Тепловая ветроэнергетическая установка Российский патент 2017 года по МПК F03D9/22 F03D9/25 

Изобретение относится к области возобновляемых источников тепловой энергии [2, 3] и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения (теплоснабжения) различных зданий и сооружений, прежде всего объектов Крайнего Севера, Дальнего Востока и других районов, которые отличаются низкими температурами атмосферного воздуха и сильными ветрами, а также практически круглогодичными отопительными сезонами [2, стр. 22].

В настоящее время в качестве источников теплоты в указанных районах используют преимущественно котельные небольшой мощности, работающие на твердом (угле) или жидком (дизельном) топливе [1, 2, 5].

Например, для доставки органического топлива в районы Крайнего Севера в нашей стране осуществляют так называемый «северный завоз», затраты на который составляют около 6-8 млрд рублей ежегодно. Кроме высоких затрат на топливо, известным источникам тепловой энергии небольшой мощности присущи и ряд других недостатков. Существенные недостатки котельных: угольных - нерешенность проблемы автоматической подачи угля в топки котлов и удаления из них шлака [5]; на жидком топливе - необходимость круглогодичного подогрева топлива, для снижения его вязкости. Поэтому в условиях Крайнего Севера для целей отопления применяют специальное «арктическое» топливо, стоимость которого на порядок выше по сравнению с углем.

Но самые простые и самые надежные системы теплоснабжения получаются, если они работают на электрической энергии от дизельных электростанций (ДЭС), хотя при таком подходе получается самое дорогое решение задачи теплоснабжения объектов. В связи с выше изложенным, чтобы уменьшить затраты на получение электрической энергии, в последнее время в районах Крайнего Севера принимаются попытки в параллель с дизельными электростанциями (ДЭС) использовать зарубежные ветроэлектрические станции (ВЭС). И это при том, что последние имеют ряд существенных недостатков, прежде всего - низкую эффективность использования энергии воздушного потока (низкий коэффициент мощности) [2]. Этот недостаток традиционных ВЭС является следствием сложности, процесса выработки из ветра «качественной» электроэнергии (со стандартной частотой тока - 50 Гц) в условиях постоянно меняющихся скорости и направления ветра, а также следствием отсутствия мощных, надежных и экономичных аккумуляторов (накопителей) электрической энергии.

Кроме того, известные ВЭС требуют значительных капитальных затрат на изготовление и монтаж высокой прочной мачты, пропеллера, аэродинамических тормозов, коробки передач (мультипликатора), электрогенератора выпрямителей, инвертора, аккумуляторов, системы автоматического поворота ветроколеса на ветер и т.д.

В результате, стоимость электроэнергии, выработанной из бесплатной энергии ветра известных ВЭС, сопоставима со стоимостью электроэнергии, выработанной ДЭС [2, стр. 10], поэтому последним в настоящее время отдают предпочтение, как более надежному источнику энергии в районах Крайнего Севера.

Вместе с тем анализ баланса энергопотребления объектов Крайнего Севера показывает, что доля энергии в виде электричества составляет, как правило, не более 20%, а основная часть энергии в указанных районах требуется в виде теплоты на отопление и горячее водоснабжение зданий и сооружений.

В целях существенного снижения затрат на теплоснабжение в климатических районах Крайнего Севера в последнее время разработан и запатентован принципиально новый возобновляемый источник тепловой энергии - ветротеплогенератор (ВТГ) [6], преобразующий кинетическую энергию ветра непосредственно в теплоту. Этот ветротеплогенератор состоит из ветродвигателя и механического нагревателя, в виде мешалки с лопастями, работающими по принципу центробежного регулятора (регулятора Уатта). Данное устройство [6] по эффективности использования кинетической энергии ветра примерно в два раза превышает известные технические решения, поэтому именно данное устройство [6] принято за ближайший аналог - в качестве прототипа заявленному нами техническому решению.

Вместе с тем указанный прототип, если его использовать для отопления и горячего водоснабжения рассредоточенных объектов, обладает существенным недостатком - значительными потерями тепловой энергии в теплосетях, при передаче ее от источника до потребителей в условиях вечной мерзлоты и низких температур атмосферного воздуха. Особенно этот недостаток становится существенным для крупных объектов, когда длина трубопроводов с горячей водой системы теплоснабжения исчисляется сотнями метров.

Хуже того, при кратковременном аварийном прекращении движения теплоносителя в трубах теплосети, вода в считаные минуты замерзает, превращается в лед, разрывая трубы, надолго выводя систему теплоснабжения из строя. В отдаленных районах Крайнего Севера - это уже крупная катастрофа, с угрозой для жизни людей.

Для устранения данных недостатков прототипа предлагается тепловая ветроэнергетическая установка, представляющая собой систему - совокупность взаимосвязанных технических объектов, объединенных единой целью и общим алгоритмом функционирования - для обогрева зданий и сооружений и обеспечения их горячей водой за счет кинетической энергии ветра с минимальными потерями.

