СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, АККУМУЛИРОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ И КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F03D9/02 

Изобретение относится к ветроэнергетике и к способам преобразования, аккумулирования и использования ветровой энергии.

Известен способ преобразования ветровой энергии в электрическую при помощи быстроходного ветроколеса с малым количеством лопастей (до четырех) и вертикальной осью вращения (журнал "Наука и Жизнь", 7, 1989 г., стр. 19).

К недостаткам известного способа относится необходимость использования быстроходного ветроколеса и повышающего редуктора, низкое качество получаемой электроэнергии из-за непостоянства ветра по силе и по времени. Для улучшения характеристик электроэнергии необходимы сложные системы регулирования частоты вращения колеса, регуляторы напряжения в обмотках генератора и синхронизаторы переменного тока, если объединяется энергия нескольких агрегатов. Изменчивость ветра и непостоянство потребления энергии в течении суток вызывает необходимость аккумулирования. Аккумулировать электроэнергию в больших объемах сложно. Неизбежные потери приводят к ее удорожанию. Кроме того, сами аккумуляторы достаточно дороги и недолговечны. Все это усложняет конструкцию и повышает стоимость ветроагрегата и вырабатываемой электроэнергии.

Известен способ аккумулирования электроэнергии путем преобразования ее в энергию сжатого воздуха (Г. Г. Ольховский. "Энергетические газотурбинные установки", Энергоатомиздат, 1985 г., 285). Недостатками известного способа является то, что при аккумулировании энергии таким способом используется уже произведенная электроэнергия, что приводит к неизбежным потерям. При сжатии воздуха выделяется теплота, которую очень сложно вернуть в цикл зарядки-разрядки, кроме того, электроэнергия теряется еще и в обмотках электродвигателя, приводящего в действие компрессор.

Известен также способ аккумулирования солнечной тепловой энергии методом плавления (журнал "Наука и Жизнь", 3, 1974 г., стр. 19 статья "Аккумулирование плавлением"). Недостатком этого способа является необходимость концентрации солнечной энергии для получения высоких температур, а расположение теплоаккумуляторов на поверхности земли приводит к неизбежным потерям тепла даже при хорошей теплоизоляции и может представлять опасность при нарушении целостности корпуса теплоаккумулятора.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ получения тепловой энергии при помощи ветра (журнал "Техника Молодежи", 3 1987 г., стр.20 и 21, статья "Ветро, Гелио и другие"). Недостатками указанного способа являются аккумулирование тепла методом нагрева стального цилиндра и неполное использование ветровой энергии из-за отсутствия аккумулирования сжатого воздуха.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение потерь энергии в процессе преобразования, аккумулирования и использования ветровой энергии, повышение надежности и долговечности ветроагрегата, упрощение и удешевление его оборудования, удешевление получаемой электроэнергии и повышение ее качества.

Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования ветровой энергии в тепловую энергию методом сжатия воздуха, аккумулирования тепла и использования потребителями согласно предлагаемому изобретению воздух сжимают до 1-3 МПа. Выделившуюся теплоту аккумулируют в подземном теплоаккумуляторе методом плавления веществ. Затем сжимают охлажденный в теплоаккумуляторе воздух до 5-10 МПа, аккумулируют вновь выделившуюся теплоту в теплоаккумуляторе, а сжатый воздух аккумулируют в подземном пневмоаккумуляторе постоянного давления, после чего сжатый воздух и теплоту используют по назначению.

Комплекс для преобразования, аккумулирования и использования ветровой энергии, включающий ветроколесо, компрессор, воздушно-водянной теплообменник и потребителей тепла, согласно изобретению состоит из перьевой ветротурбины с большим крутящим моментом, адиабатного компрессора высокого давления, теплоаккумулятора плавления с теплообменниками приема и выноса тепла, влагоотдеоителя, пневмоаккумулятора постоянного давления, вытеснительной емкости водохранилища, потребителей тепла и сжатого воздуха.

Предлагаемый способ преобразования, аккумулирования и использования ветровой энергии упрощает процесс преобразования в другие виды энергий, удешевляет ветроагрегат и его оборудование, не требует точной стабилизации скорости вращения колеса, а большой крутящий момент передается непосредственно на компрессор и обеспечивает получение одновременно двух видов энергии в виде сжатого воздуха и тепла. Кроме этого, комбинированное аккумулирование снижает потери энергии при ее производстве, хранении, потреблении и позволяет создать единую систему аккумулирования ветровой и солнечной энергии.

Проведенные патентные исследования не выявили сходных технических решений, что позволяет сделать вывод о новизне и изобретательском уровне т. к. данное техническое решение не следует явным образом из существующего уровня техники.

На чертеже изображен комплекс, позволяющий реализовать предлагаемое изобретение, который состоит из перьевой турбины 1, теплоизолированной пневмомагистрали 2, адиабатного компрессора высокого давления 3, воздушного фильтра 4, теплоаккумулятора (ТА) 5, теплообменников 6а,б, 7, магистралей теплоснабжения 8, потребителей тепла 9 (пневмо-теплоэлектростанции, жилье), влагоотделителя 10, детандера 11, потребителей холода 12 (оборудование для сжижения газов), электрогенератора 13 для получения электроэнергии непосредственно на месте ее потребления, пневмоаккумулятора (ПА) 14, магистрали вторичной подачи 15, магистрали сброса конденсата 16, вытеснительной магистрали 17, вытеснительной емкости-водохранилища 18, кислородной станции 19, сбросного клапана 20, предохранительных клапанов 21, 22, генератора 23 и 24 ротационного пневмодвигиателя или турбины в здании ветроагрегата для производства электроэнергии непосредственно на месте получения ветровой энергии.

