Комбинированные энергоустановки

Автономные энергоустановки мощностью от нескольких сотен ватт до нескольких сотен киловатт являются широко востребованными в различных секторах экономики и географических регионах России, где вне систем централизованного энергоснабжения проживает более 20 млн человек. Сегодня энергоснабжение автономных потребите­лей обеспечивается в основном с помощью бензиновых и дизель-ге­нераторов, эксплуатация которых сопряжена с большими затратами на периодический завоз топлива и обслуживание. Дополнительными негативными факторами использования таких установок выступают выбросы продуктов сгорания в окружающую среду и шум. Серьезной экологической проблемой является загрязнение окружающей среды топливными контейнерами.

В последнее время все более широкое применение находят ком­бинированные дизель-ветровые или дизель-фотоэлектрические автономные энергоустановки, использование в которых возобновляемых источников позволяет экономить органическое топливо. Для энергоснабжения прибрежных населенных пунктов наряду с солнечной и ветровой может быть использована и волновая энергия.

Первый вариант автономной системы тепло- и электроснабжения прибрежного поселка с использованием ВИЗ предусматривает установку в море волновых установок (ВлЭУ), а на берегу – ветроэнергоустановок (ВЭУ) и гелиоустановок (ГУ) (рис.9.28, а). В качестве дополнительных источников энергии в этом применяются электрокотельная (ЭК) и топливная котельная (ТК) [4].

Полученная от ВлЭУ и ВЭУ электроэнергия поступает в трансформаторно-аккумуляторную подстанцию (ТАП) и затем направляется в систему электроснабжения поселка и электрокотельную, где она применяется для подогрева воды, впоследствии используемой на отопление и горячее водоснабжение объектов. Во втором варианте предусматривается применение в море ветроволновых энергоустановок (ВВлЭУ), а на берегу – гелиоустановок (рис.9.28, б). В качестве дополнительных источников энергии в этом варианте для получения тепловой энергии используется топливная котельная (ТК), а для получения электроэнергии – дизель-электростанции (ДЭС). Применение в этой схеме ДЭС позволяет существенно сократить емкость дорогостоящих аккумуляторов электрической энергии. В качестве резервного топлива для ДЭС может использоваться не только дизельное топливо, но и сжиженный газ (пропан-бутан).

Следует также отметить, что применение комбинированных ВВлЭУ для энергоснабжения прибрежного поселка может привести к значительной экономии капитальных затрат за счет сокращения длины электрических кабелей и уменьшения достаточно большого расхода металла на энергоустановки каждого типа. Поэтому представляется весьма перспективнаым применение для энергоснабжения прибрежных объектов именно комбинированных ВВлЭУ.

Несколько таких ВвлЭУ мощностью 100-500 кВт могут обеспечить прибрежный поселок теплом и электроэнергией.

На рис. 9.29 изображена ВВлЭУ в разрезе ее надводной части, направления ветра и морской волны – совпадают. Основным приемником удара волн в этой энергоустановке служат упругие элементы, в частности, сильфоны и сильфокамеры. Усилие Р на сильфон может воздействовать как внутри его, так и снаружи. На принципе вытеснения из сильфона и сильфонных камер воздуха и его обратного перетекания после снятия силы Р и разработана эта установка, способная приоброзовать энергию волн в электрическую энергию. Установка работает следующим образом: понтоны 1 и 2 устанавливают на якорные связи вблизи берега. При совпадении направления ветра на установку и морских волн она вырабатывает максимальное количество, например, электрической энергии. Волна ударяется в сильфон 4, сжимает его в горизонтальом направлении и под днищем понтона воздействует на сильфонные камеры 5 и 24 с козырьками 25, также сжимает их вверх.

