ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2001 года по МПК F03D9/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) для автономного электро- и теплоснабжения потребителей объектов, где отсутствуют возможности подачи тепловой и электрической энергии от внешней энергосистемы.

Известны ВЭУ, состоящие из подключенных к шинам потребителей асинхронной электрической машины с приводом от ветродвигателя и синхронной электрической машины с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) [1,2].

Недостатками известных ВЭУ являются: во-первых, наличие перерыва в электроснабжении потребителей в промежутках времени между моментами отключения ветроэлектрической установки (ВУ) при уменьшении величины скорости ветра ниже начальной (скорость, при которой ВУ начинает вырабатывать электроэнергию) или увеличении последней выше максимальной (скорость, при которой ВУ выводится из работы и переходит во флюгерный режим) и включения с приемом полной нагрузки энергоустановки (ЭУ) с ДВС; во-вторых, плохое качество переходного процесса и низкая экономичность при пуске ДВС.

Известна также ВЭУ, состоящая из подключенных к шинам потребителей электроэнергии первой синхронной электрической машины с приводом от ДВС, аккумуляторной батареи (АБ) и второй синхронной электрической машины с приводом от ветродвигателя, которая для сброса избыточной энергии ветра заземлена [3] - наиболее близкий аналог.

Недостатком известной ВЭУ является ее относительно низкая экономичность, т.к. избыточная энергия ветрового потока, превышающая электрическую мощность потребителей электроэнергии и АБ, полезно не используется, а сбрасывается, а также полезно не используется отбросная теплота наддувочного воздуха, смазочного масла, охлаждающей жидкости и отработавших газов ДВС.

Задача изобретения - повышение эффективности ВЭУ и улучшении ее энергетических характеристик на установившихся и переходных режимах.

Это достигается тем, что в ВЭУ для совместной выработки электрической и тепловой энергии, содержащей инвертор, выпрямитель, аккумуляторную батарею, а также синхронную электрическую машину с приводом от ветродвигателя и синхронную электрическую машину с приводом от двигателя внутреннего сгорания, обе синхронные электрические машины подключены через автоматические выключатели к шинам потребителей электрической энергии, причем первая синхронная электрическая машина также подключена через автоматический выключатель и выпрямитель к аккумуляторной батарее, которая параллельно подключена через автоматический выключатель и инвертор к шинам потребителей электрической энергии, в отличие от известного аналога, к шинам потребителей электрической энергии дополнительно через автоматический выключатель подключен электрический котел (ЭК), водяной контур которого соединен с внешней тепловой сетью потребителей тепловой энергии, которая также через запорно-регулирующую арматуру соединена с тепловым аккумулятором (ТА) и водяными контурами теплообменников-утилизаторов отбросной теплоты наддувочного воздуха, смазочного масла, охлаждающей жидкости и отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. На шинах потребителей электрической энергии и в тепловой сети потребителей тепловой энергии установлены соответственно датчики электрической и тепловой нагрузок, которые через исполнительные механизмы соединены с системой автоматического управления (САУ) ВЭУ.

Устранение перерыва в энергоснабжении потребителей с одновременным улучшением качества переходного процесса при пуске ДВС, улучшение параметров вырабатываемого электрического тока, топливной экономичности ДВС и снижение количества вредных выбросов с отработавшими газами ДВС в предлагаемой установке по сравнению с наиболее близким аналогом достигается тем, что в состав ВЭУ дополнительно вводится ЭК и утилизаторы низкопотенциального тепла ЭУ с ДВС, ТА, а также САУ ВЭУ с датчиками электрической и тепловой нагрузок.

Предлагаемая ВЭУ позволяет в режимах питания потребителей от ВУ исключить работу ЭУ с ДВС. Наличие АБ позволяет избежать частых пусков ЭУ с ДВС при кратковременных ветроэнергетических затишьях, что позволяет экономить моторесурс ДВС и улучшает ее технико-экономические характеристики. Наличие ЭК и утилизаторов низкопотенциального тепла ЭУ с ДВС позволяет максимально полезно использовать всю энергию, вырабатываемую ВЭУ, в том числе и для получения тепловой энергии для снабжения потребителей теплоты. Наличие ТА позволяет аккумулировать избыточную энергию ВЭУ, когда ее выработка превышает потребности потребителей как электрической, так и тепловой энергии. Наличие САУ ВЭУ с соответствующими датчиками позволяет оперативно перераспределять вырабатываемую ВЭУ энергию между потребителями соответствующих видов энергии, АБ и ТА. Все это в совокупности позволяет повысить эффективность ВЭУ.