Указанный технический результат достигается за счет отказа от теплосетей. Для этого заявленное устройство предлагается в виде ортогональной ветроэнергетической установки с электрическим синхронным генератором переменного тока и водогрейными электродными котлами, расположенными внутри обогреваемых зданий и сооружений. Передача энергии от синхронного генератора до водогрейных электродных котлов осуществляется посредством электрических кабелей. Для крупных объектов, с целью снижения потерь в электрической сети, следует применять трансформатор для повышения напряжения после генератора.

В заявленном техническом решении водогрейные электродные котлы, одновременно, вместе с системой автоматики, выполняют функцию регулятора, поддерживающего оптимальное значение быстроходности ветроколеса (ротора) ветродвигателя при разной скорости ветра, обеспечивая высокую эффективность преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, а в конечном счете - в теплоту. (В прототипе эту роль выполняет мешалка, работающая по принципу регулятора Уатта.)

Заявленное устройство работает следующим образом: ветер вращает ротор ветроэнергетической установки и находящийся у него на одной оси ротор электрического синхронного генератора, в статоре которого возникнет «некачественный» электрический ток (частота которого постоянно меняется в зависимости от скорости ветра), который, протекая по сопротивлениям электродных водяных котлов, превращается в теплоту. Следует особо подчеркнуть, что эффективность заявленного устройства не зависит от «качества» электрического тока, т.е от его частоты, а только от его количества (силы тока) [4, с. 117] Поэтому задача состоит в том, чтобы максимизировать количество теплоты W при переменной скорости ветра:

где i - сила тока,

r - сопротивление электродных водяных котлов,

t - время.

Как видно из формулы, мощность заявленного устройства не зависит от частоты тока. Она определяется скоростью ветра и мощностью ветродвигателя, эффективность последнего, как известно из теории ветроэнергетических установок [3, стр. 209], непосредственно зависит от быстроходности Z его ветроколеса, т.е. отношения окружной скорости конца лопастей ν_r и невозмущенной скорости набегающего потока u₀, т.е.:

Z=ν_r/u₀=Rω/u₀,

где ω - угловая скорость вращения колеса.

Оптимальная быстроходность ветроколеса определяют по формуле [3, стр. 214]:

Z₀≅4π/n,

где n - число лопастей ветроколеса.

Таким образом, наибольшего эффекта преобразования энергии ветра в теплоту можно достичь, если при любой скорости ветра u₀ окружная скорость ω ветродвигателя и ротора синхронного электрического генератора будет равна:

ω=Z₀u₀/R.

Таким образом, изменение скорости ветра требует соответствующего изменения числа оборотов ветродвигателя и электрического генератора, что достигается простым и эффективным способом: изменением сопротивления (числа и мощности) подключенных к генератору водогрейных электродных котлов (мощность каждого из них может регулироваться от 100 до 25% [5, стр. 314]).

Таким образом, заявленное устройство, как и прототип, позволяет увеличить выработку тепловой энергии за счет кинетической энергии ветра, приблизив эту выработку к максимальным возможным теоретическим значениям.

Например, увеличение скорости ветра с 2 до 6 м/с, т.е. в три раза, увеличивает энергию потока ветра в 27 раз. При скорости ветра u₀=25 м/с располагаемая энергия ветра P₀=10 кВт/м² [3, стр. 204].

Новым в заявленном изобретении является применение водогрейных электродных котлов, мощность которых автоматически регулируется в зависимости от скорости ветра, обеспечивая при этом оптимальное значение быстроходности ветроколеса (ротора) ветродвигателя.

Кроме того, в отличие от прототипа, в заявленном техническом решении для теплоснабжения различных объектов отпадает необходимость использования внешних водяных тепловых сетей, вместе с их недостатками: большими тепловыми потерями и крупными авариями при замерзании воды в трубах.

Одновременно предлагаемое техническое решение позволяет сохранить главное достоинство прототипа по сравнению с другими аналогами - такую же высокую эффективность преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, а также решить проблему аккумулирования энергии ветра для теплотехнических целей.

Новые признаки в совокупности позволяют существенно упростить ветротепловую установку, отказаться от дорогостоящих и ненадежных ее элементов: конического редуктора (мультипликатора), средств автоматики для поворота ротора в оптимальное положение (на ветер), и за счет этого повысить технико-экономические показатели (стоимость и надежность) предлагаемого устройства.

Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1, где изображен общий его вид сбоку.

Тепловая ветроэнергетическая установка состоит из ветродвигателя 1, на одной оси с которым расположен синхронный электрический генератор 2, связанный посредством электрических кабелей с электродными водогрейными котлами 3, которые в свою очередь связаны с накопителем тепловой энергии - утепленным резервуаром горячей воды 4 посредством труб и циркуляционного насоса 5.

