СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Статья поступила в редакцию 28.02.11. Ред. рег. № 946

The article has entered in publishing office 28.02.11. Ed. reg. No. 946

УДК 621.314.5

СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА

А. С. Мартьянов, Е.В. Соломин

ООО «ГРЦ-Вертикаль» 456300 Челябинская обл., г. Миасс, Тургоякское шоссе, д. 1 Тел. (912) 317-1805, факс: (351) 264-7694, e-mail: src-vertical@mail.ru

Заключение совета рецензентов: 15.03.11 Заключение совета экспертов: 23.03.11 Принято к публикации: 25.03.11

Данная статья описывает построение системы отопления на основе ветроэнергетической установки, которая преобразует энергию ветра в электрическую энергию с минимальной системой преобразования и, соответственно, малыми потерями, а также теплового аккумулятора, который преобразует полученную электрическую энергию в тепло без потерь и сохраняет его на период, когда ветер отсутствует.

Ключевые слова: ветроэнергетика, ветроэнергетическая установка, тепловой аккумулятор.

HEATING SYSTEM BASED ON WIND POWER TURBINE AND STORAGE HEATER

A.S. Martyanov, E.V. Solomin

"SRC-Vertical", Ltd. 1 Turgoyaksky road, Miass, Chelyabinsk reg., 456300, Russia Tel. (912) 317-1805, fax: (351) 264-7694, e-mail: src-vertical@mail.ru

Referred: 15.03.11 Expertise: 23.03.11 Accepted: 25.03.11

The article describes the development of heating system on the base of wind turbine which converts the wind power into electric power with minimal converting system and small losses, and heat accumulator which converts the electric power into the heat without losses and accumulates it on the period when there is no wind.

Key words: wind energy, wind turbine, heat accumulator.

Известно, что многие альтернативные источники энергии, такие как ветер или солнечное излучение, обладают непостоянством и не могут обеспечить гарантированное энергоснабжение потребителя [1]. При этом зачастую от системы электроснабжения на основе альтернативных источников энергии требуется компенсация затрат на отопление, поскольку именно эта статья расходов составляет до 70-80% бюджета всего энергопотребления при электрическом отоплении. В этом случае имеется возможность существенно упростить и удешевить систему отопления. Данная статья описывает построение системы отопления на основе ветроэнергетической установки, которая преобразует энергию ветра в электрическую энергию, а также теплового аккумулятора, который преобразует полученную электрическую энергию в тепло и сохраняет его на период, когда ветер отсутствует.

Описание теплового аккумулятора Тепловой аккумулятор, состоящий из теплоэлек-тронагревательных (ТЭН) элементов с теплоаккуму-лирующими блоками из талькокарбоната, предназначен для генерации тепловой энергии в ветреный

период (т.е. период избытка электрической энергии, поступающей от генератора ветроэнергетической установки), а также ее хранения в течение определенного времени с последующей отдачей тепла потребителю. Причем объем подачи тепла может осуществляться в соответствии с нуждами потребителя.

Тепловой аккумулятор основан на поглощении тепловой энергии специальным твердым дисперсным материалом без фазового перехода. Аккумулированная тепловая энергия может забираться водой, воздухом или за счет теплопроводности. Важной отличительной особенностью аккумулятора является положительное медико-биологическое воздействие материала на теплоноситель, в частности, при использовании воздуха последний приобретает ингаляционные свойства. Кроме того, тепловой аккумулятор обладает большим ресурсам работы и подавляет развитие вредных микроорганизмов в рабочем объеме. Нагреваемое рабочее тело теплового аккумулятора выполнено в виде электронагревательной (теплоаккумулирующей) вставки, изготовленной из талькового камня в форме отдельных блоков. В блоках проделаны пазы для установки ТЭНов. Талько-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (94) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

вый камень (талькокарбонат) - экологически чистая горная порода, обладающая высокой теплоемкостью, термостойкостью и теплопередачей. Благодаря прекрасным теплотехническим качествам и оздоровительному влиянию на состояние человека талько-хлорит последние два столетия широко применяется в Финляндии, России, Италии и ряде других стран для изготовления печей, каминов и других отопительных приборов. Нагреваемое рабочее тело может изготавливаться с использованием любого другого термостойкого твердого материала при схожих тепловых характеристиках с упомянутым минералом. В качестве нагревательных элементов в тепловом аккумуляторе используются ТЭНы, которые могут соединяться последовательно, параллельно либо подключаться поочередно. При этом следует отметить, что вся энергия, получаемая тепловым аккумулятором, преобразуется в тепло, так что КПД теплового аккумулятора можно считать равным 100%.

