RU2683056C1 - Устройство генерации электроэнергии с использованием пневмоаккумуляторов - Google Patents
Устройство генерации электроэнергии с использованием пневмоаккумуляторов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2683056C1 RU2683056C1 RU2018100145A RU2018100145A RU2683056C1 RU 2683056 C1 RU2683056 C1 RU 2683056C1 RU 2018100145 A RU2018100145 A RU 2018100145A RU 2018100145 A RU2018100145 A RU 2018100145A RU 2683056 C1 RU2683056 C1 RU 2683056C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- air
- wind tunnel
- inlet
- pipe
- nozzle
- Prior art date
Links
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 9
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 claims abstract description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 14
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 17
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 5
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
- F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
- Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Wind Motors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области энергетики. Устройство генерации электроэнергии с использованием пневмоаккумуляторов содержит электростанцию, подключенную к приводу воздушного компрессора с системой жидкостного охлаждения, выход компрессора подключен к пневмоаккумуляторам. Система жидкостного охлаждения содержит теплообменник, который через систему трубопроводов, содержащую насос, подключен к входу термостатированной емкости для хранения подогревающей жидкости, выход термостатированной емкости через насос подключен к теплообменнику подогревающей жидкости, расположенному на внешней поверхности сопла подачи сжатого воздуха в горизонтально расположенную аэродинамическую трубу, вход сопла соединен через центральный трубопровод с пневмоаккумуляторами, выход сопла расположен по оси симметрии входной части аэродинамической трубы, причем периферия входной части аэродинамической трубы соединена с атмосферой, а с другой стороны примыкает к смесительной камере, длина которой не менее чем в 10 раз превышает ее диаметр, на выходе смесительной камеры расположена решетка, представляющая собой ячеистую структуру из металлических полос, которая примыкает к рабочей части аэродинамической трубы, состоящей из последовательно установленных отрезков труб цилиндрической формы различного диаметра, соединенных конфузорами, причем внутри цилиндрических участков соосно с ними установлены по меньшей мере две осевые турбины, каждая из которых через редуктор подключена к своему электрогенератору, при этом на выходе аэродинамической трубы расположен диффузор, внутри которого находятся нагревательные элементы, подключенные к выходу одного из электрогенераторов, а перед диффузором расположена вакуумируемая емкость, вход которой через воздуховод с управляемым клапаном соединен с аэродинамической трубой, а выход вакуумируемой емкости подсоединен к вакуумному насосу. Изобретение направлено на повышение КПД и мощности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Устройство генерации электроэнергии с использованием пневмоаккумуляторов.
Изобретение относится к области энергетики, в частности к устройствам аккумулирования и генерации электроэнергии, использующим в своей работе накопители сжатого воздуха (пневмоаккумуляторы).
В последнее время в энергетике все большее внимание уделяется вопросам аккумулирования энергии. Это связано с тем, что режим работы энергосетей отличается значительной неравномерностью. В зимнее время за счет возрастания бытовой составляющей общая нагрузка энергосетей выше, чем летняя. А также в течение суток возможны перепады нагрузки в 2÷2,5 раза. Особенно актуальным вопрос аккумулирования энергии стал при расширении использования возобновляемых источников энергии, в частности, ветрогенераторов, выходная мощность которых не регулируется и зависит от силы ветра. Поэтому аккумуляторы энергии используют наиболее часто с ветрогенераторами.
Известна (RU, патент 2101562, опубл. 10.01.1998) ветровая аккумулирующая электростанция, содержащая несколько ветроэнергетических установок, каждая из которых включает ветродвигатель и кинематически связанный с ним компрессор, а также систему трубопроводов для подачи сжатого воздуха от ветроэнергетических установок к турбинам, кинематически связанным с электрическими генераторами. Кроме того, она снабжена маховиками с лопатками и дополнительными компрессорами, кинематически связанными с маховиками с использованием включаемых муфт сцепления, при этом система трубопроводов снабжена соплами для подачи сжатого воздуха на лопатки маховиков и турбин, а также задвижками и датчиками давления и частоты вращения для регулирования подачи сжатого воздуха на лопатки турбин и маховиков.
Основным недостатком данного устройства является то, что ветродвигатель кинематически связан с входным валом компрессора и передает ему крутящий момент с помощью трансмиссии. Соответственно, это снижает КПД устройства и сильно уменьшает диапазон работы ветроэнергетических установок, так как требуемую величину крутящего момента на компрессоре невозможно создать при малых скоростях ветра. Давление воздуха на выходе компрессора при малых скоростях ветра будет низким.
