Концепция ветрокомпрессорной установки для выработки и хранения энергии ветра

В статье были проанализированы действующие комбинированные установки: ветросолнечные, ветронасосные, ветродизельные и др., их преимущества и недостатки. Предложена схема автономного ветрокомпрессорного комплекса. Использование предложенной ветрокомпрессорной установки вместе с системами хранения сжатого воздуха повышает гибкость этих систем, понижает стоимость хранения энергии и является наиболее экологичным.

Ключевые слова : возобновляемые источники энергии, ветрокомпрессорная установка, ветроустановка, хранилище сжатого воздуха.

Введение

Переход к «зелёной» энергетике, внедрение «зелёных» технологий — это растущий вектор глобальной экономики. Активный интерес к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) наблюдается не только в мировой экономике, но и в Казахстане. В Казахстане в 2020 году доля ВИЭ в общем энергобалансе достигла 3 %. Отрасль развивается достаточно динамично. В нашей стране огромный потенциал для развития ВИЭ, которому до сих пор не уделяется внимание. Имеются большие площади и резервы возобновляемой ветровой энергии, которые позволили бы диверсифицировать источники энергии, использовать ее для решения проблем водоснабжения в отдаленных сельских территориях [1].

Изучение проблем, имеющихся в сельскохозяйственной отрасли региона и всего Казахстана, выявило трудности со снабжением водой различных субъектов сельского хозяйства и животноводческой отрасли, особенно в отдаленных районах, не имеющих доступа к линиям электропередач [2].

Методы исследования

Для решения этой задачи коллектив авторов предлагает использовать ветрокомпрессорный комплекс для перекачки и подъёма воды из скважин с помощью энергии ветра.

Была предложена конструктивная схема ветрокомпрессорного комплекса и способы повышения его технико-экономической эффективности при использовании в различных погодных условиях. Для управления ветрокомпрессорным комплексом разрабатывается интеллектуальная автоматизированная система управления, которая позволит упростить работу с данной системой конечному пользователю.

Анализ аналогичных систем показал, что комбинированные системы подобного типа для работы которых используются ВИЭ имеются, например ветряные турбины и солнечные установки в паре с водоподъемными насосами различных типов, однако в отличие от ветрокомпрессорного комплекса установки для подъема воды — ветронасосные установки, эффективны при скорости ветра более 5 м/с и не работают в безветренную погоду. Солнечные установки с насосом зависимы от солнечного света и в зимнее время практически не работают ввиду короткого солнечного дня, нехватки солнечного света и требуют постоянной очистки панелей от снега. Имеется также проблема хранения избыточной энергии и если в ветронасосных установках хранилищ энергии нет в принципе, то в установках, работающих от солнечной энергии, имеются аккумуляторы, которые не помогают в условиях нехватки солнечной энергии (в зимний период) и имеют относительно короткий период эксплуатации. Существующие комбинированные ветросолнечные установки [3] хотя и являются более универсальными и частично компенсируют недостатки друг друга, имеют те же недостатки что и каждая в отдельности (зависят от скорости ветра и плохо работают в зимнее время), тогда как разработанный ветрокомпрессорный комплекс с хранилищем сжатого воздуха имеет возможность работы от сжатого воздуха при отсутствии ветра.

По результатам проведенных работ был получен патент на полезную модель № 7503 «Ветрокомпрессорная водоподъемная установка» [4].

Рис. 1. Схема ветрокомпрессорной установки [4]: 1 — ветроколесо, 2 — направляющие потока, 3 — редуктор, 4 — ось, 5 — компрессор, 6, 7, 8 — ресиверы, 9, 10, 11, 14, 15, 16,20 — электромагнитные клапаны, 12 — пневмодвигатель, 13 — генератор, 17 — скважина, 18 — глубинный насос, 19 — шланг, 21 — контроллер, 22 — инвертор, 23, 24, 25 — электрический контактный манометр, 26 — аккумуляторная батарея

Ветрокомпрессорная установка (рисунок 1) работает за счет силы ветра, ветроустановка приводит в движение компрессор, который аккумулирует сжатый воздух в многосекционном ресивере. Энергия сжатого воздуха с помощью пневмопривода и генератора преобразуется в электрическую, которая используется для подъема воды. Воздух, накопленный в запасе при работе, является своего рода буфером, гарантирующим работу установки в безветренную погоду, используется он для подъема воды и при низких скоростях ветра, 1 м/сек, 2 м/сек и так далее. Использование предложенной схемы позволяет ветрокомпрессорной установке работать эффективно, а интеллектуальная автоматизированная система управления позволяет минимизировать рабочий труд и упростить использование комплекса обычным пользователям.

