Если отсутствует тепловая станция, а мы все же хотим получить от ветроэлектростанции или от ветросиловой установки полное обеспечение потребителей, то должны снабдить установку каким-либо устройством, аккумулирующим энергию ветра в часы сильных ветров и отдающим эту энергию в часы безветрия.
Таким образом, непостоянство энергии ветра вызывает необходимость обязательного наличия аккумуляторов. Вот почему многочисленные предложения изобретателей относятся к различным аккумулирующим устройствам. Только при наличии дешевого и удобного в эксплуатации аккумулятора изолированные вётроустановки для выработки электроэнергии могут успешно внедряться наравне с тепловыми и гидравлическими станциями.
По своему устройству аккумуляторы, которые предлагаются к использованию в ветроустановках, могут быть объединены в следующие группы:
- 1) механические (грузовые, пружинные и др.);
- 2) гидравлические;
- 3) пневматические;
- 4) электрические;
- 5) химические и
- 6) тепловые аккумуляторы.
К установкам с аккумуляторами можно отнести также и те ветроустановки, которые обеспечивают в период сильных ветров переработку какого-либо продукта впрок (например, переработку кормов в запас на животноводческих фермах), либо запасание воды в баках с тем, чтобы обеспечить хозяйство этими продуктами и водой на период безветрия.
Механические аккумуляторы
Механические аккумуляторы, как правило, представляют собой установки, использующие потенциальную энергию поднятого на некоторую высоту тела, потенциальную энергию сжатой пружины или кинетическую энергию быстровращающихся дисков (маховиков).
Общим недостатком, присущим механическим аккумуляторам, рассчитанным на длительное запасание энергии ветра (часы, сутки), является их громоздкость, большая металлоемкость и низкий к. п. д. Для запасания энергии даже на несколько минут некоторые из подобных аккумуляторов получаются весьма громоздкими и экономически невыгодными.
Например, И. А. Позинич предлагает устройство для аккумулирования энергии ветра, состоящее из нескольких зубчатых пар и двух цепных передач, передающих вращение от вала ветродвигателя к двум барабанам.
На барабаны, при их вращении от ветродвигателя, наматываются тросы, к концам которых прикреплены грузы.
Вращение барабанов от ветродвигателя и подъем грузов осуществляются поочередно, т. е. когда один барабан вращается от ветродвигателя и наматывает трос, другой барабан соединен с генератором и вращается за счет энергии опускающегося груза. Для того чтобы обеспечить равномерное вращение генератора, барабаны снабжены тормозными устройствами, препятствующими равноускоренному движению груза.
Конечно, такой аккумулятор не может обеспечить аккумулирования энергии ветра на длительное время работы ветроуста-новки, так как для этого потребовалось бы иметь очень большие грузы, поднимаемые на значительную высоту. Кроме того, конструкция аккумулятора весьма сложная.
Другим примером использования механического аккумулятора может служить «Ветросиловая электростанция с механическим аккумулятором» (предложение Ф. М. Фисун, авторская заявка № 12238). Автором предлагается ветроэлектрический агрегат мощностью 10 тыс. квт с механическим аккумулированием энергии ветра путем поднятия с помощью транспортера сыпучего балласта из специальной шахты, имеющейся под ветродвигателем. Песок поднимается в бункер, встроенный в опорную ферму ветродвигателя, и используется в специальном механическом двигателе с ковшевым колесом, вращающимся под действием балласта, падающего на ковш.
Посмотрим, какое же количество песка нужно поднять, чтобы обеспечить непрерывную работу ветроустановки с ветродвигателем Д-18, мощностью 25 квт, при односменной работе в течение года. )
Такая ветроустановка в течение года может выработать около 60 тыс. квтч энергии, т. е. поднять до 220 тыс. т. балласта на высоту 20 м. При этом нами принят к. п. д. транспортера, равный 0,5. Для полного обеспечения потребителей энергией в течение года при односменной работе и мощности установки 25 квт потребуется также около 60 тыс. квтч энергии. Таким образом, если учесть, что к. п. д. подобного механического аккумулятора будет не более 0,25, то получим, что необходимо в течение года поднять около 1 млн. т. песка с глубины 20 м и опустить его с помощью ковшевого двигателя. Отсюда видно, что для полной обеспеченности потребителей, мощность которых составляет 25 квт, необходимо установить четыре ветроустановки типа Д-18 с огромными бункерами и транспортерами.
