ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК F03D9/02 

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам и может быть использовано в системах отопления городов и населенных пунктов.

Известна ветроэнергетическая установка [1] содержащая ветродвигатель, связанный с ним мультипликатор, соединенный с последним компрессор, подключенную к нему с образованием разомкнутого воздушного контура турбину, последовательно установленные в воздушном контуре между компрессором и турбиной холодильник, аккумулирующий резервуар и подогреватель, бак с охлаждающей жидкостью, выход которого подключен к холодильнику, а вход к подогревателю, и сосуд с нагретой жидкостью, выход которого подключен к подогревателю, а вход к холодильнику, и электрогенератор, соединенный с турбиной.

Для повышения удельной мощности путем уменьшения массы и габаритов воздушный контур снабжен ожижителем воздуха, размещенным между холодильником и аккумулирующим резервуаром, теплообменником для нагрева ожиженного воздуха от внешней среды, расположенным между резервуаром и подогревателем, и насосом, размещенным в резервуаре, последний снабжен тепловой изоляцией, а электрогенератор криогенной емкостью и обмотками, выполненными из высоко- температурного сверхпроводящего материала и размещенными в емкости, причем насос подключен к емкости при помощи криогенного трубопровода, а электрогенератор связан с мультипликатором и компрессором при помощи электромагнитных муфт.

Существенными недостатками ветроэнергетической установки являются следующие:
относительно низкий КПД установки из-за высокой ее насыщенности вспомогательным оборудованием, требующих энергети- ческих затрат;
низкая мощность установки из-за высокой нагруженности ветродвигателя вспомогательным оборудованием;
узкий диапазон использования установки.

Известна ветроэнергетическая установка [2] содержащая башню, смонтированную на основании, ветроагрегат, включающий по меньшей мере одно ветроколесо с горизонтальным валом, кинематически связанным с электрогенератором и газовой турбиной, причем последние размещены в корпусе ветроагрегата, а выход газовой турбины сообщен с атмосферой.

Недостатками ветроэнергетической установки являются низкий КПД и невысокая мощность установки.

Технический результат изобретения повышение КПД и мощности установки.

Для достижения технического результата известная ветроэнергетическая установка, содержащая башню, смонтированную на основании, ветроагрегат, включающий по меньшей мере одно ветроколесо с горизонтальным валом, кинематически связанным с электрогенератором и газовой турбиной, причем последние размещены в корпусе ветроагрегата, а выход газовой турбины сообщен с атмосферой, снабжена дополнительным электрогенератором, кинематичес- ки связанным с газовой турбиной, основным вертикальным трубопроводом с многоступенчатым эжектирующим блоком, связанным с входом газовой турбины и с подземным источником тепла, конденсатором, устройством подачи конденсата и дополнительным вертикальным трубопрово- дом, связанными с подземным источником тепла, причем конденсатор и дополнительный электрогенератор размещены в корпусе ветроагрегата, основание башни выполнено в виде подземного сооружения, под днищем которого расположены по меньшей мере две сверхглубокие скважины с установленными в них основным и дополнительным вертикальным трубопроводами, полость сооружения выполнена в виде сборника конденсата, а сверху подземное сооружение закрыто платформой, на которой установлено устройство подачи конденсата, соединенное со сборником конденсата, устройство подачи конденсата выполнено в виде насосного агрегата, двигатель которого электрически связан с электрогенератором. Установка также снабжена вторым дополнительным вертикальным трубопроводом с теплоизоляцией, коаксиально размещенным относительно основного трубопровода с образованием межтрубного зазора, нижний конец которого выполнен перфорированным и закреплен на днище подземного сооружения, а верхний конец в верхней части башни, при этом межтрубный зазор сообщен с конденсатором, а через перфорацию со сборником конденсата, многоступенчатый эжектирующий блок выполнен в виде соосно размещенных сопел Лаваля, причем выход каждого предыдущего сопла охвачен входом последующего сопла, а места сочленений сопел установлены в кольцевых полостях, соединенных со сборником конденсата; установка снабжена обгонной муфтой, расположенной между валами ветроколеса и ротора электрогенератора, а конденсатор снабжен фильтром и трубками и выполнен в виде открытой снизу торообразной поверхности, охватывающей выход газовой турбины и установленной в верхней части корпуса с зазором, соединяющим выход газовой турбины с конденсатором, при этом фильтр расположен на торообразной поверхности в конденсаторе и сообщен чеpез трубки с атмосферой; установка снабжена дополнительным насосным агрегатом и дополнительной скважиной, соединяющей водоносные слои земли под днищем подземного сооружения с его сборником конденсата.

