Многоцелевая энергетическая система (МЭС)

Многоцелевая автоматизированная энергетическая система использования энергии ветра состоит из нескольких блоков: ветроуловитель; устройство преобразования энергии ветра - состоящее из турбины с рабочими лопатками аэродинамического профиля и электрогенератора; возможна установка дополнительных блоков для передачи энергии: блок управления и распределения электроэнергии, водяной теплообменник.

Основной функцией МЭС, является выработка электроэнергии из альтернативных источников - порыв ветра.

Принцип работы МЭС заключается в перехвате воздушных масс со всех сторон, и сосредоточение ветряной энергии в одной точке с ускорением потока воздуха посредством турбины и электрогенератора (ускорение происходит за счет сужения пропускного канала; ускорение происходит по теореме Вентури), остаточная энергия идет на повышение эффективности других систем, в которые может интегрироваться МЭС. Схема построения системы многократно увеличивает скорость ветрового потока в рабочей области системы, а также позволяет циклично использовать энергию потока ветра, расчет показателей приведен в Таблице 1.

Многоцелевая энергетическая система Фиг. 1 - автоматизированный комплекс, состоящий из основных блоков: ветроуловитель; устройство преобразования энергии ветра - состоящее из турбины и электрогенератора; устройство для передачи энергии в дополнительные блоки и интегрирования МЭС в другие системы.

Ветроуловитель Фиг. 2 - это стационарное устройство, способное захватывать воздушные массы в горизонтальной проекции на 360°. Преимущество ветроуловителя МЭС в том, что не нужно поворачивать агрегат при изменении направления воздушного потока, а также в возможности захватывать сторонние воздушные потоки, идущие одновременно с основным.

Основными элементами устройства преобразования энергии ветра являются турбина и электрогенератор устройство, преобразующее неэлектрические виды энергии (механическая), в электрическую энергию. Вначале идет преобразование кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию ротора, приводящую в движение вал турбины. Вал турбины соединен с валом электрогенератора. Механическая энергия далее преобразуется электрогенератором в электрическую. Устройство преобразования энергии ветра изображено на Фиг. 3 - представляет собой устройство преобразования энергии ветра в механическую энергию за счет рабочих лопаток, установленных в роторе. Ротор - подвижная часть лопаточной машины.

Высокая частота вращения турбины препятствует образованию низкочастотных инфразвуковых колебаний воздуха, таким образом, в системе снижен уровень шума. На Фиг. 4 изображена турбина устройства преобразования энергии ветра - лопаточная машина, в которой происходит преобразование кинетической энергии и/или внутренней энергии рабочего тела (пара, газа, воды) в механическую работу на валу. Струя рабочего тела воздействует на лопатки, закрепленные по окружности ротора, и приводит их в движение. (Техническая энциклопедия. М.: Государственное словарно-энциклопедическое издательство "Советская энциклопедия", 1934. - Т. 24). Ротор турбины пропускает через себя поток воздуха, выходящий из статора, и преобразовывает энергию воздуха в энергию вращения турбины. Ротор турбины - вращающаяся часть турбины, состоящая из дисков, лопаток и вала. Служит для преобразования кинетической и потенциальной энергии газового потока в механическую работу на валу турбины. Лопатки изменяют направление и скорость газового потока, создавая усилие в окружном направлении. Диск удерживает лопатки и передает от них это усилие валу.

Лопатки, как правило, закрепляются на диске с помощью замковых соединений.

Лопатка устройства преобразования энергии ветра схематично представлена на Фиг. 5. Высота лопатки выбирается из минимально возможной высоты, для обеспечения приемлемого втулочного диаметра, а также для уменьшения потребной подъемной силы на лопатках для получения требуемого момента на валу колеса. Малая высота лопатки позволяет, пренебречь изменением параметров потока по радиусу и выполнить лопатку без закрутки. Ширина лопатки влияет на количество лопаток и выбирается по типу конструкции.

Профиль лопатки обладает оптимальными аэродинамическими свойствами, его геометрические параметры приемлемыми для реализации устройства изменения угла установки лопатки, в частности максимальная толщина профиля при заданной ширине лопатки позволяет устанавливать лопатку на ось необходимого диаметра.

Угол установки лопатки Фиг. 6 обеспечивает требуемые условия обтекания профиля лопатки и требуемую подъемную силу Fp. Из-за вращения ротора турбины (вектор u), угол набегающего потока (вектор с) определяется по результирующей скорости (вектор υ) от ветра и скорости вращения колеса.

Расчет подъемной силы выполняется по формуле

С_у - коэффициент подъемной силы;

υ - скорость набегающего потока;

S - площадь лопатки;

Расчет позволяет вычислить мощность на валу турбины, которую он будет развивать, имея одну лопатку. Мощность обеспечивается скоростью вращения и силой Fп которая является проекцией подъемной силы профиля лопатки на ось, направленную в сторону вращения колеса, и обеспечивает крутящий момент.

Количество лопаток рассчитывается исходя из мощности, обеспечиваемой одной лопаткой и возможной мощности электрогенератора при данной скорости ветра с учетом коэффициента использования энергии ветра.

Расход остаточной энергии в дополнительные блоки и обеспечивает максимальное использование энергии ветрового потока. Большая часть энергии ветрового потока направляется на выработку электроэнергии, а оставшаяся часть на увеличения эффективности другой системы, где есть возможность использования воздушных масс для частичного компенсирования нагрузок основных комплектующих. При интеграции в системы вентиляции, остаточная кинетическая энергия ветрового потока на выходе из МЭС направляется в вентиляционную шахту для уменьшения расхода электроэнергии вентиляционных агрегатов. МЭС может использоваться для рекуперации тепла в здании через интеграцию в механическую вентиляцию.

При интеграции в насосные системы перекачки воды (автономные опреснители воды) механическая энергия с вала турбины предается на вал насосных агрегатов, что минимизирует затраты на энергопотребление (здесь система интеграции не имеет функции использования остаточной энергии ветра, а главная ее функция заключается в передачи механической энергии напрямую через вал турбины на вал насосных агрегатов, без необходимости промежуточного преобразования механической энергии в электрическую).

МЭС проектируются для присоединения к линии электропередачи энергосистемы (распределительные сети или сети с низшим классом напряжения). Для исключения перепадов напряжения применимы синхронные генераторы снижение напряжения и подключение к генераторам батарей-конденсаторов.

Отличительной чертой является минимальные ограничения на установку такой системы в жилых зонах и в зонах миграции птиц. Проект предназначен для реализации на крышах индивидуальных жилых домов, промышленных объектах, высотных зданий. Размеры МЭС могут быть спроектированы с учетом конструктивных особенностей любых зданий и сооружений.

Электроэнергия, полученная с помощью МЭС, идет на любые нужды предприятия или дома, избыточную электроэнергию (до 15 кВт) можно продавать на коммерческой основе.

Проектный срок службы: неподвижные компоненты МЭС спроектированы исходя из минимального срока службы 50 лет; динамические компоненты - 30 лет.