Мы при этом совершенно не рассматривали того, как и за счет какой энергии будет производиться погрузка балласта на транспортер и подача балласта на ковши механического двигателя.
Из описанного ясна бесперспективность устройства подобных аккумуляторов.
К механическим аккумуляторам относится и описанный ранее инерционный аккумулятор системы А. Г. Уфимцева.
Такой аккумулятор, как правило, достаточно удобен в эксплуатации и экономичен для выравнивания кратковременных колебаний мощности вётроустановки, вызванных пульсациями скорости ветра. Однако он приобрел бы совершенно противоположные качества, если рекомендовать его для запасания энергии на длительное время.
Повышение емкости аккумулятора за счет увеличения его размеров и скорости вращения с тем, чтобы он обеспечивал отдачу энергии потребителю на периоды длительных затиший, приведет к тому, что к. п. д. ветроустановки сильно упадет, установка станет чрезвычайно громоздкой и практически непригодной для использования.
Механические аккумуляторы, несмотря на свою кажущуюся простоту, могут быть применены в тех случаях, когда нужно выравнять энергию ветра при ее кратковременных пульсациях. Таким образом, они могут быть использованы как буферные аккумуляторы и совершенно непригодны для аккумулирования энергии ветра на длительное время, т. е. как емкостные аккумуляторы.
Гидравлические аккумуляторы
Такие аккумуляторы представляют собой установки, которые обеспечивают аккумулирование энергии ветра в поднятой воде. Хотя гидравлические аккумуляторы чрезвычайно редки в предложениях изобретателей, мы кратко остановимся на их описании, так как такие типы аккумуляторов, на наш взгляд, в ряде случаев могут быть весьма перспективными.
Ветроустановки с гидроаккумулированием могут быть выполнены по следующим схемам:
- 1. ВЭС работает на нагрузку потребителя, а избыточная энергия расходуется для перекачивания воды либо из нижнего водоема в специальный верхний водоем, либо из нижнего бьефа плотины гидростанции в верхний. В периоды безветрия или при недостатке энергии на ВЭС энергия поднятой воды превращается в электрическую на турбинах ГЭС. Так обеспечивается покрытие части нагрузки.
- 2. Ветроэлектрическая станция все время работает на насосные агрегаты, подающие воду из одного бассейна в другой, расположенный выше. На энергии поднятой воды работает ГЭС, обеспечивающая нагрузку потребителей.
- 3. В ветрооросительных установках вода с помощью насосов, приводимых от ветродвигателя, подается в специальные искусственные или естественные водоемы, откуда она самотеком расходуется для нужд орошения и обводнения.
В зимних условиях ветронасосная установка работает на подледное нагнетание воды в водоем или же обеспечивает создание наледей. Создание наледей, т. е. участков намороженного льда, дает возможность не только сократить расходы на сооружение бассейнов, но и использовать соленые воды, избегнув при этом засоления почвы, так как орошение можно вести водой, опресненной путем ее замораживания. Следует, однако, не забывать, что к. п. д. наледей относительно невысок, так как имеют место большие потери влаги вследствие испарений, фильтрации воды и других причин.
Схема ветроустановки с гидроаккумулированием приводится на рисунке 90.
Рис. 90. План сооружений гидроаккумулирующей станции:
1 — верхний бассейн, 2 — нижний бассейн, 3— затвор водоприемника, 4 — напорный трубопровод, 5 — здание ГЭС, б — здание насосной станции, 7 — ВЭС, 8 — линия электропередачи.
Н. В. Красовским предложены ветроэлектрические станции, работающие совместно с каскадом ГЭС (рис. 91), расположенным на одной реке и имеющим аккумулирующие бассейны с месячным или сезонным регулированием стока. Проведенные им расчеты показывают, что подобные станции могут быть весьма эффективными.
К установкам с гидроаккумулированием можно отнести также ВЭС, работающие параллельно с ГЭС. В последнем случае наличие автоматических регуляторов на турбинах ГЭС позволяет экономить воду при работе ветростанции, воспринимающей на себя часть нагрузки и разгружающей гидростанцию. Совместная работа ВЭС и ГЭС дает возможность повысить установленную мощность станции при неизменном стоке реки или же повысить обеспеченность графика нагрузки ГЭС при неизменной ее мощности.
Рис. 91 - Схема работы ВЭС совместно с каскадом ГЭС
К недостаткам ВЭС с гидроаккумулированием следует отнести необходимость значительных капиталовложений на сооружение верхних и нижних бассейнов, насосных станций, а в ряде случаев и специальных ГЭС. Водоемы же при небольших напорах получаются сравнительно больших объемов.