ТА представляет собой железобетонную теплоизолированную герметичную емкость, с размещенными в ней теплообменниками 6а, б для охлаждения получаемого воздуха и нагрева теплоаккумулятора 7 для отбора тепла. В емкости имеется несколько тепловых уровней, заполненных легкоплавкими теплоаккумулирующими материалами с разной температурой плавления. Это позволит сделать аккумулятор более компактным и эффективным. Сжатый первой ступенью компрессора 3 до 1-3 МПа воздух по теплоизолированной пневмомагистрали 2 подается в ТА 5. Пройдя сквозь весь объем теплоаккумулирующего материала по теплообменнику 6а, воздух оставляет тепло в аккумуляторе и поступает во влагоотделитель 10. Здесь в охлажденном воздухе выделяется конденсат, который удаляется автоматически через сбросной клапан 20, связанный с поплавком, ограничивающим максимальный уровень конденсата в полости влагоотделителя.

Далее сжатый воздух по магистрали 15 поступает на вторую ступень компрессора. После второго цикла сжатия до давления 5-10 мПа воздух вновь проходит через ТА по теплообменнику высокого давления 6б и поступает в ПА 14 через предохранительный клапан 21.

ПА представляет собой емкость с изменяемым объемом, где давление сохраняется постоянным. В нижнюю его точку проведена вытеснительная магистраль 17, связывающая ПА с наземной емкостью-водохранилищем 18 с объемом несколько большим объема аккумулятора. Давление столба воды в нижней точке примерно постоянно и равно давлению воздуха в аккумуляторе. По мере заполнения аккумулятора сжатым воздухом вода вытесняется в емкость 18. Туда же сбрасывается и конденсат из влагоотделителя по магистрали 16. Для предотвращения выброса сжатого воздуха в емкость-водохранилище при заполнении аккумулятора на входе в магистраль 17 имеется предохранительный поплавковый клапан 22.

По мере использования сжатого воздуха из ПА вода замещает освободившийся объем, поддерживая тем самым необходимое давление. Предохранительный клапан 21 служит для защиты пневмосистемы от попадания в нее воды из ПА при полном использовании из него сжатого воздуха.

Отбор тепла из теплоаккумулятора производят путем подачи снизу по теплообменнику 7 воды или легкокипящей жидкости, полученый пар используют в цикле Ранкина для производства электроэнергии или отопления и горячего водоснабжения 8, 9.

Также для производства электроэнергии сжатый воздух может подаваться на пневмодвигатель 24, приводящий в действие электрогенератор 23, а в случае использования наколенной энергии сжатый воздух из ПА 14 направляется на детандер 11, который так же приводит в действие электрогенератор.

В детандере происходит снижение температуры и частичное сжижение воздуха 12, который может использоваться для получения кислорода и сопутствующих газов 19. Это позволит экономить электроэнергию, затрачиваемую в настоящее время для этих нужд.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в ветроэнергетических установках, где осуществляется преобразование, аккумулирование и использование ветровой энергии. Технический результат, заключающийся в снижении потерь энергии в процессе использования ветровой энергии, повышении надежности и долговечности, а также упрощении и удешевлении агрегата, обеспечивается за счет того, что в способе преобразования ветровой энергии в тепловую методом сжатия согласно изобретению воздух сжимают до 1-3 МПа, выделившуюся теплоту аккумулируют в теплоаккумуляторе методом плавления веществ, повторно сжимают воздух до 5-10 МПа, аккумулируют вновь выделившуюся теплоту, а затем аккумулируют сжатый воздух в пневмоаккумуляторе постоянного давления, после чего сжатый воздух и теплоту используют по назначению. Указанный способ реализуется в соответствующем комплексе. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ преобразования ветровой энергии в тепловую энергию методом сжатия воздуха, получения тепла и использования потребителями, отличающийся тем, что воздух сжимают до 1-3 МПа, выделившуюся теплоту аккумулируют в теплоаккумуляторе методом плавления веществ, повторно сжимают воздух до 5-10 МПа, аккумулируют вновь выделившуюся теплоту, а затем аккумулируют сжатый воздух в пневмоаккумуляторе постоянного давления, после чего сжатый воздух и теплоту используют по назначению. 2. Комплекс для преобразования, аккумулирования и использования ветровой энергии, включающий ветроколесо, компрессор, воздушно-водяной теплообменник потребителей тепла, отличающийся тем, что состоит из перьевой ветротурбины с большим крутящим моментом, адиабатного компрессора высокого давления, теплоаккумулятора плавления, теплообменников приема и выноса тепла, влагоотделителя, пневмоаккумулятора постоянного давления, вытеснительной емкости водохранилища с вытеснительной магистралью, потребителей тепла и сжатого воздуха.