Вітротурбінна теплоелектростанція

Структурна та конструкційна схеми вітряної теплоелектростанції включають вітроагрегат WА (вітроенергетичну установку WT), електричний адаптер EA, електричну мережу EN, газовий бойлер GB, об'єкт теплопостачання (опалювані будівлі та споруди) BDG, електричні нагрівачі ЕH, акумулятор тепла TS, теплообмінники ТE, пункт теплової енергії TP. Вітроагрегат WА у свою чергу, включає ротор турбіни WTR та вітрогенератор WG (електрогенератор). Принцип роботи вітротурбінної системи теплопостачання заснований на виробництві та акумулюванні теплової енергії у вітряну погоду шляхом електричного нагріву великого об'єму теплоносія, збереженні тепла у термоізольованих резервуарах з наступним використанням для теплопостачання та гарячого постачання будівель та споруд протягом доби при відсутності вітру. Виробництво, накопичення, зберігання та постачання електричної та теплової енергії відбуваються поетапно. На першому етапі кінетична енергія молекул рухомого повітря KE-AM перетворюється у механічну кінетичну енергію рухомого елемента KE-WTR (ротора вітрової турбіни WTR), сформованого з декількох лопатей. На другому етапі електродинамічна система вітрогенератора WG перетворює механічну енергію ротора вітрової турбіни KE-WTR в електричну енергію ЕЕ. Параметри електричного струму EC доводяться в електричному адаптері EA до значень, придатних для постачання в електричну мережу EN і транспортування до акумулятора тепла TS. При роботі вітротурбінної теплоелектростанції в режимі постачання електричної енергії ЕЕ в електричну мережу вся вироблена електрична енергія ЕЕ спрямовується в електричну мережу EN. При роботі вітротурбінної теплоелектростанції в режимі постачання теплової енергії вся електрична енергія ЕЕ транспортується до акумулятора тепла TS. На 3-му етапі при проходженні струму через електричні нагрівачі ЕH виділяється Джоулева теплота, що нагріває теплоносій (наприклад, воду) в акумуляторі тепла.  Накопичення тепла відбувається до того часу, поки температура теплоносія в резервуарах досягне необхідного рівня. З цього моменту вітроенергетична установка автоматично переключається на виробництво електроенергії для внутрішніх потреб господарства, або ж передається у загальну електричну мережу EN. У подальшому акумульована теплова енергія THE у разі необхідності може поступово відбиратись з акумулятора TS за допомогою теплообмінників ТE для обігріву приміщень та гарячого водопостачання.  

Основними складовими частинами конструктивної схеми вітряної системи теплопостачання будівель та споруд є вітрова турбіна WT, акумулятор тепла TS, електричний адаптер EA та пункт теплової енергії TP. З метою запобігання надмірному завищенню потужності вітрової теплоелектростанції вона може бути комбінована з газовим бойлером GB. У якості вітроенергетичної установки звичайно застосовується конструкція з горизонтальною віссю обертання ротора, яка включає ротор з лопатями, трансмісію, електрогенератор, що закріплені на вершині вежі. Акумулятор тепла TS представляє собою термоізольований резервуар з теплоносієм, наприклад, рідиною HTF, яка характеризується необхідними фізико-хімічними параметрами: температурою кипіння, теплоємністю та/або високим значенням ентальпії фазового переходу. У якості теплоносія може використовуватись також тверда речовина, наприклад, (залізо)бетон. До складу акумулятора тепла також входять електричний нагрівачі ЕH та теплообмінники ТE. Відстані між вітроенергетичною установкою WT та акумулятором тепла TS, між акумулятором тепла TS та будівлями (спорудами) BDG визначаються особливостями забудови, наявністю вільного простору для розташування, кліматичними умовами використання та іншими факторами. Певний виграш в енергоефективності можна отримати при близькому розташуванні вітротурбінної системи теплопостачання та будівель. Якщо така можливість виключається, може бути застосована трубопровідна система теплопостачання від акумулятора тепла до будівель та споруд. 

Зміщення напряму застосування вітротурбінних технологій у бік переважного виробництва тепла потребує зміни архітектури побудови вітроенергетичних систем. У значній мірі змінюються також конструкції окремих складових частин вітроенергетичних систем, а деякі базові елементи мають бути створені заново, що зветься, «з нуля». Виконання проектів вітрових теплоелектростанцій має обов'язково відбуватись з урахуванням їх районування, одні підходи мають застосовуватись при інтеграції теплових станцій з існуючими будівлями та спорудами, і зовсім інші підходи мають використовуватись при зведенні термальних станцій для енергозабезпечення  новобудов. Але як у першому, так і в другому випадках мають дотримуватись вимоги збереження місцевої флори та фауни, попередження тяжких екологічних наслідків.