Большое значение имеют гидрогеологические и топографические условия района сооружения гидроаккумулирующих станций. С увеличением напора необходимая емкость аккумулирующих бассейнов и величина расхода воды соответственно уменьшается. Например, гористая местность с крутыми склонами, обеспечивав ющая получение больших напоров при коротких трубопроводах, является наиболее подходящей по экономическим условиям для сооружения гидроаккумулирующих установок. Однако при этом нельзя забывать, что необходимыми условиями является наличие хороших ветровых условий в районе и удобное расположение ветродвигателей.
Так как таких районов весьма немного и они, как правило, удалены от сельскохозяйственных потребителей, то ВЭС с гидроаккумулированием не нашли до настоящего времени распространения и их работа не проверена опытом.
Что касается гидроаккумулирующих станций для целей орошения и обводнения, то здесь роль рельефа местности не столь важна, а затраты на сооружение бассейнов могут быть уменьшены, если создавать их путем обваловки участка, возвышающегося над окружающей местностью.
В. А. Иельский (авторская заявка № 8143) предлагает использовать водохранилище, расположенное вблизи моря или другого большого водоема, и имеющего отметку дна на 100 — 200 м ниже уровня этого водоема. Разность уровней моря и водохранилища используется гидроэлектростанцией, причем водохранилище является нижним бьефом ГЭС.
Компенсация притока воды в водохранилище через ГЭС, необходимая для сохранения разности уровней, достигается искусственной откачкой воды через ближайший водораздел при небольших напорах, для чего требуются относительно меньшие мощности, чем для насосной установки обычного гидроаккумулятора. Перекачка ведется ветронасосными установками.
Для использования этих установок необходимо определенное сочетание географических, топографических и гидрогеологических условий. Такое сочетание может быть, как правило, в более ограниченном числе районов, чем для обычных гидроаккумулирующих установок. Такие установки могут быть экономически выгодными лишь при больших мощностях, перерастающих потребности сельскохозяйственной энергетики.
Кроме того, следует помнить, что гидроаккумулирующие установки как с ветронасосными, так и с другими станциями имеют низкий к. п. д., обусловленный наличием в их схеме многих агрегатов, а также наличием испарения и фильтрации воды В водохранилищах.
Пневматические аккумуляторы
Пневматические аккумуляторы для ветросиловых установок представляют собой резервуары определенной емкости, в которые воздух нагнетается, как правило,, компрессорной установкой, приводимой от ветродвигателя. Воздух нагнетается под определенным давлением и затем расходуется на работу пневматического двигателя, вращающего рабочие машины. При этом в зависимости от схемы использования ветродвигателя он может быть загружен компрессором полностью или только частично. В последнем случае ветродвигатель отдает основную энергию через электрический генератор, а избыточную — через компрессор и пневматический аккумулятор. В первом случае мы будем иметь емкостный аккумулятор, обеспечивающий всю работу установки, а во втором случае—буферный пневматический аккумулятор, восполняющий только недостающую энергию в периоды провалов скорости ветра.
Рассмотрим «Ветросиловую установку с пневматическим буферным аккумулятором», предложенную Е. М. Фатеевым и Г. А. Печковским (авторская заявка № 10244).
Ветродвигатель работает через муфту свободного хода 10 на компрессор, снабженный регулятором давления. Сжатый компрессором воздух подается в баллоны, где и аккумулируется под давлением до 60 атмосфер.
Очень часто встречаются такие предложения, как, например, ветрокомпрессорная установка И. И. Величко. Автором предлагается использовать энергию ветра не за счет работы ветроколеса, а за счет превращения кинетической энергии ветра непо средственно в потенциальную энергию сжатого воздуха.
Раструб имеет возможность устанавливаться строго против ветра. В узком отверстии раструба поставлен обратный клапан, который может пропускать воздух в специальный трубопровод, служащий резервуаром, где сжатый воздух должен храниться и расходоваться по мере необходимости.
По мнению автора предложения, воздух поступает в раструб и через обратный клапан проникает в резервуар, где должен сжиматься последующими порциями воздуха, поступающего в раструб.
Предложение И. И. Величко по аккумулированию энергии ветра:
1 — обратный клапан, 2 — вентиль.