На фиг. 1 схематично изображена ветроэнергетическая установка, общий вид; на фиг. 2 ветроагрегат в увеличенном масштабе; на фиг. 3 многоступенчатый эжектирующий блок в увеличенном масштабе.

Ветроэнергетическая установка содержит башню 1, смонтированную на основании 2, ветроагрегат 3 с возможностью вращения в горизонтальной плоскости относительно башни 1, включающий по меньшей мере одно ветроколесо 4 с горизонтальным валом 5, кинематически связанным с электрогенератором 6, размещенным в коpпусе 7 ветроагрегата 3.

Башня 1 сооружается, например, из сверхпрочного шлакощелочного бетона. Основание 2 представляет собой подземное сооружение и выполнено в виде концентрически расположенных трубчатых секций 8, 9, нижние части которых снабжены кольцевыми уступами 10. Между трубчатыми секциями 8, 9, а также между грунтом 11 и внешней трубчатой секцией 8 имеются кольцевые зазоры 12, 13 с шириной от одного до нескольких дециметров, заполняемые электропроводящей текучей средой, например тексотропным раствором. Трубчатая секция 14 является направляющей для трубчатых секций 8, 9 при монтаже подземного сооружения.

Для пропорционального распределения нагрузок с внешней трубчатой секции на внутренние секции конструкции предусматривается пропорциональное распределение гидростатических давлений текучей среды в кольцевых зазорах конструкции. При этом боковое давление, действующее на внутреннюю поверхность трубчатой секции, предусматривается значительно меньше, чем боковое давление, действующее на внешнюю поверхность той же трубчатой секции. Это обеспечивается либо изменением удельного веса текучей среды, либо изменением высоты трубчатой секции.

Так, в использовании конструкции, изображенной на фиг. 1, распределение нагрузок между секциями осуществляется за счет изменения удельного веса текучей среды в кольцевых зазорах. При этом удельный вес текучей среды в кольцевом зазоре 12 больше, чем в кольцевом зазоре 13.

Трубчатые секции 8, 9 и 14 выполнены также из сверхпрочного шлакощелочного бетона.

Использование подземного сооружения из трубчатых секций обеспечивает снижение толщины стенок, экономию материалов и не уменьшает их надежности.

В нижней части трубчатой секции 9 изготавливают днище 15, выполненное в виде плиты из высокопрочного теплотокопроводящего материала, например титана. Днище 15 электрически связано с арматурой трубчатых секций 8, 9 (не показано). Трубчатые секции 8,9 совместно с днищем 15 образуют опускное сооружение. Глубина опускного сооружения может составлять до 100 м.

Корпус 7 ветроагрегата 3 представляет собой полый шар, который снабжен открытым снизу стаканом 16, взаимодействующим посредством роликовых подшипников 17, 18 и 19 с верхней частью башни 1. Верхняя часть башни 1 армирована металлом для повышения прочности конструкции. Роликовый подшипник 19 является упорным. Ветроколесо 4 известной конструкции смонтировано на ступице 20.