Известна (RU, патент 2611725, опубл. 27.02.2017) электрогенерирующая установка, содержащая средства генерации электроэнергии газотурбинного или паротурбинного типа, или средства генерации электроэнергии с комбинированным циклом, соединенные с генератором, или источники возобновляемой энергии, или комбинацию некоторых или всех упомянутых средств, которые предназначены для подключения к распределительной сети, и содержащая средства аккумулирования кинетической энергии и электроэнергии вместе со средствами для резервной генерации электроэнергии. Установка дополнительно включает также контроллер, выполненный с возможностью управления работой средств аккумулирования энергии и управления подключением средств аккумулирования энергии к упомянутым средствам генерации и к упомянутой сети, при этом контроллер осуществляет управление средствами аккумулирования энергии для предоставления активной или реактивной мощности упомянутой сети и вспомогательным системам установки на основе принятой информации, исходящей соответственно от сети, средств аккумулирования энергии, упомянутых средств генерации электроэнергии и оператора сети.
Недостатком известного технического решения следует признать то, что в основном в нем раскрыты средства автоматизированного управления генерирования электричества, а не сам процесс генерирования.
Кроме того, в данной установке используются механические аккумуляторы в виде быстро вращающихся маховиков. Эти устройства отличаются сложностью и большой стоимостью.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2583168, опубл. 10.05.2016) систему генерации электроэнергии на основе накопления и хранения энергии, использующую природную энергию, содержащую использующую природную энергию электростанцию на основе накопления энергии, причем указанная использующая природную энергию электростанция на основе накопления энергии содержит устройство сжатия воздуха для образования сжатого воздуха в качестве аккумулирующей энергию среды, причем устройство сжатия воздуха присоединено к устройству для хранения воздуха, используемому для хранения сжатого воздуха, а указанное устройство для хранения воздуха дополнительно присоединено к другим электростанциям для подачи энергии с целью стабильной генерации электроэнергии и регулировки компенсации пиковой нагрузки.
Известная система работает следующим образом.
Используют природную энергию для генерации электроэнергии, причем используют электростанцию, работающую на природной энергии, для генерации электроэнергии и приводят в действие устройство сжатия воздуха, а затем используют устройство сжатия воздуха для получения сжатого воздуха в качестве аккумулирующей энергию среды с последующим хранением сжатого воздуха в устройстве для хранения воздуха, причем затем сжатый воздух полагают основным источником движущей силы или вспомогательным источником движущей силы для других электростанций.
В качестве электростанции, работающая на природной энергии, может быть использована ветровая электростанция, или электростанция с воздуховодной шахтой.
В некоторых вариантах реализации указанная использующая природную энергию электростанция с воздуховодной шахтой генерирует электроэнергию посредством своего ветрового генератора для приведения в действие воздушного компрессора, а сжатый воздух хранят в резервуаре для хранения воздуха, причем указанный резервуар для хранения воздуха присоединен к другой, по меньшей мере, одной электростанции и подает сжатый воздух к электростанции в качестве основного источника движущей энергии или в качестве энергии для регулирования компенсации пиковой нагрузки.
В предпочтительном примере осуществления этого изобретения предложена использующая объединенную энергию электростанция, содержащая компрессор, электрически связанный с природной электростанций, воздуховодную шахту, которая перпендикулярна земле и на основании которой установлено несколько подводящих каналов, камеру для предварительного нагрева солнечным излучением, нижняя поверхность которой расположена на одном уровне с нижней поверхностью воздуховодной шахты, верхняя поверхность которой расположена выше указанных подводящих каналов, окружающих указанное основание, по меньшей мере, один ветровой генератор с воздушным приводным устройством, установленный в суженной части воздуховодной шахты, причем указанная камера для предварительного нагрева солнечным излучением содержит тепловой коллектор и оптический коллектор, который собирает солнечный свет к тепловому коллектору, устройство регулировки пиковой нагрузки, содержащее электрический воздушный компрессор, устройство зарядки и разрядки, и устройство управления распределением энергии, присоединенные к указанному ветровому генератору, причем воздушный компрессор присоединен к группе резервуаров для хранения воздуха (пневмоаккумуляторам) посредством трубопровода, отверстия для впуска воздуха, соответствующие указанным подводящим каналам, выполнены вокруг указанной камеры для предварительного нагрева солнечным излучением, связаны с указанными подводящими каналами через основной ветровой канал и дополнительно снабжены вентиляторами, сжимающими и подающими воздух в камеру для предварительного нагрева солнечным излучением.
