технічний результат від використання корисної моделі полягає у тому, що зменшується кількість використаної електроенергії та збільшується ККД технологічної установки. Крім цього обмежується рівень електромагнітних перешкод, що передаються із живлячої мережі у систему управління, та захищаються її елементи від пошкодження. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що спосіб отримання електроенергії включає формування потоку газу або повітря за рахунок роботи електродвигуна турбомеханізму, що живиться напругою від електричної мережі, вплив потоку газу або повітря на повітряний гвинт, кінематичне пов'язаний із генератором, перетворення механічної енергії обертання повітряного гвинта у електричну енергію, в сформований потік газу або повітря розміщують повітряний гвинт та за допомогою генератора здійснюють вироблення електричної енергії для живлення напругою електродвигуна турбомеханізму, при умові досягнення в каналі оптимального тиску газу/ повітря. Згідно з корисною моделлю, живлення електродвигуна турбомеханізму від мережі живлення виконується за допомогою перетворювача частоти, який складається з випрямляча змінної напруги у постійну, інвертора, для якого постійна напруга випрямляча подається на його вхід, перетворюється в змінну і подається на статорні обмотки електродвигуна турбомеханізму, та системи управління випрямлячем й інвертором, при цьому вихідна змінна напруга генератора випрямляється другим випрямлячем, постійна напруга якого заряджає акумуляторну батарею, напруга якої при достатньому рівні, що визначається датчиком напруги, відключає напругу живлячої мережі від випрямляча перетворювача частоти і забезпечують живлення постійною напругою інвертора перетворювача частоти від акумулятора через комутатор, що є керованим від контролера у функціях визначених датчиком рівня постійної напруги акумулятора та забезпечують синхронізацію по фазі вихідної напруги інвертора із електрорухомою силою на обмотках статора електродвигуна. Спосіб реалізується наступним чином. Перед початком виконання способу отримання електроенергії попередньо задають поріг мінімальної напруги на акумуляторі за допомогою задатчика і величина цього порогу напруги контролюється датчиком напруги на акумуляторі і подається у систему управління. В середині каналу тракту технологічної установки для відводу повітря та газу встановлені: турбомеханізм механічно з'єднаний з електроприводом, який має асинхронний електродвигун, що управляється перетворювачем частоти, повітряний гвинт, який механічно пов'язаний з виходом генератора змінного струму. Турбомеханізм, такі як вентилятори, насоси та компресори працюють без застосування пристроїв контролю швидкості. Замість цього, потік повітря або води традиційно регулюється методом дроселювання - клапаном або заслінкою. Електродвигун обертається з постійною номінальною швидкістю, тобто потік регулюється без трансформаційних змін швидкості обертання електродвигуна. Оскільки системи вентиляції, кондиціонування, водопостачання рідко вимагають максимальної продуктивності, то системи без регулювання швидкості витрачають марно значну частину енергії. Використання електроприводу зі змінною швидкістю обертання може зберегти до 70 % споживаної енергії. Більшість електродвигунів, застосовуваних у системах кондиціонування, вентиляції, водопостачання, зважаючи на свої переваги, являють собою асинхронні електродвигуни з короткозамкненим ротором. Регулювати швидкість обертання ротора такого електродвигуна здійснюється шляхом зміни частоти напруги живлення. При подачі живлячої напруги з мережі на електродвигун турбомеханізму через перетворювач частоти, його ротор обертається, і приводить в дію лопаті, наприклад, вентилятора. В результаті цієї дії формують потік газу або повітря використовуючи тракт технологічної установки, що складається з труби і каналу для відводу повітря та газу. Перетворювач частоти живиться від мережі змінного струму та складається з випрямляча, інвертора, системи управління, тощо. Тобто перетворювач є з ланкою постійного струму. Вихідна напруга змінного струму з виходу генератора перетворюється в постійну напругу. Генератор - це електрична машина, у якій механічна робота перетворюється в електричну енергію. Електрична машина складається із двох основних частин: рухомої - ротора й нерухомої - статора. Одна з цих частин, індуктор, використовується для створення магнітного поля, на іншій, роторі, змонтовані обмотки, з яких знімається електричний струм. Для створення магнітного поля використовуються постійні магніти або електромагніти. Вал ротора генератора кінематичне зв'язаний із валом повітряного гвинта. Лопать (крило) повітряного гвинта змінює кут атаки під дією напрямку набігаючого потоку середовища. Воно встановлене на рухомій 2 UA 119020 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 конструкції з можливістю обертання навколо власної