Автономная система энергоснабжения сельского хозяйства от нетрадиционных возобновляемых источников энергии

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5I)5 F 01 К 13/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР . (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4866897/06 (22) 05.06.90 (46) 07.03.93. Бюл. ¹ 9 (71) Харьковский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (72) М,И.Гончар, Н.M.×åðåìèñèí (SU) и

С.Х.Ракутуниаина (MG) (56) Авторское свидетельство СССР № 1188367, кл. F 03 6 7/00, опублик, 1985. (54) АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА ОТ

НЕТРАДИЦИОННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ, ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ (57) Использование: в энергетике для автономного энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей за счет энергии

Изобретение относится к энергетике, к установкам, преобразующим энергию биомассы, солнечного излучения, ветра в энергетическую, и может быть использовано для автономного энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей.

Цель изобретения — повышение эффективности использования устройств по обеспечейию энергиями сельскохозяйственных потребителей.

На фиг.1 дана принципиальная схема предлагаемой установки; на фиг.2 — структурная блок-схема; на фиг.3 — суточный график нагрузок сельскохозяйственных потребителей.

Суть предлагаемого технического решения поясняется блоком-схемой (фиг.2) устройства связей источников снабжения коммунально-бытового потребителя 1, проЯЛ, 1800073 А1 биомасссы, солнечного излучения и ветра. . Сущность изобретения: система содержит четыре источника электрической энергии; ветровая станция, солнечная станция, тепловая станция, работающая на биогазе, и электрохимический аккумулятор для питания в аварийном режиме работы установки датчиков и реле. Внедрение гелиосистемы, ветросистемы и биогазовой установки в совокупности с тепловой станцией позволит исключить операции по добыче и транспорту топлива, создать комфортные условия труда и быта людей в районах, удаленных от централизованного электро-, газо-, водо- и теплоснабжения в труднодоступных райо нах, 3 ил. изводственного потребителя 2, электриче, ской энергией 3, биогазом 4, горячей 5 и холодной 6 водой, органическими удобрениями 7 и переработкой органических отходов

8 производственного потребителя 2.

Система имеет четыре источника получения электрической энергии;тепловая электрическая станция 9, ветровая станция

10, солнечная электрическая станция 11, электрохимический аккумулятор 12 резервного питания датчиков; Система также содержит биогазовую установку 13, источник по производству биогаза и удобрений, на-. сосную станцию холодной воды 14, тепловая электрическая станция 9 и тепловой аккумулятор 15 являются источниками снабжения потребителей и системы горячей водой. Система управляется с общего диспетчерского пункта 16. Все источники производства энергии по технологическому

1800073 признаку потребления энергоресурсов объединены в восемь блоков (фиг.2), Тепловая электрическая станция 9 содержит емкость 17 резервного запаса жидкого или газообразного топлива, необходимого для работы системы в период запуска и ремонта, котел 18, электромагнитный клапан 19, паровую турбину 20, генератор 21 переменного тока, конденсатор 22, насос 23 горячей воды, распределитель 24 горячей воды, Биогазовая установка 13 содержит двухсекционный метантенк 25 с теплообменником 26 и мешалками 27, сочлененными через редуктор 28 с ветроколесом 29, систему 30 очистки биогаза, газгольдер 31 и распределитель 32 биогаза с присоединенными к нему газопроводами.4 к потребителям 1 и 2 и к котлу 18. Теплообменник 26 биогазовой установки 13 соединен с тепловым аккумулятором 15 с 20 электронагревателем 33, с солнечным коллектором 34 и насосом горячей воды 35.

Насосная станция холодной воды 14 содержит насос 36, водонапорную башню с емкостью 37 и водопроводом 5 обеспечения 25 холодной водой всех потребителей. Ветровая станция.10 содержит ветроколесо 38, соединенное посредством редуктора 39 и муфты 40 с генератором 41 электрической энергии. Пункт 16 управления состоит из 30 распределительного устройства электрической энергии от ветра 42, первый выход которого связан с общими шинами 43 через реле контроля напряжения, тока, частоты и защиты от короткого замыкания и перегру- З5 зок 44 и включатель 45 нагрузки, второй выход связан с магнитным усилителем 46, первый выход которого связан через коммутационный аппарат 47 с электронагревателем 33 теплового аккумулятора 15, 40 второй выход магнитного усилителя 46 связан с электрохи лическим аккумулятором

12 через коммутационный аппарат 48, реле регулятора зарядки тока и напряжения 49 и преобразователь 50, а электрохимический 45 аккумулятор 12 соединен через коммутационный аппарат 51 и инвертор 52 с устройством 53 автоматического включения резервного питания, последнее связано с блоком 54 датчиков и управления. 50

Генератор 21 переменного тока тепловой электростанции 9 электрически связан с общи ли шинами 43 через реле контроля величин напряжения, тока, частоты и защиты от короткого замыкания и перегрузок 55 55 и включатель 56 нагрузки. Общие шины 43 соединены через реле 57 напряжения с общей сетью 58. Блок потребителей 1 содержит солнечную элсктрическую станцию 11 из фотоэлементов 59 на крышах сельского дома, инвертора 60 постоянного тока в переменный с присоединенными потребителями 1 постоянного и переменного тока, блока 61 рекуперации регулирования перетока электрической энергии дом — сеть и сеть — дом с объединенной электрической сетью 58. При этом энергетическая система объединяется трубопроводом газа 4, холодной воды 6, горячей воды 5, трубопроводом органических отходов 8 и трубопроводом отработанного субстрата 7.