По сути, в известном техническом решении электроэнергия, вырабатываемая на природных электростанциях, таких как гидроэлектростанция, ветроэлектростанция, солнечная электростанция, электростанция, использующая энергию приливов и отливов и прочие, используется для работы компрессора, который сжимает воздух до давления 120÷180 атмосфер и закачивает его в резервуары для хранения воздуха. По мере необходимости, эти резервуары подключаются с помощью трубопроводов к стоящей вертикально воздуховодной шахте, в суженной части которой стоит турбина ветрогенератора, вырабатывающая электроэнергию в сеть потребителям. Перед поступлением в воздуховодную шахту воздух предварительно нагревается.
Недостатком этого изобретения является то, что воздушный поток, поступая из резервуара в вертикально стоящую воздуховодную шахту, значительную часть своей кинетической энергии расходует не на вращение турбины ветрогенератора, а на совершение работы по подъему собственного веса на высоту воздуховодной шахты. Это приводит к уменьшению КПД установки. Кроме того, использование ветрогенератора в качестве генерирующей электростанции приводит к большому расходу воздуха из пневмоаккумуляторов. Поэтому построение системы хранения энергии большой емкости, которая могла бы генерировать энергию на протяжении нескольких часов, требует наличия большого количества резервуаров для хранения сжатого воздуха. Это приводит к увеличению стоимости хранения энергии.
Техническая задача, решаемая использованием настоящего изобретения, состоит в уменьшении стоимости хранения энергии, увеличении КПД и мощности генератора, использующего кинетическую энергию воздушного потока.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в упрощении конструкции за счет уменьшения количества резервуаров для хранения сжатого воздуха за счет увеличения воздушного потока при работе в аэродинамической трубе, которая выполняет роль эжектора, что, в свою очередь, приводит к уменьшению стоимости хранения энергии.
Также технический результат заключается в использовании в генераторе N осевых турбин, каждая из которых связана со своим электрогенератором, причем воздушный поток перед поступлением на лопатки очередной турбины подвергается дополнительному разгону на промежуточных участках аэродинамической трубы с переменным диаметром. В результате увеличивается мощность и КПД устройства.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать устройство для хранения и генерации электроэнергии разработанной конструкции. Разработанное устройство генерации электроэнергии с использованием пневмоаккумуляторов содержит электростанцию, подключенную к приводу воздушного компрессора с системой жидкостного охлаждения, а выход компрессора подключен к пневмоаккумуляторам. Система жидкостного охлаждения содержит теплообменник, который через систему трубопроводов, содержащую насос, подключен к входу термостатированной емкости для хранения подогревающей жидкости, а выход термостатированной емкости через насос подключен к теплообменнику подогревающей жидкости, расположенному на внешней поверхности сопла подачи сжатого воздуха в горизонтально расположенную аэродинамическую трубу, вход сопла соединен через центральный трубопровод с пневмоаккумуляторами, выход сопла расположен по оси симметрии входной части аэродинамической трубы, причем периферия входной части аэродинамической трубы соединена с атмосферой, а с другой стороны примыкает к смесительной камере, длина которой не менее чем в 10 раз превышает ее диаметр, а на выходе смесительной камеры расположена решетка, представляющая собой ячеистую структуру из металлических полос, которая примыкает к рабочей части аэродинамической трубы, состоящей их последовательно установленных отрезков труб цилиндрической формы различного диаметра, соединенных конфузорами, причем внутри цилиндрических участков соосно с ними установлены, по меньшей мере, две осевых турбины, каждая из которых через редуктор подключена к своему электрогенератору, причем на выходе аэродинамической трубы расположен диффузор, внутри которого находятся нагревательные элементы, подключенные к выходу одного из электрогенераторов, а перед диффузором расположена вакуумируемая емкость, вход которой через воздуховод с управляемым клапаном соединен с аэродинамической трубой, а выход вакуумируемой емкости подсоединен к вакуумному насосу. Предпочтительно, все трубопроводы снабжены управляемыми клапанами.
Как отмечено ранее, разработанное устройство содержит электростанцию, к которой подключен воздушный компрессор с системой жидкостного охлаждения. Выход компрессора через систему трубопроводов соединен с резервуарами для хранения сжатого воздуха (пневмоаккумуляторами). Каждый из резервуаров подключается к компрессору в нужный момент путем открытия управляемого клапана. Жидкостная система охлаждения компрессора замыкается на теплообменник, который нагревает аккумулирующую тепло жидкость. Эта жидкость через систему трубопроводов с использованием насоса закачивается на хранение в термостатированную емкость.