осі, що містить пристрій зміни кута атаки крила шляхом повороту його осі за допомогою впливу на нього через кінематичний зв'язок закрилка. Такий закрилок встановлений на задній кромці крила з можливістю повороту, відмінний тим, що пристрій зміни кута атаки являє собою вісь, один кінець якої розташований всередині закрилка між двома пластинами і загнутий під кутом 120-135° із можливістю переміщення між даними пластинами. Вісь виконана такою, що обертається, а її другий кінець розташований всередині крила і кінематично пов'язаний з рухомою конструкцією з можливістю напружено-пружного поворотного повороту при перевищенні робочого моменту обертання осі. Постійна напруга з випрямляча заряджає акумуляторну батарею. Рівень постійної напруги акумуляторної батареї контролюється датчиком напруги та використовується системою управління. При заданій напрузі живлення на акумуляторі, рівень якої встановлено до початку протікання технологічного процесу, система управління формує сигнал управління на комутатор, який відключає від мережі випрямляч перетворювача частоти, а інший комутатор підключає акумулятор до інвертора перетворювача частоти. Останній перетворює постійну напругу живлення акумулятора в змінну напругу, яка подається на обмотки електродвигуна. При цьому інвертор подає змінну напругу на обмотки електродвигуна в моменти часу, коли електрорухома сила на обмотках електродвигуна має мінімальне значення. Як показали результати дослідження, спосіб отримання електроенергії дозволяє при виконанні технологічних операцій зменшити до 15 % кількість спожитої електроенергії з живлячої мережі за рахунок використання альтернативної енергії, яка отримується за допомогою потоку газ/повітря, вивільнених або видуваних вентилятором-турбомеханізмом, що перетворюється генератором у додаткову електричну енергію. Так як турбомеханізм живиться не тільки від електричної мережі, а й від акумулятора, що заряджається від випрямляча, який перетворює змінну напругу електричного генератора, то як показали результати наукових досліджень, підвищується ККД турбомеханізм на 8 %. Турбомеханізм може бути пристроєм, що видуває газ/повітря з різною ціллю, наприклад, витяжний вентилятор, димосос, котлоагрегатор тощо. Установка потребує відсмоктування димових газів із топок, наприклад продуктів згорання палива або видування стислого повітря, та призначена для застосування у теплоенергетиці, промисловості або для протилежних заходів. Також може застосовуватись у різних галузях народного господарства для переміщення чистого або газонасиченого повітря. Управління виконується за допомогою спеціалізованого контролера, виконаного на великих інтегральних мікросхемах та мікропроцесорних засобах автоматизації та елементів, що узгоджують сигнали управління. Вона також може бути виконана із використанням: релейноконтактної апаратури, елементів середнього ступеня інтеграції, великих інтегральних схем, мікропроцесорів тощо. Основне призначення системи управління - забезпечення основних і допоміжних режимів роботи турбомеханізму, управління комутатором. Система приймає інформацію від датчиків заряду акумуляторної батареї та електрорухомої сили. Вона формує сигнали управління для забезпечення управління комутатором. Для перемикання напруги від живлячої мережі, що подається у систему управління, на живлення від генератора, використовується комутатор, який управляється системою управління, до складу якої входять задаючі й порогові елементи та на яку подаються сигнали від датчиків заряду акумулятора та електрорухомої сили. Інформація, що надходить від датчиків заряду акумулятора та електрорухомої сили, обробляється по спеціальному алгоритму системою управління, визначаючи потрібний для перемикання комутатора. Комутатор може бути виконаний на релейно-контактних або безконтактних елементах. Він призначений для безпосереднього перемикання напруги живлення, які подаються на систему управління від живлячої мережі або від акумуляторної батареї. Для визначення моменту перемикання використовуються порогові значення з датчиків заряду акумуляторної батареї та електрорухомої сили. Для керування система управління одним з виходів пов'язана з входом комутатора, а двома іншими входами до датчиків заряду акумулятора та електрорухомої сили. Комутатор є частиною перетворювача частоти, що складається з інвертора та випрямляча. Виходи комутатора з'єднані з інвертором, а входи з випрямлячем перетворювача частоти та акумуляторної батареї. Інвертор може бути виконаний на транзисторах, тиристорах або симісторах. Інвертор використовується для перетворення постійної напруги у змінну, для забезпечення роботи турбомеханізму. Живляча мережа підключається до випрямляча, генератор підключається до іншого випрямляча. Вони можуть бути механічні, тиристорні транзисторні або діодні. Випрямляч, що 3 UA 119020 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 