Разработка и работа системы энергоснабжения с применением солнечной, ветровой, тепловой энергией базируются на режиме работы потребителей. Так, например, пик потребления электрической энергии молочно-товарной фермы приходится на утренние (6 — 8) и вечерние (16 — 20) ч, а .

>хилых:домов.в вечернее время.

В дневное время с 10до 16 ч происходит спад нагрузки. В связи с этим солнечную энергию целесообразно использовать только в дневные часы, ветровая по мере и при наличии ее в окружающей среде, тепловая энергия является основной и может использоваться круглосуточно при наличии топлива получаемого на биогазовой установке.

Система работает следующим образом.

В ветренный день вращательное движение ветроколеса 38 ветростанции 10 передается при помощи передачи через редуктор 39 на вал генератора 41 посредством муфты 40, Аккумулятор 12, питающий электрической энергией блок 54 датчиков и реле управления при отсутствии электрической энергии, может быть как заряжен, так и разряжен.

Поэтому в первую очередь для успешного функционирования системы необходимо обеспечить заряд аккумулятора 12 питания блока датчиков 54 и реле управления контроля работы блоков и элементов системы.

При скоростях ветра ниже синхронной распределительное устройство 42 электрической энергии автоматически отключает генератор 41 от общей сети 58 и автоматически включается на магнитный усилитель

46, а выработанная энергия обеспечивает заряд аккумулятора 12. Если вырабатываемая энергия и мощность генератора 41 пре- . вышает мощность заряда аккумулятора 12, то блок 49 реле регулятора зарядного тока отключает коммутационный аппарат 48 и включает ко1лмутационный аппарат 51, посредством которого включается инвертор

52 с устройством автоматического включения резерва 53 для питания блока датчиков и управления. При скоростях ветра высшее синхронное распределительное устройство

1800073

20

45

55

42 электрической энергии автоматически включает генератор 41 для питания насосной станции 14 и обеспечения системы холодной водой, поступающей в водонапорную башню 37, по трубопроводу 6 к потребителям 1, 2 и в систему, тепловой аккумулятор 15, где вода нагревается при помощи солнечного коллектора 34 и электронагревателя 33, получающего электроэнергию от генератора 41 через коммутационный аппарат 47. При этом часть подогретой воды закачивается насосом 35 из теплового аккумулятора 15 в блок распределителя 24, подготавливая к работе тепловую электростанцию 9, при этом идет загрузка двухсекционного метантанка 25 органическими отходами 8 животноводства и растениеводства. Подогреваемая воды через теплообменник 26, связанный трубопроводом с тепловым аккумулятором 15, проходит в секции метантанка 25, а мешалка 27, сочленен ная через редуктор 28 ветроколесом 29, обеспечивает перемешивание бирмассы, из которой через 2 — 3 суток будет . наблюдаться выход биогаза, который прохоДит очистку и сушку в блоке 30 от воды, угЛерода, углекислого газа, сероводорода и, очищенный газ накапливается в газгольдере 31 и при достаточном накоплении сигнал поступает в блок 54 датчиков, при помощи вентилей блока 31 биогаз поступает в распрвделительное устройство, и если электроэнергии получаемой от генератора 41 ветроэлектростанции 10 будет достаточно, то он поступит потребителям 1 и 2, а при неДостаточности электроэнергии газ по трубопроводу 4 поступит к котлу 18. По мере накопления биотаза в газгольдере 31 по истечении 3 — 4 суток после запуска системы снабжения потребителей электрической энергии 3, обеспечения холодной 6 и горячей водой 5 система энергоснабжения подведена к рабочему состоянию, В солнечные часы суток электрическую энергию вырабатывает собственная система электроснабжения сельского жилого дома, имеющего небольшую нагрузку, для чего крыши домов покрыгы фотоэлементами 59, образующими солнечную электростанцию

11, то так как коммунально-бытовая нагрузка включает потребители постоянного и переменного тока 1, то для потребителей переменного тока работает инвертор 60, преобразуя постоянный ток в переменный, для регулирования перетока энергии дом— сеть в дневное время или сеть — дом в вечернее время используется блок 61 рекуперации. Потребитель 2 силовой нагрузки, имеющей большую мощность, использует электрическую энергию, вырабатываемую тепловой или ветровой электростанции, а также использует излишки электрическойi энергии солнечной электростанции 11 жилых домов.