Поступление жидкости в термостатированную емкость и извлечение из нее регулируется управляемыми клапанами. В нужный момент подача горячей жидкости для подогрева сжатого воздуха в сопле обеспечивается насосом через систему трубопроводов.
В отличие от прототипа, турбины генератора установлены в горизонтально расположенной аэродинамической трубе. Причем во входной части трубы расположены сопло, а периферия входной части аэродинамической трубы соединена с атмосферой, ось симметрии сопла совпадает с осью симметрии аэродинамической трубы. Сопло через центральный трубопровод соединено с резервуарами для хранения сжатого воздуха и подключается к ним при открытии управляемых клапанов.
Сжатый воздух перед поступлением в аэродинамическую трубу подвергается подогреву в теплообменнике, распложенном вокруг сопла. Сжатый воздух из резервуаров смешивается с атмосферным воздухом в смесительной камере. Длина смесительной камеры должна не менее чем в 10 раз превышать ее диаметр.
Перед рабочей частью аэродинамической трубы после смесительной камеры расположена решетка, представляющая собой ячеистую структуру из металлических полос.
Аэродинамическая труба заканчивается диффузором.
Перед диффузором расположена вакуумная емкость, соединенная с выходной частью трубы с помощью воздуховода, открывающегося через управляемый клапан. Вакуумная емкость соединена с вакуумным насосом, который подключен к электростанции. Кроме того в диффузоре расположены нагревательные элементы, подключенные к одному из электрогенераторов.
В средней рабочей части аэродинамической трубы расположены турбины числом не менее двух. Предпочтительно турбины осевого типа и ось вращения турбин совпадает с осью симметрии аэродинамической трубы. Турбины через редукторы связаны каждая со своим электрогенератором. Каждая очередная турбина расположена в рабочей части аэродинамической трубы меньшего диаметра, по сравнению с предыдущей. Участки аэродинамической трубы разного диаметра соединены друг с другом конфузорами.
Количество турбин ограничено минимально возможным сечением аэродинамической трубы.
Аэродинамическая труба расположена на опорах.
На чертеже приведена конструкция разработанного устройства генерации электроэнергии с использованием пневмоаккумуляторов.
Устройство содержит электростанцию 1, воздушный компрессор 2, с системой жидкостного охлаждения 3, систему трубопроводов для сжатого воздуха 4, резервуары (пневмоаккумуляторы) для хранения сжатого воздуха 5, управляемые клапаны для сжатого воздуха 6, теплообменник 7, систему трубопроводов для подогревающей жидкости 8, насос для закачивания подогревающей жидкости 9, термостатированную емкость 10, управляемые клапаны в системе подачи подогревающей жидкости в емкость 11, управляемые клапаны в системе подачи подогревающей жидкости на сопло 12, насос для подачи подогревающей жидкости на сопло 13, систему трубопроводов для подачи подогревающей жидкости на сопло 14, рабочая часть аэродинамической трубы 15, входная часть аэродинамической трубы 16, сопло 17 для подачи сжатого воздуха в аэродинамическую трубу, центральный трубопровод 18, управляемый клапан центрального трубопровода 19, теплообменник подогрева сжатого воздуха 20, смесительную камеру 21, решетку, представляющую собой ячеистую структуру из металлических полос 22, диффузор 23, вакуумируемую емкость 24, воздуховод 25, управляемый клапан вакуумируемой емкости 26, вакуумный насос 27, нагревательные элементы 28, первый конфузор 29, первую турбину 30, редуктор первой турбины 31, первый электрогенератор 32, второй конфузор 33, вторую турбину 34, редуктор второй турбины 35, второй электрогенератор 36, N-ный конфузор 37, N-ную турбину 38, редуктор N-ной турбины 39, N-ный электрогенератор 40, опоры аэродинамической трубы 41.
Устройство работает следующим образом.
Электроэнергия, вырабатываемая электростанцией 1, предпочтительно электростанцией на возобновляемых источниках энергии, таких как, энергия ветра, солнечная энергия и другие, используется для работы воздушного компрессора 2 с системой жидкостного охлаждения 3. Компрессор сжимает воздух до требуемого давления и закачивает его в резервуары для хранения сжатого воздуха (пневмоаккумуляторы) 5 через, систему трубопроводов 4 поочередно при открывании управляемых клапанов 6.
Выделяемое при работе компрессора тепло отводится с помощью системы жидкостного охлаждения на теплообменник 7, который нагревает жидкостной теплоноситель в системе подогревающей жидкости. С помощью насоса 9 по системе трубопроводов 8 при открытых управляемых клапанах 11 нагретая жидкость поступает в термостатированную емкость 10, где и хранится до момента начала генерации электроэнергии.
