Автономная система энергоснабжения сельского хозяйства от нетрадиционных возобновляемых источников энергии

(ГОСПАТЕНТ ССС АТЕНТН ИЗОБ ОП А АВТОРСКОМ ИДЯТКЛЬСТВУ Изобретение от установкам, преобр массы, солнечногогетическую, и може автономного энерг зяйственных потреносится к энергетике, к азующим энергию биоизлучения, ветра в энерт быть использовано для оснабжения сельскохоителей.(71) Харьковский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (72) М,И.Гончар, Н.М.Черемисин (ЯО) и С.Х.Ракутуниаина (МО)(56) Авторское свидетельство СССР М 1188367, кл. Р 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 Цель изобретения - повышение эффективности использования устройств по обеспечейию энергиямисельскохозяйственных 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, пробиомасссы, 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 Я холодной 6 водой, органическими удобрениями 7 и переработкой органических отходов 8 производственного потребителя 2.йаиВЪСистема имеет четыре источника пол- (,О учения электрической энергии;тепловая С электрическая станция 9, ветровая станция ) 10, солнечная электрическая станция 11, электрохимический аккумулятор 12 резервного питания датчиков; Система также содержит биогазовую установку 13, источник попроизводству биогаза и удобрений, на-. сосную станцию холодной воды 14, тепловая электрическая станция 9 и тепловой а аккумулятор 15 являются источниками снабжения потребителей и системы горячей водой. Система управляется с общего диспетчерского пункта 16. Все источники производства энергии по технологическомупризнаку потребления энергоресурсов объединены в восемь блоков (фиг.2),Тепловая электрическая станция 9 содержит емкость 17 резервного запаса жидкого или газообразного топлива, 5необходимого для работы системы в периодзапуска и ремонта, котел 18, электромагнитный клапан 19, паровую турбину 20, генератор 21 переменного тока, конденсатор 22,насос 23 горячей воды, распределитель 24 10горяцей 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 сприсоединенными к нему газопроводами.4к потребителям 1 и 2 и к котлу 18. Теплообменник 26 биогазовой установки 13 соединен с тепловым аккумулятором 15 с 20электронагревателем 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 25холодной водой всех потребителей. Ветровая станция 10 содержит ветроколесо 38,соединенное посредством редуктора 39 имуфты 40 с генератором 41 электрическойэнергии. Пункт 16 управления состоит из 30распределительного устройства электрической энергии от ветра 42, первый выходкоторого связан с общими шинами 43 черезреле контроля напряжения, тока, цастоты изащиты от короткого замыкания и перегрузок 44 и включатель 45 нагрузки, второйвыход связан с магнитным усилителем 46,первый выход которого связан через коммутационный аппарат 47 с электронагревателем 33 теплового аккумулятора 15, 40второй выход магнитного усилителя 46связан с электрохилическим аккумулятором12 через коммутационный аппарат 48, релерегулятора зарядки тока и напряжения 49 ипреобразователь 50, а электрохимический 45аккумулятор 12 соединен через коммутационный аппарат 51 и инвертор 52 с устройством 53 автоматического включениярезервного питания, последнее связано сблоком 54 датчиков и управления. 50Генератор 21 переменного тока тепловой электростанции 9 электрически связанс общили шинами 43 через реле контролявеличин напряжения, тока, частоты и защиты от короткого замыкания и перегрузок 55 55и включатель 56 нагрузки. Общие шины 43соединены через реле 57 напряжения с общей сетью 58. Блок потребителей 1 содержит солнечную элсктрицескую станцию 11из 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 исеть - дом с объединенной электрическойсетью 58, При этом энергетическая системаобъединяется трубопроводом газа 4, холодной воды 6, горячей воды 5, трубопроводоморганических отходов 8 и трубопроводомотработанного субстрата 7,Разработка и работа системы энергоснабжения с применением солнечной, ветровой, тепловой энергией базируются нарежиме работы потребителей. Так, например, пик потребления электрицеской энергии молочно-товарной фермы приходитсяна утренние (6 - 8) и вечерние (16 - 20) ч, а.хилых:домов,в вечернее время.В дневное время с 10 до 16 ч происходитспад нагрузки. В связи с этим солнечнуюэнергию целесообразно использовать только в дневные часы, ветровая по мере и приналичии ее в окружающей среде, тепловаяэнергия является основной и может использоваться круглосутоцно при наличии топлива получаемого на биогазовой установке.Система работает следующим образом,В ветренный день вращательное движе-ние ветроколеса 38 ветростанции 10 передается при помощи передачи черезредуктор 39 на вал генератора 41 посредством муфты 40, Аккумулятор 12, питающийэлектрической энергией блок 54 датчиков иреле управления при отсутствии электрической энергии, может быть как заряжен, таки разряжен.