Отличительными (новыми) признаками предлагаемого изобретения по отношению к наиболее близкому аналогу являются следующие изменения конструкции установки: во-первых, дополнительное присоединение к шинам потребителей электрической энергии через автоматический выключатель ЭК, водяной контур которого подключен через запорно-регулирующие органы к ТА и тепловой сети потребителей теплоты; во- вторых, подключение к тепловой сети теплообменников-утилизаторов отбросной теплоты наддувочного воздуха, смазочного масла, охлаждающей жидкости и отработавших газов ДВС, коленчатый вал которого соединен со второй синхронной электрической машиной; в-третьих, введение в состав ВЭУ САУ с датчиками тепловой и электрических нагрузок, что в совокупности позволяет повысить эффективность ВЭУ путем дополнительной выработки и аккумулирования тепловой энергии в электрическом котле за счет избыточной энергии ветра и утилизации отбросной теплоты ДВС, а также перераспределения вырабатываемой энергии между потребителями тепловой и электрической энергии в соответствии с графиками их нагрузок.

Из существующего уровня техники не известны ВЭУ на базе ВУ и ЭУ с ДВС для совместной выработки электрической и тепловой энергии, включающие в себя одновременно все перечисленные признаки, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемой ВЭУ для совместной выработки электрической и тепловой энергии. ВЭУ содержит первую синхронную электрическую машину 1 с приводом от ветродвигателя 2, аккумуляторную батарею 3, вторую синхронную электрическую машину 4 с приводом от ДВС 5, теплообменники-утилизаторы отбросной теплоты наддувочного воздуха 6, смазочного масла 7, охлаждающей жидкости 8, отработавших газов 9 ДВС 5, электрокотел 10, тепловой аккумулятор 11, САУ 12 с датчиками электрической 13 и тепловой 14 нагрузок, инвертор 15 и выпрямитель 16, автоматические выключатели 18, 19, 20, 21, 22, 23 и управляемый запорно-регулирующий орган 17. Причем первая синхронная электрическая машина 1 подключена через автоматические выключатели 20, 23 и выпрямитель 15 к АБ 3, а через инвертор 16 и автоматический выключатель 21 - к шинам потребителей электрической энергии. Через автоматический выключатель 22 к шинам потребителей электрической энергии подключен ЭК 10, водяной контур которого подключен к внешней тепловой сети потребителей тепловой энергии и через управляемый запорно-регулирующий орган 17 - к ТА 11. К внешней тепловой сети также подключены теплообменники-утилизаторы 6, 7, 8, 9 ДВС 5, а также датчик тепловой нагрузки 14. Вторая синхронная электрическая машина 4 подключена через автоматический выключатель 18 к шинам потребителей электрической энергии, к которым также подключен датчик электрической нагрузки 13, а через автоматический выключатель 19 - к выпрямителю 15.

Представленная на чертеже ВЭУ работает следующим образом в двух режимах функционирования: 1) режим энергоснабжения от ВУ; 2) режим энергоснабжения от ЭУ с ДВС.

