RU2213255C1

RU2213255C1 - Method of and complex for conversion, accumulation and use of wind energy

Info

Publication number: RU2213255C1
Application number: RU2002102840/06A
Authority: RU
Inventors: В.В. Сидоров
Original assignee: Сидоров Владимир Вячеславович
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-09-27

Abstract

FIELD: wind power engineering. SUBSTANCE: according to proposed method, wind energy is converted into thermal energy by compressing. Air is compressed to 1-3 MPa, heat liberated at compression is accumulated in heat accumulator by melting of substances, air is again compressed to 5-10 MPa, liberated heat is accumulated and then compressed air is accumulated in constant-pressure pneumatic accumulator after which compressed air and heat are used as required. Described method is implemented by corresponding complex. EFFECT: reduced energy losses in process of utilization of wind energy, improved reliability and increased service life, simplified design and cut down cost of manufacture of set. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике и к способам преобразования, аккумулирования и использования ветровой энергии. The invention relates to wind energy and to methods for converting, storing and using wind energy.

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). A known method of converting wind energy into electrical energy using a high-speed wind turbine with a small number of blades (up to four) and a vertical axis of rotation (journal "Science and Life", 7, 1989, p. 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. The disadvantages of this method include the need to use a high-speed wind turbine and step-up gear, low quality of electricity due to the inconstancy of the wind in strength and time. To improve the characteristics of electricity, complex systems for controlling the wheel speed, voltage regulators in the windings of the generator and AC synchronizers are needed if the energy of several units is combined. The variability of the wind and the inconsistency of energy consumption during the day necessitates accumulation. It is difficult to accumulate electricity in large volumes. Inevitable losses lead to its appreciation. In addition, the batteries themselves are quite expensive and short-lived. All this complicates the design and increases the cost of the wind turbine and the generated electricity.

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. There is a method of accumulating electricity by converting it into compressed air energy (G. G. Olkhovsky. "Energy gas turbine units", Energoatomizdat, 1985, 285). The disadvantages of this method is that when energy is accumulated in this way, already generated electricity is used, which leads to unavoidable losses. When air is compressed, heat is generated, which is very difficult to return to the charge-discharge cycle, in addition, electricity is also lost in the windings of the electric motor that drives the compressor.

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. There is also a method of accumulating solar thermal energy by melting (journal "Science and Life", 3, 1974, p. 19 article "Accumulation by fusion"). The disadvantage of this method is the need to concentrate solar energy to obtain high temperatures, and the location of the heat accumulators on the earth's surface leads to unavoidable heat losses even with good thermal insulation and can be dangerous if the integrity of the body of the heat accumulator is violated.

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. The closest adopted for the prototype is a method of generating thermal energy using wind (Journal of Youth Technology, 3 1987, pp. 20 and 21, article "Vetro, Helio and others"). The disadvantages of this method are the accumulation of heat by heating a steel cylinder and the incomplete use of wind energy due to the lack of accumulation of compressed air.

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. The objective of the invention is to reduce energy losses in the process of conversion, accumulation and use of wind energy, increase the reliability and durability of a wind turbine, simplify and cheapen its equipment, reduce the cost of electricity and improve its quality.

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. The problem is solved in that in the method of converting wind energy into thermal energy by compressing air, accumulating heat and using it according to the invention, the air is compressed to 1-3 MPa. The released heat is accumulated in the underground heat accumulator by the method of melting substances. Then, the air cooled in the heat accumulator is compressed to 5-10 MPa, the newly released heat is accumulated in the heat accumulator, and the compressed air is accumulated in the underground constant pressure pneumatic accumulator, after which the compressed air and heat are used for their intended purpose.

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. A complex for converting, accumulating and using wind energy, including a wind wheel, a compressor, an air-water heat exchanger and heat consumers, according to the invention, consists of a high-torque feather wind turbine, a high pressure adiabatic compressor, a melting heat accumulator with heat transfer and removal heat exchangers, a moisture separator, constant pressure pneumatic accumulator, reservoir displacement capacity, heat and compressed air consumers.

