Состояние вопроса: Ключевой проблемой современной мировой энергетики является проблема аккумулирования электроэнергии. Производство атомной и тепловой электроэнергии наносит большой экологический ущерб населению и окружающей среде, часто случающиеся на АЭС и ТЭС аварии несут большую угрозу жизни и здоровью людей, живущих рядом с этими объектами. А развитие экологически чистой и безопасной солнечной и ветровой энергетики сдерживается несовпадением времени выработки электроэнергии и времени её потребления. Применяемые сейчас в промышленных масштабах гидроаккумулирующие электростанции имеют целый ряд недостатков, которые не позволяют существенно решить описанные выше проблемы. Эти обстоятельства требуют внедрения новых методов и способов аккумулирования электроэнергии. Для этих целей может быть использована рекуперационно-тепловая маховиковая воздушно-аккумулирующая электростанция (ВАЭС).

RECUPERATIVELY-THERMAL FLYWHEEL AIR-BATTERY POWER STATION

Введение

Ключевой проблемой современной мировой энергетики является проблема аккумулирования электроэнергии. Над решением проблемы аккумулирования электроэнергии работают много специалистов в разных странах. В качестве основных вариантов решения этой проблемы рассматриваются химические аккумуляторы, маховиковые накопители, сверхпроводниковые накопители, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), воздушно-аккумулирующие электростанций (ВАЭС).

Единственным масштабным промышленным способом аккумулирования электроэнергии сегодня являются гидроаккумулирующие электростанции. Но речные гидроресурсы ограничены и на сегодняшний день практически исчерпаны.

В отличие от гидроресурсов ресурсы воздуха на земле общедоступны и не ограничены. Однако два реализованных варианта ВАЭС в промышленных масштабах в США и Германии оказались ещё более неэкономичными по сравнению с ГАЭС, так как обратная выработка электроэнергии на них осуществлялась с помощью типовых газотурбинных установок с традиционным КПД в 28-32%. Таким образом в процессе аккумулирования энергии на данных ВАЭС терялось более 70% накапливаемой энергии. Небольшие ВАЭС баллонного типа существуют практически на всех действующих крупных электростанциях. Принцип их действия: за счёт внутренней электроэнергии электростанции компрессор закачивает воздух в баллон сжатого воздуха, увеличивая в нём давление. В последствии этот сжатый воздух используется в процессе пуска турбины в работу после остановки. ВАЭС баллонного типа тоже считаются неэкономичными, так как при работе компрессора и закачке воздуха в баллон теряется много энергии в виде тепла, излучаемого в окружающую среду.

1. Описание ВАЭС

Представляется, что главной ошибкой разработчиков проектов накопителей энергии является то, что они рассматривали каждый из вариантов накопителей в отдельности, и рассматривали создаваемую установку именно как накопитель энергии, а не как самостоятельную электростанцию.

В предлагаемом проекте рекуперационно-тепловой маховиковой воздушно-аккумулирующей электростанции (далее - рекуперационно-тепловая ВАЭС или просто ВАЭС) предусмотрено комплексное объединение воздушно-аккумулирующей электростанции баллонного типа, маховикового накопителя энергии, теплового аккумулятора электроэнергии, рекуперационно-тепловой электростанции в одном агрегате. Именно их комплексное объединение позволяет увеличить плюсы и сократить минусы каждого элемента.

Рекуперационно-тепловая ВАЭС типовой мощностью в 6 МВт должна размещаться непосредственно в местах потребления электроэнергии, то есть при промышленных предприятиях, животноводческих комплексах, трансформаторных подстанциях, больших общественных зданиях, а также при действующих электростанциях. Энергоустановка ВАЭС размещается в теплоизолирующей трубе высотой 200 м, диаметром основания 14 м, толщиной стен в 1 м (стены трубы - железобетон (стальная арматура, залитая легким бетоном (пенобетон, газобетон) с низкой теплопроводностью)). Сбоку к трубе ВАЭС примыкает нагревательная камера ВАЭС. Нагревательная камера ВАЭС располагается рядом с вентиляционным выходом предприятия-потребителя электроэнергии, либо рядом с иным источником тепла (теплого воздуха). Схематично ВАЭС изображена на Рис.1.