Режим функционирования N 1. При достижении скорости ветра величины начальной скорости для данной ВУ синхронная электрическая машина 1 начинает вырабатывать электроэнергию. При этом САУ 12 ВУ выдает управляющий сигнал на включение автоматических выключателей 20, 21 и электрическая энергия, вырабатываемая ветродвигателем 2, через выпрямитель 15 и инвертор 16 поступает на шины потребителей. По мере увеличения скорости ветра первая синхронная электрическая машина 1 вырабатывает электроэнергию в количестве, превышающем текущую потребность потребителей, о чем подает сигнал датчик 13 САУ 12. Последняя сразу же выдает управляющий сигнал для включения автоматических выключателей 22, 23, и избыток электроэнергии, превышающий потребности потребителей, поступает в ЭК 10 для нагрева теплоносителя внешней тепловой сети потребителей теплоснабжения, а также на заряд АБ 3. В случае, когда избыток энергии, вырабатываемой первой синхронной электрической машиной 1 с приводом от ветродвигателя 2, превышает потребности потребителей тепловой энергии внешней тепловой сети, датчик 14 подает сигнал САУ 12, которая выдает управляющий сигнал на открытие запорно-регулирующего органа 17, и избыточная тепловая энергия аккумулируется в ТА 11. При кратковременных ветроэнергетических затишьях, когда значение скорости ветра становится ниже величины начальной скорости или выше максимального значения скорости ветра для данной ВУ, и в случаях, когда скорость ветра снижается ниже некоторого значения, в результате чего первая синхронная электрическая машина 1 не обеспечивает текущие потребности потребителей электрической и (или) тепловой энергии, датчик 13 и (или) датчик 14 подают соответствующие сигналы САУ 12, которая выдает управляющие сигналы соответственно на отключение автоматического выключателя 22 и на открытие запорно-регулирующего органа 17, вследствие чего дефицит электрической энергии покрывается за счет разряда АБ 3, а дефицит тепловой энергии - за счет теплоты, запасенной во время работы в ТА 11.

Режим функционирования N 2. В случаях продолжительных ветроэнергетических затиший или недостаточной ветровой активности САУ 12 подает управляющий сигнал на запуск ДВС 5. После выхода ДВС 5 на номинальную мощность вторая синхронная электрическая машина 4 начинает вырабатывать электрическую энергию, САУ 12 подает управляющий сигнал на включение автоматического выключателя 18 и отключение автоматических выключателей 20, 21 и электроэнергия поступает на шины потребителей. При этом в теплообменниках-утилизаторах 6, 7, 8, 9 за счет утилизируемой отбросной теплоты ДВС 5 вырабатывается тепловая энергия для потребителей внешней тепловой сети. Во время пуска и выхода на номинальную мощность ДВС 5 питание потребителей электроэнергии осуществляется от АБ 3, а теплоснабжение потребителей тепловой энергии за счет запасенной в ТА 11, при этом соответственно автоматический выключатель 22 отключен, автоматические выключатели 21, 23 включены, а запорно-регулирующий орган 17 открыт. В случае, когда вторая синхронная электрическая машина 4 с приводом от ДВС 5 вырабатывает электроэнергию в количестве, большем, чем текущая потребность потребителей, и для того, чтобы не снижать нагрузку на ДВС 5, т.к., во-первых, по условиям эксплуатации нежелательна работа ДВС на долевых нагрузках, а также частые переключения нагрузок; во-вторых, снижение нагрузки на ДВС приведет к снижению соответствующих температур наддувочного воздуха, смазачного масла, охлаждающей жидкости и отработавших газов последнего, что приведет к дефициту вырабатываемой тепловой энергии; в-третьих, при работе ДВС на долевых нагрузках ухудшается полнота сгорания топлива и происходит более интенсивное загрязнение поверхностей теплообменников-утилизаторов, что существенно снижает их эффективность, а также увеличивается токсичность отработавших газов, САУ 12, получив сигнал от датчика 13, подает управляющие сигналы на включение автоматических выключателей 19, 22, 23 и открытие запорно-регулирующего органа 17, и избыток электроэнергии поступает через выпрямитель 15 на заряд АБ 3 и в ЭК 10 для нагрева теплоносителя во внешней тепловой сети и аккумулирования избыточной тепловой энергии в ТА 11.

При усилении ветра и окончании заряда АБ установка переходит в режим функционирования N 1.