Вітряна теплоелектростанція підвищеної потужності звичайно комбінується з газовим бойлером. Вона включає вітроенергетичну установку WT,

Схема вітрової теплоелектростанції підвищеної потужності, комбінованої з газовим бойлером

 електричний адаптер EA, акумулятор тепла TS підземного розташування та резервну котельну, наприклад, на природному газу GB. Акумулятор тепла складається з термоізольованих резервуарів Res1, Res2, Res3, наповнених теплоносієм. Нагрів теплоносія забезпечують електричні нагрівачі EH, які живляться від електричного адаптера EA. Постачання тепла та гарячої води споживачам забезпечується за допомоги теплообмінників TE. Автономна вітротурбінна система теплопостачання (вітрова теплоелектростанція) може працювати в двох режимах: генерації електричної енергії EE і поставки її в електричну мережу EN; генерації теплової енергії THE і поставки її споживачам. Резервуари-ємності Res1, Res2, Res3 розташовують у чистих, сухих приміщеннях цоколя будівлі, або ж на відкритому повітрі. Такий тепловий акумулятор накопичує тепло, не порушуючи природний баланс, який склався у певному екологічному середовищі: під землею, в повітрі чи у водоймі. У режимі теплопостачання використовується вторинний теплообмінний контур ТE, який за рахунок циркуляції свого теплоносія (наприклад, води) відбирає накопичену в акумуляторах теплову енергію THE і поставляє її споживачам. В якості вторинного контуру ТE для відбору тепла можуть бути використані конструктиви теплового насоса, звичайно, з деякою корекцією.

Акумулятор тепла представляє собою резервуар (декілька резервуарів) з робочою рідиною, яка характеризується високою питомою теплоємністю, чи великим значенням ельтальпії фазового переходу. У спрощеному вигляді такою робочою рідиною може бути вода. При більш прискіпливому підході у якості теплоносія використовуються розчини солей, які мають вищу точку кипіння та більшу питому теплоємність. Питомою теплоємністю зветься відношення кількості теплоти, що поглинається одиницею маси тіла (речовини) при нескінченно малій зміні його температури, до величини зміни температури [ккал/(кг·град)]. Кількість теплоти, поглинутої тілом, залежить від способу нагрівання тіла та його температури. Розрізняють теплоємність при постійному об'ємі і температурі та при постійному тиску. При нагріванні при постійному тиску частина теплоти йде на виконання роботи розширення тіла, а частина — на збільшення його внутрішньої енергії, тоді як при нагріванні при постійному об'ємі вся теплота витрачається лише на збільшення внутрішньої енергії. Акумулятор тепла у більшості випадків є термоізольованою ємністю-цистерною, виконаною у вигляді судини Дюара. Він також може складатися з декількох резервуарів. Кожен з таких резервуарів призначений для зберігання теплоносія із різною температурою. Упорядкований теплообмін між різними об'ємами теплоносія, що знаходяться у різних резервуарах, виконується за допомогою системи трубопроводів. Нагрів теплоносія у резервуарах проводиться циклічно, по мірі зростання вітрових потоків. Тепло, накопичене в резервуарах акумулятора, у подальшому використовується для обігріву помешкань, гарячого водопостачання чи інших цілей. Система акумуляції тепла може бути виконана у  наземному та підземному варіантах розташування резервуарів-накопичувачів теплоносія. Вибір тієї чи іншої конструкції обумовлюється конкретними задачами, що вирішуються при створенні теплової системи.

Акумулятори тепла на основі теплоносія — води (Н₂О). Питома вага — 1000 кг/м³. Питома теплоємність — 4,2 кДжхкг⁻¹хК⁻¹. Питома теплота плавлення криги — 335 МДж/м³. Кількість тепла, що накопичується водою об'ємом при нагріванні з до — 4,2 кДж/(кг·К) ·1000·50⁰C = 210 МДж·м⁻³. Проблема використання та зберігання великих об'ємів води може спровокувати розвиток бактерій чи флори (грибків), які призводять до гниття при недотриманні певних санепідеміологічних вимог.