Внутреннее пространство трубы ВАЭС делится на 2 части: на напорную камеру в виде усечённого алюминиевого конуса (диаметр основания 14 м, высота 100 м, диаметр вершины (сопла напорной камеры) - 0,7 м) и вытяжную камеру, располагающуюся от высоты 100 до вершины трубы на высоте 200 м. Внутри напорной камеры размещаются 2 компрессора мощностью 1 МВт каждый и 14 баллонов сжатого воздуха (ресиверов), располагающихся парами, друг над другом в 7 этажей. Каждый ресивер соединяется патрубками с верхним ресивером и с центральной трубой системы ресиверов. Внутри патрубков находятся электронно-регулируемые клапаны давления. Верх трубы системы ресиверов выходит непосредственно к соплу напорной камеры.

Над выходом из сопла напорной камеры размещается энергоустановка ВАЭС, состоящая из алюминиевой турбины специальной формы с общим диаметром 9 м, ротора генератора, состоящего из 48 отдельных полюсов ротора с неодимовыми магнитами (полюса ротора соединяются с турбиной керамическими шпильками), двух статоров генератора [1], соединенных кронштейнами к крепёжным стойкам, прикреплённым к стенкам трубы, двух боковых магнитных подшипников и одного верхнего магнитного ограничителя. В энергоустановке ВАЭС нет вала и механических подшипников. В нерабочем состоянии турбина ВАЭС с прикреплённым к ней ротором лежит на опоре, прикреплённой к соплу напорной камеры и покрытой поролоном или мягкой резиной. Турбина ориентирована на приём давления воздуха снизу-вверх.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рядом с энергоустановкой располагается распределительное устройство (РУ), принимающее электроэнергию от обоих статоров, и распределяющий её по двум направлениям - на электронагреватель ВАЭС в нагревательной камере, либо на РУ на трансформаторной подстанции.

В нагревательной камере ВАЭС располагается электрический нагреватель ВАЭС, представляющий собой графитовую спираль, залитую расплавленным базальтом, находящуюся в кубе из огнеупорного материала (оксид магния). Кроме того, в зависимости от типа ВАЭС, в нагревательной камере может располагаться сосуд Дъюара с жидким воздухом и дополнительный неэлектрический нагреватель.

К трубе ВАЭС примыкает трансформаторная подстанция с тремя трансформаторами, один из которых преобразует напряжение генератора ВАЭС (10,5 кВ) в рабочее напряжение потребителя (220 или 380 В), второй преобразует напряжение генератора в напряжение подключенной общественной линии электропередач, третий трансформатор преобразует напряжение общественной линии электропередач в напряжение потребителя. В трансформаторной подстанции располагается РУ, распределяющее электроэнергию по следующим направлениям: на компрессоры ВАЭС, предприятию-потребителю электроэнергии и в общественную электросеть.

2. Принцип работы

За счёт внешней электроэнергии два компрессора закачивают воздух в систему ресиверов ВАЭС. Общая ёмкость системы ресиверов ВАЭС составляет 1120 м3 под давлением 14 бар. Воздух из двух верхних ресиверов через клапаны давления стравливается в центральную трубу и подаётся в сопло напорной камеры. Под действием давления воздуха алюминиевая турбина ВАЭС поднимается на нормативную высоту (5 см) и раскручивается в режиме ускорения до нормативной скорости в 125 об/мин. Строго вертикальный подъём и не замыкание ротора на статор обеспечивают два боковых магнитных подшипника. Не допускает подъёма турбины выше нормативного уровня верхний магнитный ограничитель. Выход на нормативный режим работы осуществляется за 6-10 секунд. После выхода турбины и ротора ВАЭС на нормативный режим работы уровень давления воздуха снижается до уровня поддерживающего давления в 7,6 бар.

Во время пуска энергоустановки ВАЭС вся вырабатываемая статорами генератора электроэнергия направляется на электрический нагреватель ВАЭС. После выхода турбины и ротора ВАЭС на нормативный режим работы электроэнергия отправляется на трансформаторную подстанцию и далее по следующим направлениям:

- 1/6 мощности (1 МВт) - на компрессор ВАЭС с целью восстановления истраченного на запуск ВАЭС запаса сжатого воздуха;

- 5/6 мощности (5 МВт) - предприятию-потребителю, либо в общественную сеть.

Компрессор ВАЭС мощностью 1 МВт, работая в нормативном режиме (производительность 200 м3/мин, давление 10,3 бар) где-то за 5-6 минут полностью восстановит весь истраченный при пуске установки ВАЭС запас сжатого воздуха и, при этом, обеспечит поддержание нормативного уровня рабочего давления в сопле ВАЭС.