Таким образом, предлагаемая ВЭУ за счет следующих изменений конструкции: во-первых, дополнительного присоединения через автоматический выключатель электрического котла, водяной контур которого подключен через запорно-регулирующие органы к тепловому аккумулятору и тепловой сети потребителей теплоты; во-вторых, подключения к тепловой сети теплообменников-утилизаторов отбросной теплоты наддувочного воздуха, смазачного масла, охлаждающей жидкости и отработавших газов ДВС, коленчатый вал которого соединен со второй синхронной электрической машиной; в-третьих, введения в состав ВЭУ САУ с датчиками тепловой и электрических нагрузок, обеспечивает повышение эффективности путем дополнительной выработки и аккумулирования тепловой энергии в электрическом котле за счет избыточной энергии ветра и утилизации отбросной теплоты ДВС, перераспределения вырабатываемой энергии между потребителями тепловой и электрической энергии в соответствии с графиками их нагрузок, а также устранения перерывов в электроснабжении потребителей при отсутствии ветра с одновременным улучшением энергетических характеристик на установившихся и переходных режимах функционирования и может быть использована для гарантированного электропитания потребителей, не допускающих разрыва синусоиды питающего напряжения, и теплоснабжения потребителей.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1813918 от 07.05.93., БИ N 17.

2. Патент РФ N 2139444 от 10.10.99., БИ N 28.

3. Демин И. С. Использование ветроэнергетических установок для энергоснабжения децентрализованных потребителей в труднодоступных районах Севера. / Институт экономики жилищно-коммунального хозяйства им. И.Д. Памфилова - Серия теплоснабжение и электроснабжение, М.- 1990 г., с. 55-57.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к ветроэнергетическим установкам для автономного электро- и теплоснабжения потребителей объектов, где отсутствуют возможности подачи тепловой и электрической энергии от внешней энергосистемы. Технический результат, заключающийся в повышении эффективности ветроэнергетической установки для совместной выработки электрической и тепловой энергии и улучшении ее энергетических характеристик на установившихся и переходных режимах, достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей инвертор, выпрямитель, аккумуляторную батарею, а также синхронную электрическую машину с приводом от ветродвигателя и синхронную электрическую машину с приводом от двигателя внутреннего сгорания, подключенные через автоматические выключатели к шинам потребителей электрической энергии, причем первая синхронная электрическая машина также подключена через автоматический выключатель и выпрямитель к аккумуляторной батарее, которая параллельно подключена через автоматический выключатель и инвертор к шинам потребителей электрической энергии, согласно изобретению к шинам дополнительно через автоматический выключатель подключен электрический котел, водяной контур которого соединен с внешней тепловой сетью потребителей тепловой энергии, которая также через запорно-регулирующую арматуру соединена с тепловым аккумулятором и водяными контурами теплообменников-утилизаторов отбросной теплоты наддувочного воздуха, смазочного масла, охлаждающей жидкости и отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, причем установка также дополнительно снабжена датчиками электрической и тепловой нагрузок, установленными соответственно на шинах потребителей электрической энергии и в тепловой сети потребителей тепловой энергии, которые через исполнительные механизмы соединены с системой автоматического управления ветроэнергетической установкой. 1 ил.

Ветроэнергетическая установка для совместной выработки электрической и тепловой энергии, содержащая инвертор, выпрямитель, аккумуляторную батарею, а также синхронную электрическую машину с приводом от ветродвигателя и синхронную электрическую машину с приводом от двигателя внутреннего сгорания, подключенные через автоматические выключатели к шинам потребителей электрической энергии, причем первая синхронная электрическая машина также подключена через автоматический выключатель и выпрямитель к аккумуляторной батарее, которая параллельно подключена через автоматический выключатель и инвертор к шинам потребителей электрической энергии, отличающаяся тем, что к шинам потребителей электрической энергии дополнительно через автоматический выключатель подключен электрический котел, водяной контур которого соединен с внешней тепловой сетью потребителей тепловой энергии, которая также через запорно-регулирующую арматуру соединена с тепловым аккумулятором и водяными контурами теплообменников-утилизаторов отбросной теплоты наддувочного воздуха, смазочного масла, охлаждающей жидкости и отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, причем на шинах потребителей электрической энергии и в тепловой сети потребителей тепловой энергии установлены соответственно датчики электрической и тепловой нагрузок, которые через исполнительные механизмы соединены с системой автоматического управления ветроэнергетической установкой.