Рис. 9.28. Автономная система тепло- и электроснабжения прибрежного посёлка с использованием ВИЭ:

а) с использованием гелиоустановок, ветроэнергоустановок и волновых энергоустановок;

б) с использованием гелиоустановок и комбинированных ветроволновых энергоустановок;

ГУ – гелиоустановка; ВлЭУ – волновые энергоустановки; ВЭУ – ветровые энергоустановки; ВвлЭУ – ветроволновые энергоустановки; ЭК – электрокотельная; ТК – топливная котельная; ДЭС – дизельная электростанция; ТАГ – трасформаторно-аккумуляторная подстанция; БАТ – бак-аккумулятор теплоты; РРТ – резервуар для резервного топлива ТК; ЕРТ – ёмкость для резервного топлива ДЭС; 1 – электросеть; 2 – тепловая сеть; 3 – тепловые камеры; 4 – объекты теплоснабжения

Сильфон 3 также от удара волн сжимается на определенный объем. Давление воздуха Р внутри внутри понтонов при этом резко возрастает и открывается клапан 21, выпустив через себя излишнюю порцию воздуха в воздуховод 7. Поток воздуха приоткроет клапан 11 и устремится на лопости турбогенератора, приведя его в движение. Сильфон 4 и сильфоновые камеры 5 и 24 после воздействия волны принимают первоначальное положение, т.е. создают внутри понтонов 1 и 2 разряжения. Поскольку давления воздуха Р внутри понтонов будет меньше атмосферного, откроется клапан 22 и через воздуховод 14 пойдет поток воздуха и тем самым приведет в движение турбогенератор 16. При появлении и воздействии на понтоны 1 и 2 второй волны цикл повторяется.

Ветер со скоростью V при закрытом клапане 21 через раструб 9 и клапан 11 поступает в воздуховод 7, вращает турбогенератор 8 и через отверстие в колене 13 уходит наружу.

Рис. 9.29. Ветроволновая энергетическая установка:

1,2 – понтоны; 3,4 – сильфоны; 5, 24 – сильфонные камеры; 6, 15 – поворотные подшипники; 7, 14 – воздуховоды; 8, 16 – турбогенератор; 9, 18 – раструбы; 10 – цепочка; 11, 20, 21, 22 – клапаны; 12, 17 – оперения; 13 – колено; 18 – раструб; 19 – патрубок; 23 – плоская пружина; 25 – козырёк

Цепочка 10 придерживает клапан 11 в полуоткрытом состоянии и не дает ему полностью откинуться и перекрыть воздуховод 7. В воздуховод 14 ветер со скоростью V поступает через раструб 18, вращает турбогенератор 16 и через патрубок 19 и клапан 20 уходит наружу. При открытии клапана 22 поток воздуха устремится через раструб 18 и турбогенератор 16, а клапан 20 при этом будет закрыт из-за создавшегося разрежения в воздуховоде 14.

При изменении направления ветра оперения 12 и 17 развернут воздуховоды 7 и 14 раструбами 9 и 18 навстречу набегающему ветровому потоку и установка будет продолжать работать в прежнем режиме. Наличие на сильфонных камерах 5 и 24 козырьков 25 позволяет увеличить поверхность соприкосновения волны и тем самым увеличить усилия на сжатие сильфонных камер.

Предлагаемая ВВлЭУ позволяет при наличии ветра и (или) волн вырабатывать, электрическую энергию, которая может использоваться для нужд прибрежного поселка, буровых и нефтегазодобывающих установок и других потребителей.

На рисунке. 9.30, а представлена схеме получения тепловой энергии с применением солнечной энергии и водогрейного котла. Вода, нагретая в гелиоколлекторе поступает в водогрейный котёл 4, откуда направляется в систему горячего теплоснабжения.

Часть горячей воды из водогрейного котла 4 используется для подогрева холодной воды в рекуперативном теплообменнике 3. Циркуляция воды в системе горячего водоснабжения осуществляется за счет сетевого насоса б, а циркуляция воды в контуре водогрейного котла 4 и теплообменника 3 осуществляется за счет струйного насоса 5. За счет солнечной энергии расход топлива в водогрейном котле может быть уменьшен на 30–50 %.

Как видно из рис. 9.30, б, нагретая многоступенчатом гелиоколлекторе./вода, температура которой с помощью регулятора температуры 2 поддерживается в диапазоне 45 – 55 ^оС, поступает в контактный водонагреватель 3. Нагретая в контактном водонагревателе вода подается циркуляционным насосом 4 в теплообменник 5, в котором нагревает воду для системы горячего водоснабжения, и, охладившись, возвращается в водонагреватель. Нагретая в теплообменнике 5 водопроводная вода сетевым насосом подается в наружную теплосеть. За счет солнечной энергии расход топлива (природного газа) в контактном теплообменнике может быть уменьшен на 30 – 50%.