Для повышения эффективности ветроэнергетической установки в корпусе 7 ветроагрегата 3 монтируется газовая турбина 21 и дополнительный электрогенератор 22, кинематически связанные с электрогенератором 6, при этом вход 23 газовой турбины 21 сообщен посредством секционированного основного вертикального трубопровода 24 с подземным источником тепла (не показан), секции которого смонтированы в башне 1, в подземном сооружении 2 и в сверхглубокой скважине 25, пробуренной под днищем 15 подземного сооружения, причем температура окружающих пород на ее нижнем горизонте может достигать 99-105^оС и более. Сверхглубокая скважина 25 на нижнем конце может иметь сферическую полость, которую возможно сформировать посредством взрыва взрывчатых веществ. Кинематическая связь газовой турбины 21 с вертикальным валом вращения лопаток (не показана) осуществляется через конический редуктор 26, в котором установлены ведущая коническая шестерня (не показана), охватывающая, например, концы лопаток последней ступени газовой туpбины 21, и две ведомых шестерни (не показаны), сочлененных с валами электрогенераторов 6 и 22, причем между валами ветроколеса 4 и электрогенератора 6 установлена обгонная муфта 27. Выход 28 газовой турбины 21 сообщен с атмосферой через конденсатор 29, фильтр 30 и трубки 31, вмонтированные в корпус 7 ветроагрегата 3.

Конденсатор 29 выполнен в виде открытой снизу торообразной поверхности, охватывающей выход 28 газовой турбины 21 и установленной в верхней части корпуса 7 с зазором (фиг. 2), соединяющим выход 28 газовой турбины 21 с конденсатором 29, при этом фильтр 30 расположен в конденсаторе 29 на его торообразной поверхности и сообщен через трубки 31 с атмосферой. Фильтр 30 предназначен для очистки газов от вредных загрязнителей. Под конденсатором 29 размещен поддон 32, сообщенный с подземным сооружением 2. Нижняя часть конденсатора 29 закреплена на стакане 16 (фиг. 2).

Устройство подачи конденсата выполнено, например, в виде насосного агрегата 33, двигатель 34 которого электрически связан с электрогенератором 6, причем всасывающий патрубок 35 насосного агрегата 33 сообщен с полостью подземного сооружения 2, выполняющей функцию сборника конденсата, а нагнетательный патрубок 36 с дополнительным вертикальным трубопроводом 37, сообщенным с подземным источником тепла. Дополнительный вертикальный трубопровод 37 смонтирован в сверхглубокой скважине 38, пробуренной под днищем 15 подземного сооружения 2. Нагнетательный патрубок 36 снабжен обратным клапаном 39 для обеспечения надежной работы насосного агрегата 33. Насосный агрегат 33 установлен на платформе 40, смонтированной в верхней части подземного сооружения 2 (фиг. 1).

Для увеличения прочности конструкции башни 1, уменьшения потерь тепла, непрерывно поступающего из подземного источника тепла, установка снабжена вторым дополнительным трубопроводом 41 с теплоизоляцией, коаксиально размещенным относительно основного вертикального трубопровода 24 с образованием межтрубного зазора, нижний конец которого выполнен перфорированным и закреплен на днище 15 подземного сооружения 2, а верхний конец в верхней части башни 1 посредством кольца 42. Между кольцом 42 и дном стакана 16 установлен упорный роликовый подшипник 19. Межтрубный зазор между трубопроводами 24 и 41 сообщен с конденсатором 29 посредством трубопровода 43 (фиг. 2). Перфорация 44 второго дополнительного трубопровода 41 предназначена для слива конденсата в сборник конденсата подземного сооружения 2.