Ветроэнергетическая установка ООО «ГРЦ-Вертикаль» производит ветроэнергетические установки (ВЭУ) малого класса до 30 кВт с вертикальной осью вращения.

Рис. 1. Ветроэнергетическая установка ГРЦ-Вертикаль Fig. 1. SRC-Vertical wind turbine

Этот тип ВЭУ (рис. 1) пока мало распространен в силу разных обстоятельств, связанных прежде всего с поздним их изобретением в 2006 году, однако его преимущества в сравнении с горизонтально-осевыми установками привлекают внимание все большего числа разработчиков, ученых и потребителей, что со временем может изменить мировой количественный перевес ВЭУ этого типа. Вертикально-осевые ВЭУ имеют ряд преимуществ - это отсутствие необходимости ориентации на ветер, более простая технология изготовления, а также низкие уровни шума и вибраций. Одно из возможных применений ВЭУ -это система отопления, основанная на использовании энергии ветра.

Основное назначение этой системы - снижение затрат на отопление помещения за счет использования энергии ветра. Общий принцип функционирова-

ния системы заключается в следующем: полученную от ветроколеса (ротора ВЭУ) энергию необходимо преобразовать в электрическую, а затем электрическую энергию частично или полностью преобразовать в тепловую. Тепловая энергия при этом накапливается в тепловом аккумуляторе, который является источником тепловой энергии, когда другие источники энергии недоступны.

Более сложный вариант системы с элементами интеллектуального регулирования энергопотоков можно описать следующим образом. При наличии ветра генератор ветроэнергетической (ветросиловой) установки (ВЭУ) генерирует напряжение, переменное по фазе, частоте и амплитуде. Данное напряжение передается на систему интеллектуального управления (распределения) энергопотоками. Один из каналов питания подключается к теплоэлектро-нагревательному модулю, состоящему из ряда элементов, коммутируемых соответствующим образом по мере необходимости по команде системы управления, которые нагревают окружающую их систему теплоаккумуляторов. Таким образом, система генерирует и одновременно аккумулирует тепло. В случае применения системы для отопления помещения, состоящего из нескольких комнат, от теплоаккуму-лятора отходят воздуховоды, проведенные по отапливаемым помещениям, в которых размещаются вентиляторы для принудительного перемещения масс теплого воздуха. При этом воздуховоды имеют соответствующие заслонки с сервоприводами для возможности регулирования тепловых потоков с помощью системы управления. Помещение должно быть оборудовано сенсорной системой из датчиков присутствия и температуры. Одновременно напряжение от генератора ВЭУ поступает на регулятор-контроллер, который осуществляет 2 функции -регулирование мощности ВЭУ с поддержанием коэффициента использования энергии ветра на максимальном уровне 0,38, а также преобразование поступающей энергии в удобную для потребления обычными электроприборами - 48 В постоянного тока и/или 220В/50Гц переменного тока. При возрастании электрической нагрузки у потребителя система управления регулятора-контроллера отслеживает состояние температуры помещений, управляет заслонками воздуховодов и снижает энергопотребление теплоаккумулятора (т.е. теплоэлектрона-гревательных элементов), переходя в режим отдачи тепловой энергии без энергопотребления. Таким образом, часть электроэнергии, отдаваемой потребителю, возрастает. Если же нагрузка потребителя снизилась, система управления увеличивает нагрев элементов теплоаккумулятора, причем без роста температуры в помещениях за счет регулирования заслонок воздуховодов. В отсутствие ветра электроснабжение потребителя осуществляется от химических аккумуляторов, заряжаемых с помощью ВЭУ, а теплоснабжение производится за счет тепловой энергии, которой заряжен теплоаккумулятор.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (94) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

Ветроэнергетика

lbU.UO 140,00

100.00

40.00

3,00 ¿,00 4,00 0.00 8, JO 10,00 12,00 14,00

Рис. 3. Оптимальная частота вращения ветроколеса (об/мин) от скорости ветра (м/с) Fig. 3. Optimal wind turbine rotation frequency (RPM) versus wind speed (m/s)

Рис. 4. Значение выпрямленного напряжения (В) от частоты вращения ротора (об/мин) Fig. 4. Rectified voltage (V) versus rotation frequency (RPM)

При этом система управления может выдавать соответствующие предупреждения о необходимости экономии тепловой и/или электрической энергии, а также перераспределении энергопотоков, которыми потребитель может управлять принудительно. Тепловой аккумулятор в теплое время года заменяется на кондиционер, работающий на подобном принципе, и система работает на охлаждение помещения. Таким образом, система работает полностью автоматически, с серьезной экономией энергетических ресурсов и созданием комфортной тепловой схемы.