После закачки требуемого количества сжатого воздуха в резервуары 5, управляемые клапаны 6 и 11 в трубопроводах закрываются.
При пиковых нагрузках электросетей для обеспечения электроэнергией потребителей, сжатый воздух, хранимый в резервуарах, используют как основной источник энергии для генератора. Сжатый воздух поочередно начинает поступать из резервуаров при открытии управляемых клапанов 6 и 19 через центральный трубопровод 18 на сопло 17. При этом одновременно открываются управляемые клапаны 12 и насос 13 через систему трубопроводов 14 подает подогревающую жидкость на теплообменник 20, расположенный вокруг сопла 17. Подогревающая жидкость отдает свое тепло сжатому воздуху, поступающему из резервуаров 5.
Сжатый воздух через сопло 17 поступает в аэродинамическую трубу. Периферия входной части аэродинамической трубы 16 соединена с атмосферой, а с другой стороны примыкает смесительной камере 21. Такое строение аэродинамической трубы позволяет ей выполнять функцию эжектора, что в свою очередь позволяет подать большое количество воздуха сравнительно невысокого давления за счет энергии небольшого количества воздуха высокого давления. Чем больше давление сжатого воздуха, тем большее количество атмосферного воздуха можно привести в движение с заданной скоростью. Передача энергии от одного потока к другому происходит путем их турбулентного смешивания.
Смешивание потоков происходит в смесительной камере 21. Для того, чтобы в ней успел закончиться процесс смешивания потоков, длина камеры должна быть не менее, чем в десять раз больше ее диаметра. На выходе смесительной камеры расположена решетка, представляющая собой ячеистую структуру из металлических полос 22, которая уменьшает турбулентность результирующего потока, полученного в результате смешивания высокоскоростного потока сжатого воздуха, поступающего из пневмоаккумуляторов, и атмосферного воздуха. Таким образом, использование эжекторной аэродинамической трубы позволяет не ограничиваться подачей на турбины генератора только сжатого воздуха, запасенного в пневмоаккумуляторах, а значительно увеличить расход воздушного потока за счет привлечения атмосферного воздуха. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить количество резервуаров для хранения сжатого воздуха и, тем самым, уменьшить стоимость хранения энергии.
Однако, в процессе смешивания происходит уменьшение кинетической энергии результирующего потока воздуха. Мощность воздушного потока, т.е. количество энергии, которое можно выработать, используя кинетическую энергию движения воздуха, определяется выражением [2]:
где q - плотность воздуха в кг/м3;
s - площадь сечения участка аэродинамической трубы в м2;
V - скорость движения воздуха в м/с.
Из формулы (1) следует, что мощность зависит от куба скорости движения воздушных масс. Поэтому, прежде чем войти в контакт с лопатками первой турбины 30, воздушные массы форсируют, т.е. разгоняют до скорости V, за счет сужения рабочей части аэродинамической трубы 15. Сужение делается плавно с использованием конусообразного первого конфузора 29.
Согласно уравнению Бернулли для горизонтального участка трубы [2]:
где q - плотность воздуха в кг/м3;
Vo - скорость движения воздуха на участке трубы с сечением S0 в м/с;
Рo - статическое давление воздуха на участке трубы с сечением S0 в н/м2;
V1 - скорость движения воздуха на участке трубы с сечением S1 в м/с;
P1 - статическое давление воздуха на участке трубы с сечением s1 в н/м2;
(q*Vo 2)/2 - динамическое давление или скоростной напор воздуха на участке трубы сечением So в н/м2.
Закон Бернулли гласит, что увеличение скорости воздуха (динамического давления) на участке трубы с меньшим сечением происходит за счет уменьшения статического давления, но в сумме статическое и динамическое давление на участках трубы с разным сечением составляют неизменную величину. Согласно уравнению неразрывности [2]:
где Sо - площадь сечения трубы на участке с большим диаметром в м2;
Vо - скорость воздуха на участке трубы с большим диаметром в м/с;
S1 - площадь сечения трубы на участке с меньшим диаметром в м2;
V1 - скорость воздуха на участке трубы с меньшим диаметром в м/с.
Тогда:
т.е. скорость воздуха увеличивается прямо пропорционально уменьшению площади сечения аэродинамической трубы.