Для определения давления воздуха в трубопроводе воспользуемся уравнением Бернулли о непрерывности струи. Это уравнение — для сечений I—I и II— у II может быть написано:
Электровихревой котел Протопопова:
1 - генератор электрического тока, 2 — приводной вал, 3 — обмотки возбуждения генератора, 4— щетки, 5 — короткозамкнутая обмотка (кольцо), 6 — тепловая изоляция котла.
Таким образом, в генераторе электровихревого котла вся энергия, получаемая от ветродвигателя, превращается в тепло нагретого статора и окружающей его воды. Опыты показали, что электровихревой котел превращает в тепло более 95% всей энергии, подводимой к его рабочему валу.
Следовательно, вся энергия, отдаваемая ветродвигателем, переходит в тепловую энергию нагретой воды.
Предложение М. М. Валобуева
Подобное же предложение дает изобретатель Валобуев М. М., который предлагает № 13464) использовать обыкновенный центробежный насос в качестве преобразователя механической энергии, вырабатываемой ветродвигателем, в тепловую. В этом предложении центробежный насос вращается от ветродвигателя, а камера caмого насоса заполнена водой и соединена с заглушённым трубопроводом. Таким образом, насос осуществляет только перемешивание воды, почти ие сообщая ей кинетической энергии. При этом вся механическая работа ветродвигателя также должна превращаться в тепловую энергию нагретой воды (за исключением небольших потерь на трение и теплообмен).
Насколько же экономичны и целесообразны подобные установки?
Для ответа на этот вопрос сделаем простой расчет количества воды, которую может нагреть ветроустановка с ветродвигателем Д-18, работая круглый год.
Так как такая ветроустановка может выработать за год около 60 тыс. квтч энергии, то, используя всю энергию на нагрев воды с температуры +10°С до +80°С, мы можем в год обеспечить нагрев всего 740 т, или 740 куб. м воды, т. е. менее 2 куб. м в сутки.
Поскольку имеют место потери и в нагревателе и в термостатах, аккумулирующих теплую воду, то количество нагретой воды может быть принято равным примерно 1 куб. м в сутки, т. е. такая установка может обеспечить горячей водой ферму всего на 50 коров без учета отопления помещения. В то же время установка с ветродвигателем Д-18, работая с небольшим резервным приводом, может обеспечить полную механизацию приготовления кормов и подъема воды на ферме с поголовьем 300 голов крупного рогатого скота.
Отсюда ясно, что ветроустановки с тепловым аккумулированием могут быть использованы только там, где основным потребителем является потребитель тепловой энергии, а стоимость сооружения тепловых аккумуляторов не играет существенной роли.
Что же касается использования энергии, аккумулированной в виде нагретой воды, и воды, превращенной в пар, для целей повторного получения механической и электрической энергии, как это предлагается изобретателем И. Я. Шарлотт, то этот путь является весьма нерациональным и не может быть рекомендован ввиду крайне низкого к. п. д. подобных установок.
В ряде случаев использование установки с тепловым аккумулированием может быть более эффективным, если мы используем некоторые дополнительные термодинамические процессы.
Опыты показывают, что все элементы установки с водородным аккумулированием работают устойчиво, однако суммарный к. п. д. установки не превышает 5—6%.
Другим недостатком является и то, что установка сложна и взрывоопасна и вряд ли может быть рекомендована для применения в сельском хозяйстве на ближайшее время, потому что потребует не только создания специальных помещений, но и наличия высококвалифицированного обслуживающего персонала.
Заканчивая описание аккумулирующих устройств для ветроустановок, нельзя не сказать и об электрохимических аккумуляторах.
Электрохимические аккумуляторы, хотя и обладают достаточно высоким к. п. д., все же нашли применение только в малых ветроэлектрических агрегатах. Причина этого — высокая их стоимость и дефицитность, вследствие затраты большого количества цветных металлов (например, свинца), большой вес, необходимость высококвалифицированного обслуживания.
Большим неудобством является и то, что аккумулировать можно только энергию постоянного тока.
Из сказанного выше видно, что практически вопрос аккумулирования энергии ветра решен лишь частично в части буферного аккумулирования и совершенно не решен в части емкостного (многодневного и многочасового) аккумулирования энергии ветра. Здесь предоставлено широкое поле для деятельности изобретателей, задача которых состоит в отыскании простейших, дешевых и надежных методов аккумулирования энергии ветра.
Предлагаем посмотреть другие страницы сайта:
← Предложения по ветряным мельницам | Работа изобретателей по ветроэлектрическим агрегатам и станциям →