Во время запуска в работу системы (до

3 суток) потребители 1 и 2 могут ощущать недостаток в электроэнергии, вырабатываемой генератором 38 ветроэлектростанции

10 и солнечными электростанциями 11 от жилых домов. Предусматривается в этот период временная работа до накопления биогаза тепловой электростанции 9 с использованием резервного топлива, поступающего из емкости 17 для нагрева воды до соответствующей температуры и создания давления пара, который посредством открытия электромагнитного клапана 19 подается на турбину 20, вращающую генератор

21, являющийся источником производства электроэнергии после 3 суток. Отработанный пар после турбины 20 поступает в конденсатор 22, где охлаждается при помощи холодной воды от насосной станции 14 до жидкого состояния, а затем насосом 23 закачивается в блок 24 распределения горячей воды.

Как известно, экономичность любой системы по производству и распределению электрической энергии определяется равенством между выработанным ее количеством и потреблением. Электрическую энергию в чистом виде практически невозможно складировать. Электрическая энергия, вырабатываемая на электростанциях, должна быть соответствующего качества, определяемого нормами, требованиями потребителей, по отклонению напряжения отклонению частоты, параметры, контролируемые при работе электрических станций.

Работа системы по обеспечению потребителей энергиями находится под контролем датчиков блока 54 и регулируется при помощи блоков 44, 45, содержащих реле контроля частоты, напряжения, синхронизации генераторов, величины тока в нормальных и аварийных режимах работы электрической сети, контроля потребления электрической-энергии в течение суток.

В качестве примера на фиг.3 приведен суточный график изменения активной P u реактивной Q мощности сельскохозяйственных потребителей. В связи с тем, что использование энергий ветра и солнца в течение суток нестабильно, то основным источником предлагаемой системы производства электрической энергии является тепловая электростанция 9. На тепловых электростанциях значительно проще решаются известными способами вопросы регулирования качества производимой

1800073

15

25

35

40 электрической энергии. Однако на известных биогазовых установках расход биогаза на собственные нужды находится в пределах 45 — 60, что снижает эффективность использования биогазовых установок.

Для разрабатываемой системы расход биогаза на собственные нужды практически исключен, что повышает эффективность биогазовой установки, а для подогрева воды, нормального функционирования системы используется энергия ветра и солнца, что значительно снижает расход биогаза, необходимого для создания давления и температуры пара в котле 22.

Электрическая энергия ветровой электростанции 10, обладающая низким качеством в нормальном режиме работы системы, используется для подогрева воды в тепловом аккумуляторе 15, зарядки электрохимического аккумулятора 12, а также при нормальных скоростных-напорах ветра для питания электропривода насоса 36 подкачки холодной воды и подключения через выключатель 45 к общей системе питания потребителей, что приводит к уменьшению расхода биогаза, а солнечная электрическая станция 11 обеспечивает электроэнергией потребителей в солнечный интервал суток в период с 8 до 16 ч.

Таким образом основная цель использования ветровой и солнечной энергии— запуск автономной системы в работу и экономия биогаза.

Экономическая эффективность достигается за счет того, что повышается урожайность сельскохозяйственных культур с применением органических удобрений, получаемых на биогазовых установках, (снижение затрат на производство удобрений), не используются централизованные передачи снабжения электрической энергией, (отсутствуют затраты на строительство и эксплуатацию повышающих и понижающих подстанций, линий электропередачи высокого и среднего напряжений), отсутствуют затраты на строительство и эксплуатацию централизованного газоснабжения, водоснабжения. Обеспечивается экологическая чистота, повышаются культурно-бытовые условия сельских жителей.

Формула изобретения

Автономная система энергоснабжения сельского хозяйства от нетрадиционных возобновляемых источников энергии, содержащая солнечную тепловую электростанцию с солнечными коллекторами, тепловую электрическую станцию с котлом и паровой турбиной с конденсатором, тепловой аккумулятор, ветровую станцию, злектрохимический аккумулятор, подсоединенные к общей электрической сети и отребителям, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности, она дополнительно снабжена биогазовой установкой с блоком распределения биогаза, насосной станцией холодной воды, а также блоком датчиков и управления с устройством автоматического включения резервного питания и распределительным устройством электрической энергии, при этом солнечная тепловая электростанция выполнена с инвертором и блоком рекуперации и соединена через последний с потребителем и общей электрической сетью, биогазовая установка посредством газопровода подсоединена к потребителям и котлу через блок распреде- . ления газа и посредством трубопровода для транспортировки удобрения и органических отходов дополнительно подсоединена к потребителям, насосная станция подключена к потребителям и через конденсатор тепловой электрической станции к тепловому аккумулятору, тепловая электрическая станция выполнена с распределителем горячей воды и связана через последний с потребителями и тепловым аккумулятором, ветровая станция через распределительное устройство электрической энергии подключена к общей электрической сети, а электрохимический аккумулятор посредством инвертора через устройство автоматическоro включения резервного питания подключен в блоку датчиков для управления технологическим процессом энергообеспечения потребителей..

1800073

1800073

1S00073

Редактор Т.Савина

Заказ 1147 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

f00

Составитель M.Ãoí÷àð

Техред М.Моргентал Корректор Н.Пилипенко