Акумулятори тепла на основі використання ентальпії фазового переходу. Більш раціонально вирішувати питання акумулювання тепла не нагрівом теплоносія до певної температури, а використанням фізико-хімічних особливостей фазового переходу речовини з одного агрегатного стану в інший.

Вода — крига. Питома теплота плавлення криги — 335 МДж/м³. Кількість тепла, яка необхідна для плавлення криги у воду, майже еквівалентна кількості тепла для нагріву води з 0⁰С до 80⁰С. При нагріванні води з 0⁰С до 80⁰С акумулюється 4,2 [кДж/(кг·К)]·1000·80⁰C = 336 МДж·м⁻³. При кристалізації води об'ємом виділяється аналогічна кількість тепла, яка поглинається при плавленні — 335 МДж. Для порівняння, при нагріві води з до акумулюється 4,2 [кДж/(кг·К)]·1000· = 210 МДж·м⁻³.

Парафіни C₂₅H₅₂. Температура плавлення — . Теплоємність — (2,14…2,9) кДж·кг⁻¹·К⁻¹. Вартість — 1,0US$/кг.

Сульфат натрію Na₂SO₄ (глауберова сіль) та десятиводний сульфат натрію Na₂SO₄x10H₂O. Кожна молекула сульфату натрію Na₂SO₄ зв'язує 10 молекул води. При зростанні температури сульфат натрію розчиняється у своїй воді з поглинанням тепла. При температурі +32⁰С він плавиться. При охолодженні нижче цієї температури він кристалізується і віддає тепло. Теплота кристалізації  - 1387 кДж/моль. Вартість — 0,25US$/кг. розчину дозволяє акумулювати 7,2 ГДж тепла.

Нітрит-нітратні суміші натрію та калію.  У теплових акумуляторах використовуються суміші NaNO₃, NaNO₂, KNO₃ та KNO₂. Вони плавляться при високій температурі та дозволяють нагрівання до (500…540)⁰С.

Нітрат натрію NaNO₃. Ентальпія фазового переходу складає 468 кДж/моль, питома теплоємність — 117 кДж·моль⁻¹·К⁻¹,  маса молекули — 84,99 а.о.м, кількість молів в — 11,8. 

Нітрит натрію NaNO₂. Ентальпія фазового переходу складає 359 кДж/моль, питома теплоємність — 117 кДж·моль⁻¹·К⁻¹, маса  молекули — 69 а.о.м, Кількість молів в = 14,1. 

Нітрат калію КNO₃. Маса молекули  - 101 а.о.м. Кількість молів в = 9,67. 

У якості теплоносія використовуються також суміші NaNO₃ (60 %) + KNO₃ (40 %): питома вага — 2,1 кг/см³; температура плавлення — температура кипіння — , при нагріві до проходить реакція 2KNO₃ = KNO₃ + О₂.

В концентраторних  електростанціях США апробуються різні концентрації нітрат-нітринної суміші з добавленнями консервантів. Наприклад, в експериментальній сонячній електростанції межового типу Solar Two суміш плавилась при температурі 221⁰С і нагрівалася до температури 566⁰С.

Кожна з трьох теплових СЕС Andarsol потужністю 50 МВт, які збудовані в Іспанії фірмами Solar Millennium AG та FlagSol GmbH, використовує для накопичення тепла дві ємності об'ємом . Температура холодного резервуару — , гарячого — .

Обігрів житлового масиву у Нижній Австрії  здійснюється за допомогою акумулятора тепловою ємністю 7200 ГДж. При використанні у якості теплоносія води об'єм резервуара склав би .

З метою досягнення максимальної енергефективності при створенні вітряної теплоелектростанції мають бути використані інноваційні підходи побудови окремих її складових частин, а також знайдені рішення раціонального інтегрування елементів у загальну схему. З такими суттєвими поліпшеннями новітня вітротурбінна система теплопостачання повністю відповідатиме екологічним та економічним вимогам. Зокрема, у ній використовується екологічно безпечний технологічний процес «збирання» лопатями вітрової турбіни енергії вітру, на певній відстані від землі. При комбінуванні з іншими енергетичними технологіями, заснованими на спалюванні органічного палива, вітрові системи можуть ефективно забезпечувати теплом житлові будівлі, комунальну інфраструктуру населених пунктів, а також технологічні процеси промислових та агропромислових об'єктів.

Принципи побудови базової схеми можуть бути застосовані для створення вітроенергетичних систем теплопостачання різної потужності. В залежності від призначення вітротурбінні системи теплопостачання характеризуються різними енергетичними параметрами.