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. The proposed method of converting, storing and using wind energy simplifies the process of converting to other types of energy, reduces the cost of the wind turbine and its equipment, does not require precise stabilization of the wheel speed, and a large torque is transmitted directly to the compressor and provides simultaneously two types of energy in the form of compressed air and heat. In addition, combined storage reduces energy loss during its production, storage, consumption and allows you to create a single system for the storage of wind and solar energy.

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. The patent studies did not reveal similar technical solutions, which allows us to conclude about the novelty and inventive step because this technical solution does not follow explicitly from the existing level of technology.

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. The drawing shows a complex that allows to implement the present invention, which consists of a pen turbine 1, thermally insulated air line 2, adiabatic high-pressure compressor 3, air filter 4, heat accumulator (TA) 5, heat exchangers 6a, b, 7, heat supply lines 8, heat consumers 9 (pneumo-thermal power plants, housing), a moisture separator 10, an expander 11, consumers of cold 12 (equipment for liquefying gases), an electric generator 13 for generating electricity directly at the place of its consumption, mon accumulator (PA) 14, secondary supply line 15, condensate discharge line 16, displacement line 17, displacement water reservoir 18, oxygen station 19, relief valve 20, safety valves 21, 22, generator 23 and 24 of a rotary air motor or turbine in a building wind turbines for the production of electricity directly at the place of receipt of wind energy.

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. TA is a reinforced concrete heat-insulated sealed container, with heat exchangers 6a, b placed in it for cooling the received air and heating the heat accumulator 7 for heat removal. The tank has several thermal levels filled with low-melting heat-accumulating materials with different melting points. This will make the battery more compact and efficient. Compressed by the first stage of compressor 3 to 1-3 MPa, air is supplied to TA 5 via a heat-insulated pneumatic highway 2. After passing through the entire volume of heat-accumulating material through heat exchanger 6a, air leaves heat in the accumulator and enters a moisture separator 10. Condensate is released in the cooled air, which is removed automatically through the relief valve 20 associated with the float, limiting the maximum level of condensate in the cavity of the dehumidifier.

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. Next, compressed air through line 15 enters the second stage of the compressor. After the second compression cycle to a pressure of 5-10 MPa, air again passes through the TA through the high pressure heat exchanger 6b and enters the PA 14 through the safety valve 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. PA is a container with a variable volume, where the pressure remains constant. A displacement line 17 was drawn to its lower point, connecting the PA with a ground reservoir-reservoir 18 with a volume slightly larger than the accumulator volume. The pressure of the water column at the lower point is approximately constant and equal to the air pressure in the battery. As the battery is filled with compressed air, water is displaced into the tank 18. Condensate is also discharged from the moisture separator along line 16. To prevent the discharge of compressed air into the reservoir when filling the battery at the entrance to the line 17, there is a safety float valve 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. As compressed air from PA is used, water replaces the vacated volume, thereby maintaining the necessary pressure. The safety valve 21 serves to protect the pneumatic system from the ingress of water from the PA with the full use of compressed air from it.

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. Heat is taken from the heat accumulator by supplying water or low-boiling liquid from below through the heat exchanger 7, the resulting steam is used in the Rankin cycle to generate electricity or heating and hot water supply 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. Also, for the production of electricity, compressed air can be supplied to the air motor 24, which drives the electric generator 23, and in the case of using accumulated energy, compressed air from PA 14 is sent to the expander 11, which also drives the electric generator.

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. In the expander, there is a decrease in temperature and partial liquefaction of air 12, which can be used to produce oxygen and associated gases 19. This will save energy currently spent on these needs.

Claims

1. A method of converting wind energy into thermal energy by compressing air, generating heat and using it by consumers, characterized in that the air is compressed to 1-3 MPa, the released heat is stored in the heat accumulator by the melting method, the air is re-compressed to 5-10 MPa, accumulated newly released heat, and then compressed air is accumulated in a constant pressure pneumatic accumulator, after which compressed air and heat are used for their intended purpose.

2. A complex for converting, accumulating and using wind energy, including a wind wheel, a compressor, an air-water heat exchanger of heat consumers, characterized in that it consists of a feather wind turbine with high torque, a high pressure adiabatic compressor, a melting heat accumulator, heat transfer and heat transfer heat exchangers , dehumidifier, constant pressure pneumatic accumulator, displacement reservoir capacity with a displacement line, heat and compressed air consumers.