Ветрокомпрессорная установка является полностью автономной и обеспечивает водой бесперебойно вне зависимости от погодных условий, при имеющемся ветре комплекс аккумулирует сжатый воздух в многосекционных ресиверах, который в дальнейшем даже при отсутствующем ветре обеспечивает работу комплекса и постоянный поток воды с помощью пневмопривода. Комплекс работает от возобновляемого источника энергии (ветровая энергия), однако не нуждается в его постоянном наличии поскольку работа компрессора при наличии ветра позволяет накапливать сжатый воздух в системе ресиверов и использовать его в дальнейшем независимо от погодных условий.

Имеется множество систем получения и хранения сжатого воздуха, которые в основном используются в дальнейшем для получения электрической энергии, во многих работах проведен анализ функционирования подобных систем [5,6], который показывает что использование комбинированных систем типа предлагаемого ветрокомпрессорного с системами хранения сжатого воздуха повышает гибкость этих систем, понижает стоимость хранения энергии и является наиболее экологичным.

Отличием и новизной предлагаемого комплекса является использование системы малогабаритных многосекционных ресиверов (накопителей сжатого воздуха) количество секций которых может быть различным (от 3 и более) в зависимости от выполняемых задач и средних скоростей ветра в регионе, это позволяет увеличить производительность комплекса в безветренную погоду поскольку как показано в работе [7] увеличение размера ресивера и степени сжатия имеет предел после которого его эффективность увеличивается лишь незначительно.

Научные результаты

В настоящее время кроме конструкции ветрокомпрессорной установки [6], также разработана схема универсальной системы многосекционного ресивера (хранилища сжатого воздуха), обеспечивающего накопление, хранение и экономное использование энергии сжатого воздуха. Универсальность его заключается в адаптации к имеющимся условиям, путем регулирования количества секций ресивера от 3 и более на этапе проектирования ветрокомпрессорной установки для определенного региона (так как он состоит из отдельных секций или модулей то сборка любого количества секций не представляет сложности);

Практическая значимость ветрокомпрессорной установки заключается в независимой от энергоснабжения бесперебойной подачи воды в засушливых и отдаленных субъектах сельского хозяйства (крестьянские хозяйства, отгонные животноводческие комплексы и др.) с использованием только возобновляемых источников энергии.

Выводы

— необходимо апробировать разработанный водоподъемную ветрокомпрессорную установку на реальных субъектах сельского хозяйства Казахстана с учетом экономических и климатических условий (Атлас ветров Республики Казахстан).

Литература:

1. Национальный атлас Республики Казахстан. Том 1: Природные условия и ресурсы. — Алматы, 2010–150 с.
2. Yespolov T., Tireuov K., Kerimova U. Water resources in agriculture of the Republic of Kazakhstan: a view of scientists on rational use, prospects and management. Problems of AgriMarket . 2022; (3):155–163. (In Russ.) https://doi.org/10.46666/2022–3.2708–9991.17

3. Brian D.Vick, Byron A.Neal. Analysis of off-grid hybrid wind turbine/solar PV water pumping systems. Solar Energy, Volume 86, Issue 5, May 2012, Pages 1197–1207. https://doi.org/10.1016/j.solener.2012.01.012

4. Патент на полезную модель РК № 7503 «Ветрокопрессорная водоподъемная установка» от 07.10.2022 г.
5. Hyrzyński R., Ziółkowski P., et al. Thermodynamic analysis of the Compressed Air Energy Storage system coupled with the Underground Thermal Energy Storage. E3S Web of Conferences, Volume 137, 2019. XIV Research & Development in Power Engineering (RDPE 2019), https://doi.org/10.1051/e3sconf/201913701023
6. Caralis George, Christakopoulos Theofanis, Karellas Sotirios, Gao Zhiqiu. Analysis of energy storage systems to exploit wind energy curtailment in Crete. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 103, Pages 122–139, April 2019, DOI 10.1016/j.rser.2018.12.017

7. Ali Ammar E., Libardi Nicholas C., Anwar Sohel, IzadianAfshin. Design of a compressed air energy storage system for hydrostatic wind turbines. AIMSEnergy, 2018, Volume 6, Issue 2: 229–244. doi: 10.3934/energy.2018.2.229