Следует отметить, что при работе контактного водонагревателя отходящие газы охлаждаются ниже точки росы. Такое глубокое охлаждение дает возможность использовать почти всю скрытую теплоту конденсации водяных паров, в результате чего эксплуатационный КПД контактного водонагревателя, установленного в системе горячего водоснабжения около 100 % считая по низшей теплоте сгорания, т.е. на 6 – 7 % больше, чем рекуперативном теплообменнике котельной. Кроме того, за счет улавливания части загрязняющих веществ дымовых газов в контактной камере их выбросы в атмосферу сокращаются.

На рисунке 9.31 приведены оригинальные варианты применения ГГТМГ в сочетании с ВЭУ и тепловыми насосами. Как видно из рисунка 9.31, а, нагретая в многоступенчатом гелиоколлекторе вода, температура которой с помощью регулятора температуры 2 поддерживает в диапазоне 45 – 55 ^оС, поступает в бак-аккумулятор 3. Из бака-аккумулятора вода, нагревшись с помощью теплоэлектронагревателя 5 до температуры 55–65 ^оС, поступает в систему горячего водоснабжения. Электроэнергия для теплоэлектронагревателя 5 вырабатывается с помощью ВЭУ4. Как видно из рисунка. 9.31, б нагретая в многоступенчатом гелиоколлекторе вода температура которой с помощью регулятора температуры 2 поддерживает в диапазоне 55–65 ^оС, поступает в бак-аккумулятор теплоты 3 для системы горячего водоснабжения. При необходимости может быть использован теплоэлектронагреватель 10.

Для получения горячей воды с температурой 85 – 95 ^оС, которая поступает в систему отопления, используется тепловой насос с компрессором 6, испарителем 5, помещенным в бак-аккумулятор теплоты 3 и конденсатором 7, помещенным в бак-аккумулятор 8, в котором расположен также и теплообменник 9 контура системы отопления. Привод поршневого компрессора 6 осуществляется за счет электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ 4.

Рис. 9.30. Варианты компоновки ГГТМГ с котельными:

а) оборудованными рекуперативными теплообменниками;

б) оборудованными контактными водонагревателями;

1 – многоступенчатый КСЭ; 2 – регулятор температуры; 3 – рекуперативный теплообменник; 4 – водогрейный котёл; 5 – струйный насос; 6 – сетевой насос; 7 – контактный водонагреватель; 8 – циркуляционный насос; 9 – бак-аккумулятор

Преимуществом этого варианта применения ГГТМГ выступает тот факт, что он позволяет более эффективно использовать ветровую энергию для превращения ее в тепловую не только с помощью теплоэлектронагревателя 5, имеющего КПД=1, но и с помощью теплового насоса с коэффициентом преобразования теплоты 3,7 – 6,0. В этом варианте возможно использование солнечной энергии не только для горячего водоснабжения, но и для отопления.

В настящее время наиболее актуальной задачей является создание автономных энергоустановок, работающих только на возобновляемых источниках энергии, среди которых солнечная и ветровая энергия наиболее универсальны и повсеместно доступны.

а) б)

Рис. 9.31. – Варианты применения ГГТМГ в сочетании с ВЭУ:

а) в сочетании с ВЭУ и электронагревателем; б) в сочетании с ВЭУ, электронагревателем и тепловом насосом: 1 – многоступенчатый КСЭ; 2 – регулятор температуры; 3 – бак-аккумулятор;

4 – ВЭУ; 5 – теплоэлектронагреватель; 6 – компрессор; 7 – испаритель; 8 – конденсатор;

9 – бак-аккумулятор теплоты; 10 – теплообменник контура системы отопления

Существенными недостатками солнечной и ветровой энергии являются относительно низкая плотность энергетических потоков (для солнечной энергии среднегодовая мощность не превышает 200 – 250 Вт/м², а для ветра (при средней скорости ветра 5-6 м/с) – менее 100 Вт/м², а также их нерегулярность и зависимость от сезонных и погодных условий.