Для ускорения потока парогазовой смеси, подаваемой в газовую турбину 21, установка снабжена многоступенчатым эжектирующим блоком 45, смонтированным в основном вертикальном трубопроводе 24. Многоступенчатый эжектирующий блок 45 выполнен в виде отдельных сопел Лаваля 46 и 47, соосно смонтированных друг за другом. Сопло 46, например, смонтировано в направляющей 48 секции основного вертикального трубопровода 24, выход которого охвачен входом сопла 47 большего диаметром. Сопло 47 установлено в отверстии 49, выполненном в днище 15, и во втулке 50, на которой крепится другая секция основного вертикального трубопровода 24. В месте сочленения сопел 46 и 47 выполнена кольцевая полость 51, сообщенная каналами 52 и трубопроводами 53 с верхней частью сборника конденсата подземного сооружения 2. На верхних участках трубопроводов 53 установлены обратные клапаны 54. В исходном состоянии трубопроводы 53 перекрыты обратными клапанами 54. Перед соплами 46 и 47 установлена регулирующая шайба 55, закрепленная в трубопроводе 24. К шайбе 55 герметично примыкает торец сопла 46.

В верхней части основного вертикального трубопровода 24 установлено дополнительное сопло 56 Лаваля, выход которого расположен перед входом 23 газовой турбины 21. Диаметр сопла 56 больше диаметра сопла 47.

Кроме того, может быть предусмотрена другая модификация расположения сопел, например, в верхней части основного вертикального трубопровода 24 (не показана).

Для обеспечения работы ветроэнергетической установки в качестве рабочего тела используются холодный влажный воздух и вода, подаваемые к подземному источнику тепла. Для этого под днищем 15 подземного сооружения 2 пробуривается дополнительная скважина 57, сообщающая подземные воды водоносных слоев земли со сборником конденсата подземного сооружения 2. Для подъема воды в сборник конденсата подземного сооружения 2 на платформе 40 устанавливается дополнительный насосный агрегат 58, всасывающий патрубок которого подключен через трубопровод 59 к скважине 57, а нагнетательный патрубок сообщен с верхней частью сборника конденсата подземного сооружения 2.

Ветроэнергетическая установка снабжена электрораспределительным устройством и пультом управления (не показаны). Кабель для вывода электроэнергии свободно пропускается между трубопроводами 24 и 41 в нижнюю часть башни 1.

Ветроэнергетическая установка может быть использована в системах отопления городов и населенных пунктов. Трубопроводы систем отопления надземных сооружений, например жилых домов, подключаются к нагреваемым устройствам, например змеевикам, вмонтированным в трубчатую секцию 9 подземного сооружения 2 (нагреваемые устройства условно не показаны).

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Предварительно выбирают площадку для строительства ветроэнергетической установки, которую размещают преимущественно в регионах будущего строительства населенных пунктов. Проводят полный комплекс изыскательных работ, в том числе бурят на площадке сверхглубокую скважину. Предварительно бурение скважины производят на поиск нефти и газа. При отрицательном поиске нефти или газа, а также при отсутствии радиоактивных руд продолжают бурит скважину с замером температуры окружающих пород через каждые 100 м. По достижении заданных температур окружающих пород на нижних горизонтах скважины строят подземное сооружение 2. После завершения строительства подземного сооружения-основания 2 на нем возводят неподвижную башню 1 с ветроагрегатом 3.

Под воздействием скоростного напора ветра приводится во вращение ветроколесо 4, которое вращает горизонтальный вал 5. Вращение горизонтального вала 5 через обгонную муфту 27 передается ротору электрогенератора 6, затем посредством конического редуктора 26 приводится во вращение газовая турбина 21 и ротор дополнительного электрогенератора 22. Одновременно прогревается воздух под воздействием подземного источника тепла, который перемещается по основному вертикальному трубопроводу 24 к входу газовой турбины 21, затем воздух течет между лопатками газовой турбины и благодаря вращению лопаток нагнетается через конденсатор 29, фильтр 30 и множество трубок 31 в атмосферу. В основном вертикальном трубопроводе 24 устанавливается поток нагретого воздуха, ускоряемый многоступенчатым эжектирующим блоком 45. Выработанная электроэнергия основным и дополнительным электрогенератора 6 и 22 поступает в электрораспределительное устройство и в пульт управления.