Система отопления состоит из подающего и обратного трубопроводов с циркуляционным насосом 6, отопительными приборами 7 и автоматическими регуляторами температуры 8 воздуха в помещениях.

Система горячего водоснабжения состоит из подающего и обратного трубопроводов, циркуляционного насоса 9 и водоразборных кранов 10.

Для поддержания оптимального значения быстроходности ветроколеса ветродвигателя предусмотрены приборы автоматики: анемометр 11 для измерения скорости ветра, тахометр 12 для измерения скорости вращения ветроколеса ветродвигателя, автоматическое устройство 13 с магнитными пускателями 14 для регулирования потребляемой мощности (подключения и отключения) электродных котлов 3.

Тепловая ветроэнергетическая установка работает следующим образом. В момент ее включения скорость ветроколеса ветродвигателя 1 равна нулю. Электродные водогрейные котлы 3 отключены, нагрузка на синхронный электрический генератор 2 также равна нулю.

Таким образом, созданы все условия для раскрутки ветроколеса ветродвигателя 1. Колесо ветродвигателя начинает раскручиваться. Когда быстроходность ветроколеса достигает оптимального значения, автоматическое устройство 13 с помощью магнитных пускателей 14 включает первый электродный котел 3. По обмотке статора генератора 2 потечет электрический ток, создавая сопротивление вращению ветроколеса ветродвигателя 1. Если быстроходность ветроколеса ветродвигателя 1 продолжает увеличиваться и становится больше оптимального значения, при помощи приборов автоматики 13 включается следующий электродный котел 3, увеличивая сопротивление вращению ветроколеса ветродвигателя 1 и так далее, пока быстроходность ветроколеса не понизится до оптимального значения.

Если скорость ветра уменьшится, уменьшая скорость вращения ветроколеса ветродвигателя 1, при установившейся нагрузке электродных водогрейных котлов 3, то в этом случае автоматика 13 отключит один из работающих электродных водогрейных котлов 3. Нагрузка на ветроколесо ветродвигателя 1 уменьшится, а его скорость увеличится и так далее, пока снова быстроходность ветроколеса не достигнет оптимального значения.

Таким образом, предлагаемым возобновляемым источником тепловой энергии достигается максимальный коэффициент мощности, то есть наибольшая эффективность использования ветра, при разной его скорости.

При этом сила и частота тока, вырабатываемого электрическим синхронным генератором 2, будет постоянно меняться, в зависимости от скорости ветра, однако это для заявленного устройства не имеет принципиального значения. Важно другое - заявленное во всех случаях обеспечивает неизменно высокий конечный результат, недостижимый для известных устройств, применяющихся для выработки тепловой энергии из ветра. Для районов с климатическими условиями Крайнего Севера суммарный эффект от применения заявленного устройства за счет существенного снижения «северного завоза» может достигать около 7 миллиардов рублей в год.

Источники информации

1. Арсеньев Г.В. и др. Тепловое оборудование и тепловые сети. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 400 с.

2. Толмачев В.Н. А.В. Орлов, В.А. Булат. Эффективное использование энергии ветра в системах автономного энергообеспечения. - СПб.: ВИТУ, 2002 г. 202 с.

3. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1990. - 392 с.

4. Китаев Е.В., Гревцев Н.Ф. Курс общей электротехники. - М.: Высшая школа, 1965, 560 с.

5. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. - М.: Энергоатомиздат, 1989, 488 с.

6. Патент РФ №2231687 C1, 27.06.2004, МПК F03D 9/00 - прототип.

7. Патент РФ №2298688 C1, 10.05.2007, МПК F03D 9/02.

8. Патент РФ №2253040 C1, 27.05.2005, МПК F03D 9/00.

Изобретение относится к тепловой ветроэнергетической установке. Тепловая ветроэнергетическая установка содержит ветродвигатель, тепловой аккумулятор, систему отопления и горячего водоснабжения. Ветродвигатель снабжен электрическим синхронным генератором и запитанными от него посредством электрического кабеля водогрейными электродными котлами, анемометром и тахометром, посредством которых поддерживается оптимальная быстроходность ротора ветродвигателя при разной скорости ветра, путем регулирования мощности водогрейных электродных котлов. Изобретение направлено на повышение использования энергии ветра в широком диапазоне значений скорости ветра в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока. 1 ил.

Тепловая ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, тепловой аккумулятор, систему отопления и горячего водоснабжения, отличающаяся тем, что ветродвигатель снабжен электрическим синхронным генератором и запитанными от него посредством электрического кабеля водогрейными электродными котлами, анемометром и тахометром, посредством которых поддерживается оптимальная быстроходность ротора ветродвигателя при разной скорости ветра, путем регулирования мощности водогрейных электродных котлов.