В такой ситуации основная научно-техническая задача – создание эффективных автономных энергоустановок на основе солнечной и ветровой энергии. Как показывают отечественные и зарубежные исследования, применение в составе солнечно-ветровых установок водородных накопителей, представляющих собой комбинацию электролизера воды, аккумуляторов водорода и кислорода и батареи топливных элементов, обеспечивающих эффективное (практически без потерь) долгосрочное аккумулирование энергии, может обеспечить кардинальное решение указанной выше проблемы аккумулирования энергии и позволит создать полностью автономные экологически чистые автоматизированные солнечно-ветровые энергоустановки с высокими потребительскими качествами.

В состав рассматриваемой энергоустановки входят первичные источники энергии: фотоэлектрические преобразователи и ветроустановка, выработка энергии которыми, как правило, существенно не совпадает с графиками потребления энергии потребителем, который, в общем случае, нуждается в электроэнергии, в тепловой энергии, а также в ряде случаев,и в холоде. В этой ситуации ключевым компонентом автономной системы выступает система аккумулирования, преобразования и вторичной генерации энергии. Для обеспечения наиболее эффективного преобразования первичных видов энергии и удовлетворения нужд потребителя энергоустановка должна быть снабжена «умной» системой автоматического управления.

Выработка энергии фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП) и ветроустановкой сильно зависит от климатических условий эксплуатации установки. Мощность ФЭП изменяется во времени пропорционально облученности их рабочей поверхности солнечным излучением. Мощность ветроустановки на основном рабочем участке пропорциональна кубу скорости ветра. Поступление солнечного излучения на поверхность земли, так же как и скорость ветра, изменяются в зависимости от погодных условий, имеют ярко выраженные суточные и сезонные зависимости. Так, среднемесячный летний приход солнечного излучения в средних широтах в 4 – 5 раз превышает среднемесячное поступление в зимние месяцы.

Для краткосрочного аккумули­рования электроэнергии (до нескольких часов) в составе автономных энергоустановок используют электрохимические аккумуляторы. Однако их размеры, стоимость и надежность становятся, как правило, неприемлемыми при попытках построить систему аккумулирования долгосрочного хранения энергии. В этой ситуации включение в состав энергоустановки водородного накопителя энергии, представляющего собой комплекс из электролизера воды, ресиверов водорода и кислорода необходимой емкости, в которых газы хранятся под давлением, и батареи топливных элементов, оказывается привлекательным, поскольку такое техническое решение позволяет решить проблему долгосрочного хранения энергии практически без потерь.

Вместе с тем обеспечение большого ресурса работы топливных элементов и электролизеров требует стабилизации режимов потребления отбора мощности; их эксплуатация в маневренных режимах должна быть ограничена. В этой связи целесообразно создание комбинированных энергоустановок, в которых сочетаются различные источники электрической энергии, одни из которых ввиду их высокой энергоемкости (топливные элементы) можно рассматривать как источники энергии, а другие (например, аккумуляторные или конденсаторные накопители) – как источники мощности, обеспечивающие пиковые и переходные режимы потребления мощности нагрузкой. Согласовать режимы работы источников энергии и мощности можно с помощью соответствующих электронных преобразователей.

Итак, разработка полностью автономной эффективной энергоустановки, использующей в качестве первичных источников энергии солнечную и ветровую энергию, связана с поиском и обоснованием ее оптимальной конфигурации и состава с учетом реальных климатических условий эксплуатации, характеристик используемого оборудования, а также особенностей потребителя, включая ожидаемые переменные графики потребления энергии. Критерием оптимальности должна быть минимальная стоимость энергоустановки при гарантированном энергообеспечении потребителя.

Специальными исследованиями О.С. Попеля [5] установлено, что применение солнечных и ветровых установок в качестве первичных источников энергии позволяет создать полностью автономные энергоустановки, обеспечивающие в различных климатических условиях гарантированное круглогодичное покрытие электрических нагрузок, по крайней мере, небольших потребителей. Наиболее эффективными представляются гибридные установки, оптимально (в зависимости от климатических условий) сочетающие солнечные и ветровые установки и источники энергии. Проблемы, связанные с чрезмерно большими аккумуляторами энергии на базе электрохимических батарей, принципиально могут быть решены за счет применения комбинированных энергоустановок с водородными накопителями, обеспечивающими долгосрочное аккумулирование энергии и карди­нальное снижение потребной ем­кости аккумуляторных батарей.