С пульта управления включается насосный агрегат 58, благодаря работе которого вода поступает в сборник конденсата подземного сооружения 2, затем включается агрегат 33, который перекачивает заданный объем воды из сборника конденсата подземного сооружения 2 посредством дополнительного вертикального трубопровода 37 к подземному источнику тепла. Благодаря температуре пород подземного источника тепла вода закипает и образуется пар, который, расширяясь, устремляется по нагретому основному вертикальному трубопроводу 24 вверх к газовой турбине 21.

При поступлении пара в шайбу 55 скорость его на входе сопла 46 не превышает дозвуковой. Для перехода от дозвукового течения к сверхзвуковому в установке используют сопла Лаваля. Сжатый пар, достигнув в сопле 46 критического сечения S₄₆, приобретает сверхзвуковую скорость V_* при этом параметры потока (скорость, давление, плотность и температура) становятся критическими. Давление потока пара на расширяющейся части сопла минимальное, что обеспечивает интенсивное подсасывание воздуха из кольцевой полости 51 через кольцевой зазор между выходом сопла 46 и входом сопла 47, причем суммарный массовый расход пара и нагретого воздуха на выходе сопла 46 не будет влиять на расход пара, поступившего из подземного источника тепла. Ускоренный суммарный поток парогазовой смеси из сопла 46 подается в сопло 47 с критическим сечением S₄₇, которое в два раза больше критического сечения S₄₆. Параметры истекающего потока парогазовой смеси из сопла 46 не зависят от противодавления среды, находящейся в сопле 47. Поток парогазовой смеси в сопле 47 вновь ускоряется. Перед входом газовой турбины 21 парогазовый поток вновь ускоряется в сопле 56. По достижении заданного разрежения в кольцевой полости 51 открываются обратные клапаны 54, сообщающие кольцевую полость 51 со сборником конденсата подземного сооружения 2. В связи с тем, что трубчатые секции 8, 9 и днище 15 подземного сооружения 2 нагреваются от подземного источника тепла, то над поверхностью воды в сборнике конденсата скапливаются пары воды, которые отсасываются в многоступенчатый эжектирующий блок 45.

Под воздействием скоростного потока парогазовой смеси лопатки газовой турбины 21 приобретают дополнительную скорость вращения, что увеличивает выработку электрической энергии электрогенератора 6 и 22, причем скорость вращения роторов электрогенераторов 6 и 22 не влияет на скорость вращения ветроколеса 4, так как между валами ветроколеса 4 и электрогенератора 6 установлена обгонная муфта 27.

Парогазовая смесь, отдав кинетическую энергию лопаткам газовой турбины 21, истекает с ее выхода 28, затем, обтекая торообразную поверхность конденсатора 29, попадает на его внутреннюю поверхность, где под действием разности температур пар превращается в воду, последняя скапливается в поддоне 32 и сливается по трубопроводу 43 в межтрубный зазор трубопроводов 24 и 41, а затем через перфорацию 44 второго дополнительного трубопровода 41 в сборник конденсата подземного сооружения 2, при этом газовая смесь, очищаясь в фильтре 30, выбрасывается через трубки 31 в атмосферу.

Таким образом, благодаря энергии скоростного напора ветра, воздействующего на ветроколесо 4, и энергии парогазовой смеси, образуемой в подземном источнике тепла, воздействующей на лопатки газовой турбины 21, повышается КПД и мощность установки.

Отличительной особенностью работы ветроэнергетической установки является также то, что она может быть использована в системах отопления городов и населенных пунктов, что позволяет сократить капитальные затраты на строительство специализированных ТЭЦ, загрязняющих окружающую среду. Ветроэнергетическая установка создает экономию энергетических ресурсов за счет использования подземного источника тепла, равную 539000 ккал на каждой тонне воды.