Предварительно разогнавшись в конфузоре 29, воздух поступает на лопатки первой турбины 30. Турбина выполнена по схеме осевой авиационной турбины. Причем лопатки турбины расположены по периферии колеса, где они работают наиболее эффективно. Центральная часть турбины остается свободной для движения воздушных масс и создает минимальное сопротивление их движению. Турбина служит для преобразования кинетической энергии воздушных масс в крутящий момент, который с использованием редуктора 31 передается на генератор электрической энергии 32.
Проходя через лопатки турбины, воздух тормозится не полностью, а до скорости V11, так как максимальный коэффициент использования ветра, согласно критерию Бетца [1], [3], составляет величину 0,593.
Смешиваясь с воздухом, прошедшим через центральную часть турбины, воздух на выходе первой турбины будет иметь суммарную скорость V2 [4]:
где m2 - масса воздуха, прошедшего через лопатки турбины в кг;
V11 - скорость воздуха, прошедшего через лопатки турбины в м/с;
m1 - масса воздуха, прошедшего через центр турбины в кг;
V1 - скорость воздуха, прошедшего через центр турбины в м/с;
V2 - суммарная скорость всего воздуха после смешивания в м/с.
Далее воздушный поток опять разгоняется до начальной скорости V). Для этого сечение аэродинамической трубы с помощью второго конфузора 33 уменьшают до сечения S2. Так как после прохождения лопаток первой турбины 30 скорость воздушного потока на участке трубы с сечением S1 уменьшилась до V2, то имеем соотношение:
Отсюда следует:
Следовательно, сечение трубы надо уменьшить перед второй турбиной 34 в V2/V1 раз. После разгона воздуха на конфузоре 33, он поступает на лопатки второй осевой турбины 34, мощность на выходе которой будет в S1/S2 раз меньше, чем на первой. Вторая турбина 34 с использованием редуктора 35, приводит в движение генератор 36.
Так как кинетическая энергия воздушных масс на второй турбине также не полностью преобразовалась в крутящий момент генератора, то воздух на выходе второй турбины можно подать на вход третьей турбины, предварительно произведя форсирование через уменьшение сечения трубы. На третьей турбине мощность вырабатываемой электроэнергии будет, естественно, меньше чем на второй в S2/S3 раз, где S3 - сечение трубы на участке, где расположена третья турбина. Всю описанную выше процедуру можно повторить N раз до уменьшения сечения аэродинамической трубы в разумных пределах.
На последнем участке трубы будет расположен N-ый конфузор 37, N-ная турбина 38, N-ный редуктор 39 и N-ный электрогенератор 40.
Одновременно с открытием управляемого клапана центрального трубопровода 19, т.е. с подачей сжатого воздуха в аэродинамическую трубу, открывается управляемый клапан 26 вакуумной емкости.
В вакуумируемой емкости 24 предварительно с использованием вакуумного насоса 27 создается требуемое разрежение. Так как вакуумируемая емкость с использованием воздуховода 25 соединена с выходной частью аэродинамической трубы, то ее использование позволяет создать в аэродинамической трубе дополнительный перепад давления на начальном этапе работы устройства. Это положительным образом влияет на преодоление трения в подшипниках турбины, редуктора и электрогенератора, и обеспечивает более быстрый выход турбины на требуемую скорость вращения, т.е. выход на режим.
Для устранения аэродинамических шумов на выходе аэродинамической трубы расположен диффузор 23.
Для более устойчивой работы устройства в режиме генерации электроэнергии в диффузоре 23 расположены нагревательные элементы 28, которые запитываются от одного из электрогенераторов. Нагрев воздуха в диффузоре приводит к дополнительному перепаду давления в аэродинамической трубе и увеличению скорости воздушного потока.
Применение в предлагаемом устройстве эжектора позволяет увеличить расход воздушного потока за счет привлечения атмосферного воздуха, применение конфузоров позволяет форсировать воздушный поток, а использование турбин и, соответственно, электрогенераторов в количестве N штук позволяет более полно использовать кинетическую энергию воздушного потока в аэродинамической трубе.
Естественным результатом описанной выше схемы является увеличение мощности устройства, увеличение его КПД и уменьшение стоимости хранения энергии.
Устройство легко реализуемо на современном этапе развития науки и техники. В качестве электрогенератора можно использовать генератор любого типа: на постоянных магнитах, асинхронный, вентильный. Аэродинамическая труба устанавливается на фундаментных опорах любого типа с приваренными к ним при монтаже ложементами, обхватывающими трубу по внешнему диаметру. Аэродинамическая труба собирается из отрезков облегченных труб, сделанных из металла (например, алюминия) или пластика (например, поликарбоната) с минимальной шероховатостью по внутренней стороне для уменьшения трения при движении воздуха. Аэродинамическая труба крепится в ложементах при монтаже винтами. Отрезки труб соединяют встык и фиксируют стягивающими хомутами. Участки аэродинамической трубы, где расположены конфузоры, турбины и редукторы, делают из любого подходящего металла, например алюминия.