підключений до мережі живлення, виходами підключається до комутатора, що керує переключаннями постійної напруги від живлячої мережі або від акумуляторної батареї. Він забезпечує подання постійної напруги на інвертор від живлячої мережі. Інший випрямляч, що підключено до генератора, використовується для випрямлення напруги та подання її до акумуляторної батареї, яка за рахунок цього заряджається. Акумуляторна батарея, що підключена двома входами до випрямляча з генератором, а виходами до комутатора, використовується для накопичення енергії від генератора та використання її для роботи турбомеханізму. Система управління підключає або відключає акумуляторну батарею в залежності від показників датчика заряду акумуляторної батареї та датчика електрорухомої сили. Датчики заряду акумулятора та електрорухомої сили призначені для виконання перемикання роботи системи від живлячої мережі або від генератора. Датчик електрорухомої сили входами підключено до входу турбомеханізму, а виходами до системи управління. Датчик заряду акумуляторної батареї підключено входами до акумуляторної батареї, а виходами до системи управління. Генератор - це електрична машина, у якій механічна робота перетворюється в електричну енергію. Електрична машина складається із двох основних частин: рухомої - ротора й нерухомої - статора. Одна з цих частин, індуктор, використовується для створення магнітного поля, на іншій, якорі, - змонтовані обмотки, з яких знімається електричний струм. Для створення магнітного поля використовується постійні магніти або електромагнітні. Вал ротора електричної машини кінематично зв'язаний із валом повітряного гвинта. Спосіб отримання електроенергії реалізується за рахунок виконання наступної послідовності операцій: 1) запускається турбомеханізм; 2) створюється потік газу/повітря за допомогою вентилятора; 3) сформований потік попадає на лопатки, які обертаються, і приводить у дію повітряний гвинт; 4) обертаючись, повітряний гвинт одночасно обертає ротор генератора; 5) генератор виробляє електричну енергію; 6) через випрямляч генератор заряджає акумуляторну батарею; 7) датчики заряду акумуляторної батареї та електрорухомої сили передають дані до системи управління; 8) за отриманими даними від датчиків заряду акумуляторної батареї та електрорухомої сили, система управління переключає комутатор на роботу від акумуляторної батареї або від мережі живлення. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє зменшити кількість використаної електроенергії системою управління за рахунок використання потоку маси газів/повітря, відпрацьованих, вивільнених або видуваних турбомеханізмом, керованою системою управління. Система управління живиться не від електричної мережі, а від електричного генератора, що перетворює енергію потоку цих мас у електричну енергію. Це дозволяє також обмежити рівень електромагнітних перешкод, що передаються із живлячої мережі у систему управління та захистити її напівпровідникові елементи від пошкодження, не використовуючи при цьому додаткові елементи для їх захисту. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб отримання електроенергії, що включає формування потоку газу або повітря, або рідини в технологічному тракті за рахунок роботи турбомеханізму, електродвигун якого живиться напругою від електричної мережі, вплив потоку газу або повітря, або рідини на гвинт, кінематичне пов'язаний із ротором генератора, перетворюючи механічну енергію обертання гвинта у електричну енергію, а у сформованому потоку газу або повітря, або рідини розміщують гвинт та за допомогою генератора здійснюють вироблення електричної енергії, при умові досягнення в технологічному тракті оптимального параметру тиску газу або повітря, або рідини, який відрізняється тим, що живлення турбомеханізму від мережі живлення виконується за допомогою перетворювача частоти, який складається з випрямляча змінної напруги у постійну та інвертора, для якого постійна напруга випрямляча подається на його вхід, перетворюється в змінну і подається на статорні обмотки електродвигуна турбомеханізму, та системи управління випрямлячем й інвертором, причому вихідна змінна напруга генератора випрямляється другим випрямлячем, постійна напруга якого заряджає акумуляторну батарею, величина якої при достатньому рівні, що визначається датчиком напруги на акумуляторній батареї, відключає 4 UA 119020 U 5 першим комутатором напругу живлячої мережі від випрямляча перетворювача частоти і забезпечує живленням постійною напругою інвертора перетворювача частоти від акумуляторної батареї, а через другий комутатор, що є керованим від контролера у функціях визначених датчиком рівня напруги на акумуляторній батареї та забезпечують синхронізацію по фазі вихідної напруги інвертора із електрорухомою силою на обмотках статора електродвигуна турбомеханізму. Комп’ютерна верстка М. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5