Тепло, выделившееся в процессе работы компрессора, ресиверов, электронагревателя, трансформаторов ВАЭС нагреет окружающий воздух. Под действием силы тяги в трубе этот тёплый воздух поднимется вверх к соплу напорной камеры. За счёт притока этого тёплого воздуха по закону состояния идеального газа в сопле повыситься уровень давления воздуха. Но нам нельзя повышать уровень давления воздуха выше нормативной величины в 7,6 бар, поэтому автоматика ВАЭС пропорционально повышению давления воздуха от притока дополнительного теплого воздуха будет сокращать подачу в сопло напорной камеры сжатого воздуха из ресивера.

Предельная температура работы аппаратов ВАЭС составляет +150?C, так как выше этой температуры резко ухудшаются механические свойства основного материала аппаратов ВАЭС - алюминия. Рекуперация тепла, выделяемого при работе аппаратов ВАЭС по расчётам позволит увеличить температуру в напорной камере ВАЭС где-то на 10?C, при температуре окружающего воздуха от -40?C до +40?C у нас остаётся резерв для повышения температуры воздуха в диапазоне 100-180?C. Это тепло предлагается получить за счёт рекуперации бесплатного тепла, выбрасываемого сейчас вентиляцией потребителя в окружающую среду. То есть вентиляционные трубы потребителя направляются в нагревательную камеру ВАЭС, соответственно вентиляционный воздух под действием силы тяги в трубе высотой 200 м, проходя через нагревательную камеру попадает в сопло напорной камеры ВАЭС, увеличивая там давление, тем самым снижая потребность в дорогом давлении из ресивера.

На металлургических, цементных, химических предприятиях температура выбрасываемого в атмосферу воздуха составляет до +500?C. Использовать в ВАЭС воздух с такой температурой нельзя, поэтому предлагается его охлаждать до уровня +150?C посредством испарения жидкого воздуха из сосуда Дъюра, пропорционально повышая давление воздуха в нагревательной камере и далее в сопле напорной камеры. При использовании жидкого воздуха выходную мощность ВАЭС можно довести до 6 МВт, при этом компрессоры и ресиверы ВАЭС будут находится в резерве.

В ВАЭС создаётся впечатление, что 5 МВт электроэнергии образуются «ниоткуда». То есть генератор ВАЭС вырабатывает 6 МВт мощности, 1 МВт мы тратим на поддержание работы ВАЭС, а 5 МВт электроэнергии мы можем отправлять потребителям. Но никакого нарушения закона сохранения энергии здесь нет - в ВАЭС используется несколько источников энергии, и есть потери энергии на турбине (10%), на компрессоре (12%), от столкновений воздуха со стенками аппаратов и сооружений, есть потеря энергии вращения турбины на лобовое сопротивление воздуха и на преодоление торможения электромагнитного момента работы генератора. Но есть 7 непривычных для современных энергетиков источников энергии (энергия сжатого воздуха из ресиверов, энергия неодимовых магнитов, энергия инерции вращения турбины и ротора (маховик), энергия естественной силы тяги воздуха в трубе 200 м, тепло, выделяемое агрегатами ВАЭС, внешнее тепло вентиляции потребителя, энергия жидкого воздуха), которые полностью компенсируют эти потери и позволяют обеспечить работу генератора в плановом режиме.

Основным источником энергии в ВАЭС является кинетическая энергия маховика ВАЭС. Маховиком ВАЭС является турбина ВАЭС, ротор ВАЭС, внутренние части боковых магнитных подшипников и ограничителей. Общая масса маховика ВАЭС составляет 7 т. Радиус центра массы маховика - 2,3 м. Угловая скорость вращения - 13,08 рад/сек. Исходя из этих данных рассчитаны уровни подъёмной силы (68200 Н), центробежной силы инерции (2754963 Н), силы электромагнитного торможения работы генератора (249278 Н), и силы сопротивления воздуха (15631 Н). Рассчитан необходимый уровень пускового давления в 89 бар. при запуске за 1 сек и 20 бар при запуске за 7 сек, уровень рабочего поддерживающего давления в 7,6 бар, достаточный для преодоления сопротивления сил электромагнитного торможения и силы сопротивления воздуха. Функцию маховика турбина и ротор ВАЭС хорошо выполняют благодаря своей конструкции: турбина и ротор расположены вертикально, диаметр турбины и ротора увеличен до максимально возможно уровня, центр массы перенесён как можно дальше от центра к краям маховика, боковая толщина турбины и ротора максимально снижены для снижения сопротивления воздуха, механические подшипники заменены магнитными подшипниками, а снизу турбина опирается на сам поток воздуха.