В качестве воздушного компрессора может использоваться любой компрессор с системой жидкостного охлаждения требуемой производительности.
Резервуары для хранения сжатого воздуха (пневмоаккумуляторы) представляют собой группу стальных резервуаров, количество которых превышает единицу, выдерживающих требуемое давление, и удовлетворяющих действующим в настоящее время гражданским стандартам на работающее под давлением оборудование.
Термостатированная емкость представляет собой резервуар требуемого объема, сделанный из металла или пластика, покрытый теплоизолирующим материалом.
В качестве управляемых клапанов можно использовать быстродействующие задвижки.
В качестве вакуумного насоса можно использовать насос любого типа: масляный диффузионный насос, турбомолекулярный насос, крионасос.
Список литературы
1. Betz. A, Introduktion to the theory of Flon Machines (D.G. Rancall, Trans)
Oxford:PergamonPress, 1966.
2. "Проектирование и эксплуатация установок нетрадиционной и возобновляемой энергетики. Ветроэлектрические установки ". Санкт Петербург, издательство политехнического университета, 2011.
3. Энергия ветра и ее использование ветряными мельницами. Бетц книга, 1926, Германия.
4. Ветряные двигатели с самоустанавливающимися лопастями. Сабинин Г.X. Труды ЦАГИ, выпуск 32, 1927.
Claims (2)
1. Устройство генерации электроэнергии с использованием пневмоаккумуляторов, содержащее электростанцию, подключенную к приводу воздушного компрессора с системой жидкостного охлаждения, выход компрессора подключен к пневмоаккумуляторам, отличающееся тем, что система жидкостного охлаждения содержит теплообменник, который через систему трубопроводов, содержащую насос, подключен к входу термостатированной емкости для хранения подогревающей жидкости, выход термостатированной емкости через насос подключен к теплообменнику подогревающей жидкости, расположенному на внешней поверхности сопла подачи сжатого воздуха в горизонтально расположенную аэродинамическую трубу, вход сопла соединен через центральный трубопровод с пневмоаккумуляторами, выход сопла расположен по оси симметрии входной части аэродинамической трубы, причем периферия входной части аэродинамической трубы соединена с атмосферой, а с другой стороны примыкает к смесительной камере, длина которой не менее чем в 10 раз превышает ее диаметр, на выходе смесительной камеры расположена решетка, представляющая собой ячеистую структуру из металлических полос, которая примыкает к рабочей части аэродинамической трубы, состоящей из последовательно установленных отрезков труб цилиндрической формы различного диаметра, соединенных конфузорами, причем внутри цилиндрических участков соосно с ними установлены по меньшей мере две осевые турбины, каждая из которых через редуктор подключена к своему электрогенератору, при этом на выходе аэродинамической трубы расположен диффузор, внутри которого находятся нагревательные элементы, подключенные к выходу одного из электрогенераторов, а перед диффузором расположена вакуумируемая емкость, вход которой через воздуховод с управляемым клапаном соединен с аэродинамической трубой, а выход вакуумируемой емкости подсоединен к вакуумному насосу.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что все трубопроводы снабжены управляемыми клапанами.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018100145A RU2683056C1 (ru) | 2018-01-09 | 2018-01-09 | Устройство генерации электроэнергии с использованием пневмоаккумуляторов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018100145A RU2683056C1 (ru) | 2018-01-09 | 2018-01-09 | Устройство генерации электроэнергии с использованием пневмоаккумуляторов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2683056C1 true RU2683056C1 (ru) | 2019-03-26 |
Family
ID=65858801
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018100145A RU2683056C1 (ru) | 2018-01-09 | 2018-01-09 | Устройство генерации электроэнергии с использованием пневмоаккумуляторов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2683056C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2761706C1 (ru) * | 2021-03-18 | 2021-12-13 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) | Способ повышения коэффициента установленной мощности ветроэлектрической станции |
