ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА, ВРАЩАЕМОГО ВЕТРОГЕНЕРАТОРНЫМ КОЛЕСОМ

ENGINEERING OF A PISTON COMPRESSOR ROTATED BY A WIND GENERATOR WHEEL

Vadim Kochenkov

Student, Department of Heat Engines Bryansk State Technical University

Russia, Bryansk

АННОТАЦИЯ

Был спроектирован поршневой одноступенчатый компрессор простого действия, использующий воздух в качестве рабочей среды. Далее были рассмотрены варианты расположения и применения данной компрессорной установки на территории Российской Федерации по ряду влияющих факторов.

ABSTRACT

A simple-acting single-stage reciprocating compressor using air as a working medium was designed. Further, the options for the location and application of this compressor unit on the territory of the Russian Federation were considered for a number of influencing factors.

Ключевые слова: поршневой компрессор, ветрогенераторное колесо, сжатый воздух.

Keywords: Piston compressor, wind generator wheel, compressed air.

Рисунок 1. Схема работы установки

1– ветрогенераторное колесо,2 – воздушный фильтр, 3 – поршневой компрессор, 4 – ресивер(камера накопления газа), 5 – детандер, 6 – генератор электрического тока, 7 – инвертер.

Описание установки:

Ветрогенераторное колесо 1 вращается благодаря постоянному ветру со скоростью 3 м/с, после чего передает крутящий момент на вал поршневого компрессора 3. В поршневой компрессор 3 из атмосферы поступает воздух, очищенный с помощью воздушного фильтра 2. После компрессора, воздух поступает под давлением в ресивер 4, который служит для хранения сжатого воздуха, в качестве резервуара. Из ресивера 4 газ поступает по мере необходимости в детандер 5, где энергия сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию вращения. Вал детандера 5 связан с валом генератора электрического тока 6. Полученный генератором 6 электрический ток поступает в инвертер 7, где преобразуется до необходимых значений напряжения и силы тока.

В связи с тем, что компрессор имеет непосредственный привод от ветрогенераторного колеса, необходимо создать благоприятные условия для его работы. Предполагается использование компрессора совместно с воздушным ресивером. Для этого нужно выбрать такое место установки компрессора, где будут постоянные ветра скоростью около 3 м/с.

Необходимо учитывать, что если соседние здания, деревья, линии и т.п. отражают полную силу ветра от ветряка, он не сможет выработать большую энергию. Также при выборе месторасположения необходимо учитывать, что скорости ветра всегда выше наверху холма, на береговой линии, и в местах, свободных от деревьев и других структур.

Исходя из данных о среднегодовой скорости ветра в России (см.рис.2) ,можно сделать вывод , что самыми благополучными местами для установки ветрогенераторов в России являются прибрежные линии.

Рисунок 2. Среднегодовая скорость ветра на территории РФ

На территории Российской Федерации преобладают такие типы ветров как западные ветра и муссоны (вдоль прибрежных линий).

Западные ветра сильнее дуют в зимнее время года, когда давление над полюсами выше.

Муссонные ветра являются очень стабильными со стороны силы ветра, но они также меняют направление, а именно: в летний период они дуют с океанической стороны, а в зимнее– со стороны суши.

Энергетические ветровые зоны в России находятся в большинстве случаев на побережье и островах Северного Ледовитого океана, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Чёрного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве и на Байкале.

Ветрогенераторные установки могут работать как совместно с сетью, так и в автономном режиме. Они предназначены для электроснабжения индивидуальных объектов, удаленных от централизованного энергоснабжения.

При помощи данной конструкции можно строить автономные станции сотовой связи в таких регионах как Тайга, для обеспечения сотовой связью труднодоступных регионов.

Также можно устанавливать на буях-рестрансляторах на реках в период навигации.

Если рассматривать прибрежные линии с неблагоприятным рельефом для установки компрессорной станции, работающей в паре в ветрогенераторным колесом, можно рассмотреть вариант установки их на буях или же крепления их к морскому дну с помощью швартовочно-анкерной трёхточечной системы. Глубоководный кабель будет передавать получаемую электроэнергию на берег к потребителю.

Рисунок 3. Крепление швартовочно-анкерной трёхточечной системой

Накопление энергии сжатого воздуха при постоянном давлении.

В этом случае накопительная емкость хранится при постоянном давлении, тогда как газ содержится в емкости с изменяемым объемом. Многие типы накопительных емкостей были предложены, но рабочие условия следуют аналогичному принципу, и поэтому накопительная емкость может быть расположена в сотнях метров под водой. За счет гидростатического давления водного столба над накопительной емкостью удается сохранять давление на желаемом уровне.

Эта конструкция позволяет:

1. Увеличить плотность накопительной энергии, так как можно использовать весь накопленный воздух (давление сохраняется при всех условиях заряда, полного или пустого, что не причиняет турбине проблем при работе, тогда как системам с постоянным объемом необходимо остановиться после достижения критически низкого давления);

2. Увеличить КПД турбин, которые будут работать при постоянных условиях на входе;

3. Начать применение различных географических зон для расположения электростанций с НЭСВ (прибрежные зоны, плавучие платформы и т.д.).

С другой стороны, стоимость этих накопительных систем выше из-за потребности в расположении накопительной емкости на дне определенного водохранилища (часто – моря или океана), а также – из-за стоимости самой емкости. Электростанции работают по суточному циклу, заряжаясь ночью и разряжаясь в течение дня. Нагрев сжатого воздуха с использованием природного газа или геотермального источника для увеличения количества добываемой энергии был изучен Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией. Накопление энергии в сжатом воздухе может также использоваться в меньших масштабах, применяясь для автомобилей на воздушной подушке или пневматических локомотивов, и может применять емкости для накопления из высокопрочных углеродных волокон. Чтобы сохранить энергию, накопленную в сжатом воздухе, эта емкость должны быть термически изолирована от окружающей среды. кроме того, сохраненная энергия будет улетучиваться в виде тепла, так как сжатие воздуха повысит его температуру.

На рисунке показывается схема установки с подземным резервуаром.

Рисунок 4. Схема установки с подземным резервуаром

У систем на сжатом воздухе есть ряд преимуществ над стандартными батареями, в том числе – более долгий срок службы напорных сосудов и более низкая токсичность материалов. Более совершенные концепты батарей, типа литий-железо-фосфатных, не подвержены никаким из этих недостатков. Сжатый воздух стоит сравнительно меньше; однако, разработка и тесты на безопасность более совершенных напорных сосудов на данный момент стоят дороже, чем батареи массового производства.

Рисунок 5. Одноступенчатый поршневой компрессор в двух видах

Список литературы:

1. Проагрегат [электронный ресурс] URL: https://proagregat.com/energetika/szhatyy-vozduh-novaya-batareyka-dlya-chelovechestva/ (дата обращения 10.06.2020)
2. Экотехника [электронный ресурс] URL: https://ecotechnica.com.ua/technology/4920-khranit-energiyu-solntsa-i-vetra-v-podvodnykh-rezervuarakh-v-vide-szhatogo-vozdukha-predlozhili-britanskie-uchenye.html
3. Белгородский институт альтернативной энергетики [электронный ресурс] URL: http://www.altenergo-nii.ru/renewable/wind/
4. Фатеев, Е. М. Ветродвигатели и ветроустановки / Е. М. Фатеев; Москва, 1948.
5. Energy saving technology [электронный ресурс] URL: https://ensat.ru/news/greenenergy/184.html