Использование: в ветроэнергетических установках, в системах отопления городов и населенных пунктов. Сущность изобретения: ветроагрегат 3 состоит по меньшей мере из одного ветроколеса 4 с горизонтальной осью вращения 5, кинематически связанного с электрогенератором 6, закрепленным в корпусе 7 ветроагрегата 3. Подземное сооружение, являющееся основанием башни 1, представляет собой концентрически расположенные трубчатые секции, нижние части которых снабжены кольцевыми уступами. Между трубчатыми секциями, а также между грунтом и внешней трубчатой секцией имеются кольцевые зазоры. Установка снабжена газовой турбиной 21 и дополнительным электрогенератором 22, кинематически связанным с электрогенератором 6. Вход 23 турбины 21 сообщен посредством основного вертикального трубопровода 24 с подземным источником тепла. Кинематическая связь газовой турбины 21 с вертикальной осью вращения лопаток и электрогенераторами 6 и 22 осуществляется через редуктор 26. Выход турбины 21 сообщен с атмосферой через конденсатор 29, кольцевой фильтр 30 и множество трубок 31. Устройство для подачи рабочего тела выполнено в виде насосного агрегата, сообщенного с полостью сооружения и подземным источником тепла посредством дополнительного трубопровода, смонтированного в сверхглубокой скважине. Для ускорения потока парогазовой смеси установка снабжена многоступенчатым эжектирующим устройством, смонтированным в основном вертикальном трубопроводе 24, состоящем из сопел Лаваля. Для обеспечения работы установки в качестве рабочего тела используется вода, которую закачивают из источника подземных вод в полость подземного сооружения. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая башню, смонтированную на основании, ветроагрегат, включающий по меньшей мере одно ветроколесо с горизонтальным валом, кинематически связанным с электрогенератором и газовой турбиной, причем последние размещены в корпусе ветроагрегата, а выход газовой турбины сообщен с атмосферой, отличающаяся тем, что установка снабжена дополнительным электрогенератором, кинематически связанным с газовой турбиной, основным вертикальным трубопроводом с многоступенчатым эжектирующим блоком, связанным с входом газовой турбины и с подземным источником тепла, конденсатором, устройством подачи конденсата и дополнительным вертикальным трубопроводом, связанными с подземным источником тепла, причем конденсатор и дополнительный электрогенератор размещены в корпусе ветроагрегата. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что основание башни выполнено в виде подземного сооружения, под днищем которого расположены по меньшей мере две сверхглубокие скважины с установленными в них основным и дополнительным вертикальными трубопроводами, полость сооружения выполнена в виде сборника конденсата, а сверху подземное сооружение закрыто платформой, на которой установлено устройство подачи конденсата, соединенное со сборником конденсата. 3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что устройство подачи конденсата выполнено в виде насосного агрегата, двигатель которого электрически связан с электрогенератором. 4. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена вторым дополнительным вертикальным трубопроводом с теплоизоляцией, коаксиально размещенным относительно основного трубопровода с образованием межтрубного зазора, нижний конец которого выполнен перфорированным и закреплен на днище подземного сооружения, а верхний конец в верхней части башни, при этом межтрубный зазор сообщен с конденсатором, а через перфорацию со сборником конденсата. 5. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что многоступенчатый эжектирующий блок выполнен в виде соосно размещенных сопл Лаваля, причем выход каждого предыдущего сопла охвачен входом последующего сопла, а места сочленений сопл установлены в кольцевых полостях, соединенных со сборником конденсата. 6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена обгонной муфтой, расположенной между валами ветроколеса и ротора электрогенератора. 7. Установка по пп.1 и 4, отличающаяся тем, что конденсатор снабжен фильтром и трубками и выполнен в виде открытой снизу торообразной поверхности, охватывающей выход газовой турбины и установленной в верхней части корпуса с зазором, соединяющим выход газовой турбины с конденсатором, при этом фильтр расположен на торообразной поверхности в конденсаторе и сообщен через трубки с атмосферой. 8. Установка по пп.1, 2, 4 и 5, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным насосным агрегатом и дополнительной скважиной, соединяющей водоносные слои земли со сборником конденсата подземного сооружения.