| CN114508387A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-05-17 | 严强 | 一种压缩气体管道发电装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4106294A (en) * | 1977-02-02 | 1978-08-15 | Julius Czaja | Thermodynamic process and latent heat engine |
| RU2162546C1 (ru) * | 1999-06-07 | 2001-01-27 | Чижиков Александр Арсентьевич | Ветроустановка вера |
| CN201751572U (zh) * | 2010-06-12 | 2011-02-23 | 国瑞和(北京)投资有限公司 | 风能储备恒稳发电设备 |
| RU148077U1 (ru) * | 2012-05-03 | 2014-11-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Устройство преобразования ветровой энергии в гибридной энергоустановке |
| RU2583168C2 (ru) * | 2011-09-14 | 2016-05-10 | Бейжин СянТянь Хуачуан Аэродинамик Форс Текнолоджи Рисерч Инститъют Кампани Лимитед | Способ генерации электроэнергии на основе накопления энергии, использующий природную энергию, и система генерации электроэнергии |
| RU2604971C2 (ru) * | 2011-04-14 | 2016-12-20 | Вальдемар ПИСКОЖ | Блок воздушных и пневматических устройств |
-
2018
- 2018-01-09 RU RU2018100145A patent/RU2683056C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4106294A (en) * | 1977-02-02 | 1978-08-15 | Julius Czaja | Thermodynamic process and latent heat engine |
| RU2162546C1 (ru) * | 1999-06-07 | 2001-01-27 | Чижиков Александр Арсентьевич | Ветроустановка вера |
| CN201751572U (zh) * | 2010-06-12 | 2011-02-23 | 国瑞和(北京)投资有限公司 | 风能储备恒稳发电设备 |
| RU2604971C2 (ru) * | 2011-04-14 | 2016-12-20 | Вальдемар ПИСКОЖ | Блок воздушных и пневматических устройств |
| RU2583168C2 (ru) * | 2011-09-14 | 2016-05-10 | Бейжин СянТянь Хуачуан Аэродинамик Форс Текнолоджи Рисерч Инститъют Кампани Лимитед | Способ генерации электроэнергии на основе накопления энергии, использующий природную энергию, и система генерации электроэнергии |
| RU148077U1 (ru) * | 2012-05-03 | 2014-11-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Устройство преобразования ветровой энергии в гибридной энергоустановке |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2761706C1 (ru) * | 2021-03-18 | 2021-12-13 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) | Способ повышения коэффициента установленной мощности ветроэлектрической станции |
| CN114508387A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-05-17 | 严强 | 一种压缩气体管道发电装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | Part-load performance analysis and comparison of supercritical CO2 Brayton cycles | |
| Fan et al. | Study on the application of energy storage system in offshore wind turbine with hydraulic transmission | |
| RU2583168C2 (ru) | Способ генерации электроэнергии на основе накопления энергии, использующий природную энергию, и система генерации электроэнергии | |
| Li et al. | Compressed air energy storage for offshore wind turbines | |
| US8347628B2 (en) | Power generation directly from compressed air for exploiting wind and solar power | |
| Saadat et al. | Modeling and control of a novel compressed air energy storage system for offshore wind turbine | |
| US20100171314A1 (en) | Vertically Oriented Wind Tower Generator | |
| US20120153632A1 (en) | Vertical axis wind turbine generator | |
| RU2683056C1 (ru) | Устройство генерации электроэнергии с использованием пневмоаккумуляторов | |
| RU2446362C2 (ru) | Способ и устройство получения электроэнергии | |
| Sindhuja | A proposal for implementation of wind energy harvesting system in trains | |
| CN103590981A (zh) | 利用拉伐尔喷管进行风力发电的方法及多组合电站系统 | |
| US10947957B1 (en) | Apparatus, system and method for utilizing kinetic energy to generate electricity | |
| Cao et al. | Numerical study on adiabatic compressed air energy storage system with only one ejector alongside final stage compression | |
| CN111608866B (zh) | 一种发电系统效率分析方法 | |
| CN203847329U (zh) | 人造飓风发电系统 | |
| CN104775987A (zh) | 综合利用自然能高效发电方法 | |
| CN104929775A (zh) | 一种空气能涡轮发电装置 | |
| US20040154299A1 (en) | Micro solar thermal power system | |
| Hippel et al. | Hydraulic-pneumatic energy storage in a wind turbine for enhancing the power system inertia | |
| Yang et al. | Review of innovative design and application of hydraulic compressed air energy storage technology | |
| RU2551145C1 (ru) | Способ получения энергии ветра и преобразования её в другие виды энергии и ветроэнергетическое устройство для его осуществления | |
| CN103925164A (zh) | 一种风力发电装置及方法 | |
| CN219492456U (zh) | 一种等压式液体循环浮力机组 | |
| UA151767U (uk) | Спосіб перетворення енергії вітру в електричну енергію |