Поэтому в первую оцередь для успешного функционирования системы необходимообеспечить заряд аккумулятора 12 питанияблока датчиков 54 и реле управления контроля работы блоков и элементов системы.При скоростях ветра ниже синхронной распределительное устройство 42 электрицеской энергии автоматически отключаетгенератор 41 от общей сети 58 и автоматически включается на магнитный усилитель46, а выработанная энергия обеспечиваетзаряд аккумулятора 12. Если вырабатываемая энергия и мощность генератора 41 пре- .вышает мощность заряда аккумулятора 12,то блок 49 реле регулятора зарядного токаотключает коммутационный аппарат 48 ивключает ко 1 лмутационный аппарат 51, посредством которого включается инвертор52 с устройством автоматицеского включения резерва 53 для питания блока датчикови управления. При скоростях ветра высшеесинхронное распределительное устройство42 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, сочлененная 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, используетэлектрическую энергию, вырабатываемую тепловой или ветровой электростанции, а также использует излишки электрическойэнергии солнечной электростанции 11 жилых домов.5 Во время запуска в работу системы (до3 суток) потребители 1 и 2 могут ощущать недостаток в электроэнергии, вырабатываемой генератором 38 ветроэлектростанции 10 и солнечными электростанциями 11 от 10 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 15 соответствующей температуры и созданиядавления пара, который посредством открытия электромагнитного клапана 19 подается на турбину 20, вращающую генератор, 21, являющийся источником производства 20 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 за качивается в блок 24 распределения горячей воды.Как известно, экономичность любой системы по производству и распределению электрической энергии определяется равен ством между выработанным ее количествоми потреблением. Электрическую энергию в чистом виде практически невозможно складировать. Электрическая энергия, вырабатываемая на электростанциях, должна быть 35 соответствующего качества, определяемогонормами, требованиями потребителей, по отклонению напряжения отклонению частоты, параметры, контролируемые при работе электрических станций.40. Работа системы по обеспечению потребителей энергиями находится под контролем датчиков блока 54 и регулируется при помощи блоков 44, 45, содержащих реле контроля частоты, напряжения, синхрони зации генераторов, величины тока в нормальных и аварийных режимах работы электрической сети, контроля потребления электрической энергии в течение суток.В качестве примера на фиг,З приведен 50 суточный график изменения активной Р иреактивной О мощности сельскохозяйственных потребителей. В связи с тем, что использование энергий ветра и солнца в течение суток нестабильно, то основным ис точником предлагаемой системы производства электрической энергии является тепловая электростанция 9. На тепловых электростанциях значительно проще решаются известными способами вопросы регулирования качества производимойэлектрической 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 злектропривода 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 экологическаячистота, повышаются культурно-бытовыеусловия сельских жителей. 10 тепловую электрическую станцию с котлом и паровой турбиной с конденсатором, тепловой аккумулятор, ветровую станцию, злектрохимический аккумулятор, подсоединенные к общей электрической сети и потре 15 бителям, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения эффективности, она дополнительно снабжена биогазовой установкой с блоком распределения биогаза, насосной станцией холодной воды, а также 20 блоком датчиков и управления с устройством автоматического включения резервного питания и распределительным устройством электрической энергии, при этом солнечная тепловая электростанция выполнена с ин 25 вертором и блоком рекуперации и соединена через последний с потребителем и общей электрической сетью, биогазовая установка посредством газопровода подсоединена к потребителям и котлу через блок распределения газа и посредством трубопровода для транспортировки удобрения и органических отходов дополнительно подсоединена к потребителям, насосная станция подключена к потребителям и через конденсатор тепло 30 35 вой 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 40 устройство электрической энергии подключена к общей электрической сети, а электро- химический аккумулятор посредством инвертора через устройство автоматического включения резервного питания подключен в блоку датчиков для управлениятехнологическим процессом энергообеспечения потребителей Ф о р мул а и зоб рете н ияАвтономная система энергоснабжения сельского хозяйства от нетрадиционных возобновляемых источников энергии, содержащая солнечную тепловую электростанцию с солнечными коллекторами,1800073 Составитель М,ГончарТехред М.Моргентал Корре тор Т.Сави илипенко зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 1147 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5