Сегодняшние электростанции практически не используют силу инерции вращения турбины и ротора для производства электроэнергии потому что постоянно меняющаяся электрическая нагрузка потребителей требует постоянного изменения скорости вращения турбины, а в этом процессе сила инерции турбины мешает. Именно поэтому турбины и роторы ТЭС, АЭС, ГТУ размещают горизонтально и делают относительно маленького диаметра. При такой конструкции скоростью их вращения можно управлять, но их нельзя использовать в качестве маховика. Только в больших ГЭС конструктивно используется сила инерции турбины и ротора благодаря правильной конструкции - вертикальное расположение, большой диаметр центра массы.

В ВАЭС проблема постоянного изменения электрической нагрузки со стороны потребителей решена посредством использования электронагревателя в нагревательной камере. То есть лишняя электроэнергия, которая не находит в данный момент полезного спроса у потребителей, направляется на электронагреватель, который греет воздух в нагревательной камере. В ВАЭС этот тёплый воздух не выбрасывается в атмосферу, а под действием силы тяги через 10-12 сек (расстояние 100-120 м, скорость 10 м/сек) опять попадает на турбину и обеспечивает выработку электроэнергии. Таким образом, система генератор - электронагреватель - воздух - турбина в ВАЭС становится тепловым аккумулятором электроэнергии с потерями на уровне 30% на каждом цикле. Предлагаемый проект ВАЭС является объединением трёх накопителей энергии: 1. Воздушно-аккумулирующая электростанция баллонного типа; 2. Маховиковый накопитель; 3. Тепловой аккумулятор. Одновременно данный проект ВАЭС является рекуперационно-тепловой электростанцией, вырабатывающей дополнительную электроэнергию за счёт рекуперации бесплатного тепла, выбрасываемого сегодня потребителями в окружающую среду.

КПД турбины ВАЭС предлагаемой конструкции составляет около 90%, за основу данной конструкции турбины взята конструкция действующей турбины-детандера с КПД 93%. Принципиальное отличие турбины-детандера, от газовой или паровой турбины заключается в полностью закрытой задней стенке рабочего колеса турбины, здесь молекулам воздуха некуда деваться - все они совершают работу по вращению турбины

тепловой маховиковый аккумулирующий электростанция

Вывод

За счёт объединения в одной электростанции четырёх электростанций, использования максимально эффективных конструкционных решений, достигается высокий экономический эффект. Себестоимость производства либо хранения электроэнергии в данной ВАЭС составляет 0,4 рубля за 1 кВт·час. Капитальные затраты на строительство одной ВАЭС составляет около 250 миллионов рублей, или около 850$ на 1 кВт мощности. Срок окупаемости для среднего предприятия составляет 2 года.

ВАЭС работает в автоматическом режиме, контроль за её работой может осуществляться дистанционно, ремонт и замены вышедших из строя приборов и аппаратов осуществляется без отключения работы электростанции (все аппараты, которые могут выйти из строя (компрессор, клапаны в ресиверах и др.), продублированы, если один вышел из строя - автоматически включается в работу запасной). В ВАЭС нет топлива, нет отходов, нет угрозы катастрофической аварии (давление воздуха в 14 бар и температура в +150?C безопасны для окружающих).

Массовое строительство рекуперационно-тепловых ВАЭС позволяет эффективно решить существующие проблемы обеспечения жителей Земли дешёвой и чистой электроэнергией, в том числе в качестве автономных источников электроснабжения в населённых пунктах, отделенных от единой энергосистемы страны. Система ВАЭС обеспечит условие для максимально быстрого развития ветровой и солнечной энергетики, но, скорее не в виде существующих электростанций, а в виде ветровых и солнечных ВАЭС, у которых не будет проблем с хаотическим непредсказуемым характером выдаваемой электрической мощности.

Список литературы

1. R. Suhairi, R.N. Firdaus. Performance Characteristics of Non-Arc Double Stator Permanent Magnet Generator | Progress In Electromagnetics Research M, Vol. 53, 201-214, 2017 1

2. Минько С.М., Ташлыков А.А.. Воздушно-аккумулирующая электростанция» | Современная техника и технологии - Том 1, 98-102, 2017

Размещено на Allbest.ru