Необходимо отметить, что при этом ВЭУ должна максимально эффективно использовать энергию ветра [2]. Для управления электрической мощностью, получаемой от генератора, предлагается система управления отбором мощности. Основные требования к этой системе можно сформулировать следующим образом: в процессе работы система управления должна стремиться отбирать такую мощность, которая обеспечивает оптимальный режим работы ветро-колеса для достижения максимально возможного для имеющихся условий коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ).

Исходными данными для проектирования системы управления являются характеристики ветроколе-са и генератора, применяемые в системе отопления.

Характеристики ветроколеса можно описать с помощью следующих параметров:

- зависимость оптимальной мощности ветроколеса от скорости ветра (рис. 2);

- зависимость оптимальной частоты вращения от скорости ветра (рис. 3).

Характеристики генератора ВЭУ:

- тип генератора синхронный, с постоянными магнитами;

- характеристики электрогенератора: число полюсов и фаз - 25 пар полюсов, 3 фазы.

Значение выпрямленного напряжения генератора в зависимости от частоты вращения ротора представлены на рис. 4.

4000,00 tooo.i г

2501,00 2000,00 ". -.гк:,|(| 1000,00 500.00 0,00

U.UU ¿,00 4.0U fc.U'J WW 10.00 1JJJU 14.00

Рис. 2. Оптимальная мощность (Вт) ветроколеса от скорости ветра (м/с) Fig. 2. Optimal wind turbine power (Watt) versus wind speed (m/s)

0,00 2,00 ь,оо £¡,00 1 :M:I. 1:

Рис. 5. Значение выпрямленного напряжения (В)

от скорости ветра (м/с) Fig. 5. Rectified voltage (V) versus wind speed (m/s)

Наложив друг на друга характеристики ветроколеса и генератора, можно получить значение выпрямленного напряжения от скорости ветра при оптимальном режиме работы ветроколеса (рис. 5).

Теперь, сопоставляя значение выпрямленного напряжения и отбираемой мощности ветроколеса,

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (94) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

можно получить зависимость сопротивления нагрузки от выпрямленного напряжения (рис. 6). Эта зависимость и будет являться основой при проектировании системы управления отбором мощности.

100,00 У0,00

70,00

50,00 -10,00 30,00 20,00 10,00 0,00

0,00 ЬУ/Ю 100,00 1ЬОГОУ ¿00,00

Рис. 6. Значение оптимального сопротивления нагрузки от выпрямленного напряжения Fig. 6. Optimal load resistance versus rectified voltage

Описание системы управления Предлагаемая схема системы управления отбором мощности и питанием теплоаккумулятора приведена на рис. 7. При этом рассматривается только схема работы ВЭУ с элементами теплоаккумулятора. Дальнейшая структура схемы в данной статье не рассматривается, т.к. является предметом творчества потребителя.

На диодах Б1-Б6 построен трехфазный выпрямительный мост [3]. Выпрямленное напряжение поступает на делитель, собранный на резисторах Я1, И2 и служащий для согласования уровня выпрямленного напряжения и напряжения, допустимого для входа компаратора БЛ1. Количество компараторов, как и число коммутирующих элементов, должно соответствовать числу нагревательных элементов Ь1, которое определяется конструкцией теплового аккумулятора и требованиям к плавности регулирования. По предварительной оценке, для достижения достаточной плавности регулирования будет достаточно восьми ступеней регулирования и восьми нагревательных элементов в тепловом аккумуляторе соответственно. На резисторах Я3, Я4,... Я5М построен многоступенчатый делитель напряжения, который задает опорное напряжение для каждого компаратора. Транзистор Р1 и диод Б7 являются ключом, который включает либо выключает ТЭН Ь1.

Алгоритм управления заключается в следующем: при достижении определенного порога выпрямленного напряжения дополнительно подключаются либо отключаются ТЭНы, изменяя сопротивление нагрузки генератора для достижения оптимального режима работы ветроколеса. Таким образом, система ТЭНов работает как балластная нагрузка ВЭУ, что позволяет в ветреных регионах экономить до 80% излишков электроэнергии, вырабатываемой ветроустановкой.

Список литературы

1. Попель О.С. Перспективы развития возобновляемых источников энергии: обобщенные показатели // Энергия: экономика, техника, экология. 2007. № 3. С. 6-11.

2. Грахов Ю.В., Матвеенко О.В., Соломин Е.В. Программно-математическая модель ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения // Матер. V Межд. научно-практической конференции «Возобновляемые источники энергии. Ресурсы. Системы энергогенерирования на возобновляемых источниках энергии». Россия. М., 2008. С. 41-42.

3. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд., испр. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2007.

Рис. 7. Схема системы управления отбором мощности Fig. 7. Schematic diagram of control system

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (94) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011