АККУМУЛИРОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В МИКРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Для широкого использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) необходимо решение вопроса эффективного перераспределения получаемой от них энергии во времени. Известно, что приход энергии ВИЭ является весьма неравномерным и зависящим от многих факторов. Одновременно процесс потребления или графики нагрузки также неравномерны в зависимости от ритма жизни человека, характера потребления энергии и т.д. Для согласования этих процессов возможно использование следующих режимов работы установки на ВИЭ:
1) работа в энергосистеме параллельно с сетью в режиме максимума выработки;
2) недоиспользование энергии возобновляемых источников путем диссипации лишней энергии;
3) подстраивание процесса потребления под процесс производства;
4) комбинированное использование нескольких источников возобновляемой энергии, обеспечивающих требуемый режим потребления;
5) накопление излишков энергии в периоды максимума прихода ВИЭ и отдача в периоды минимумов, т.е. аккумулирование.
Однако следует признать, что даже комплексное использование ВИЭ не освобождает от необходимости аккумулирования пусть и сравнительно небольшой части энергии. Поэтому проблема аккумулирования является одной из ключевых при использовании ВИЭ. При этом приходится сталкиваться чаще всего с необходимостью аккумулирования механической, тепловой и электрической энергии и для этого используются следующие виды аккумулирующих систем (рис.1): гидравлические; пневматические; инерционные; емкостные (тепловые); фазопереходные; емкостные (электрические); электромагнитные; электрохимические; водородные.
Диапазон мощности, наиболее часто используемый для этих систем, и удельные показатели стоимости приведены в табл. 1.
Гидравлическое аккумулирование энергии- это процесс преобразования одного вида энергии в потенциальную энергию массы жидкости, которую в требуемые временные интервалы можно преобразовать в необходимый вид энергии. Исходя из этого определения, в принципе, с помощью известных технических средств можно обеспечить гидравлическое аккумулирование тепловой, механической, электрической и лучистой энергии.
Неравномерность графиков потребления электрической энергии требует применения более гибкой системы управления производством и распределением энергии.
Достижение эффективности перераспределения произведенной энергии во времени возможно лишь путем применения аккумулирующих систем, позволяющих накопить излишки энергии в периоды минимального потребления энергии и отдавать их в периоды прохождения пиковых нагрузок.
Широко применяемые в настоящее время способы аккумулирования энергии предусматривают сохранение конечного продукта, т.е. электрической или другой энергии. Однако более экономичным является аккумулирование первичного ресурса энергии, так как в этом случае не теряется энергия на перетоки и трансформацию [1]. Такими аккумуляторами могут быть емкости, баки, бассейны, водоемы и водохранилища, а сам способ аккумулирования энергии называется гидравлическим.
Способ гидравлического аккумулирования энергии выгодно отличается такими преимуществами, как несложность строительства и эксплуатации устройств (сооружений), возможность аккумулирования большого объёма энергии, сравнительно приемлемые затраты и другие.
Эксплуатационные показатели гидроаккумулирующих устройств (ГАУ) прежде всего зависят от размеров затрат на подачу использованной воды из нижнего водоёма в верхний. Обычно для этой цели используются насосные агрегаты, у которых линия всасывания соединена с нижним водоемом (баком), а линия нагнетания - с верхним водоемом (баком). При этом насосные агрегаты потребляют на 18-38% больше вырабатываемой турбинами ГАУ энергии [2]. Из этого ясно, что уменьшение затрат на подачу воды в верхний бассейн, бесспорно, повышает эффективность функционирования ГАУ.
Для этой цели, на наш взгляд, использование гидравлических таранов для подачи воды в верхний водоём, несомненно, является выгодным способом. Гидравлический таран - это водоподъёмная установка, использующая силу гидравлического удара потока воды, движущейся в трубе, для её подъёма на высоту. Таран может работать автоматически без осмотра в течение длительного времени, используя мощность водной энергии. Принцип действия и некоторые конструкции гидравлических таранов приведены в работе [3].
Одним из основных недостатков гидравлического тарана является то, что более половины подаваемой воды истекает из отверстия ударного клапана в атмосферу. При самых удачных конструкциях около 40% воды, забираемой из водоисточника, поступает в верхний бак. Это связано с тем, что скорость истечения воды из трубы в атмосферу должна увеличиться до такой величины, при которой сопутствующее гидродинамическое давление, действующее снизу вверх на ударный клапан, превысит вес клапана и он должен резко закрыться. До этого мгновенья вода вытекает через отверстие ударного клапана в атмосферу.
Для повышения эффективности работы гидравлического тарана, работающего в составе ГАУ, на наш взгляд, целесообразно использовать следующую систему. Струю сбрасываемой через ударный клапан воды необходимо направлять в специальный бак, который служит источником для следующего гидравлического тарана, перекачивающего очередной объем воды в верхний бак. При этом точно в таком же порядке вытекающую из этого тарана воду можно использовать для следующей ступени совместной работы таранов, в связи с тем что напор воды в нижнем (питающем) баке может иметь величину 0,8 - 1, 0 м и больше, а таран может развивать этот напор в десятикратную величину. В составе системы можно иметь несколько работающих в каскадном порядке таранов. Схема такого комплекса, в составе которого действуют три гидравлических тарана, приведена на рис. 1.
Предлагаемый комплекс работает следующим образом. Поток воды из верхнего бака 1 через турбину 2, генерируя электрическую энергию, поступает в нижний бак 3, откуда с помощью водоподводящей трубы 4 подаётся в гидравлический таран 5, который обеспечивает перекачку поступающей из бака 3 воды в верхний бак 1 при помощи напорной трубы 6. (Объём воды, перекачиваемой в верхний бак, принимается приблизительно равным 40%).
В баке 7 скапливается около 60% вытекающей из тарана 5 воды, которая, в свою очередь, подаётся в следующий гидравлический таран, обеспечивающий перекачку в верхний бак 1 очередной порции воды в объёме 40% от объёма бака 7.
Таким образом, при работе обоих таранов с 40% водоподачей в баке 8 останется 36% от объёма воды бака 3, который можно подавать в следующую ступень комплекса с третьим гидравлическим тараном. При этом вновь можно иметь выигрыш с 40 %-ным объёмом воды, подаваемым в верхний бак 1, а остающаяся часть воды от третьего тарана в баке 9 перекачивается насосным агрегатом 11 в верхний бак 1. В случае временной неработоспособности и ремонта таранов приводятся в действие аварийные трубы 12.
Из вышеприведенного следует, что при использовании трех гидравлических таранов примерно 78 % от объёма воды нижнего бака 3 подаётся в верхний бак 1 без использования электрической энергии.
В таком же порядке число гидравлических таранов можно увеличивать, например, до четырех. При этом объем безмашинной водоподачи с помощью гидравлических таранов составляет 87% . Однако при повышении числа таранов увеличивается общий напор, что приводит к снижению надежности комплекса, росту затрат на возведение сооружения и расхода на электроэнергию, потребляемую насосным агрегатом 11.