CZ296561B6 - Process for producing electric power by employing at least one wind power plant - Google Patents

Abstract

Electric power produced by wind power stations (1) is transformed to a power accumulated in compressed air and the compressed air is stored in a storage tank (5) wherefrom the compressed air is conveyed along with fuel into combustion chambers (9) of a combustion turbine (7), whereby said combustion turbine (7) mechanical energy id transformed to electric power. Methyl or ethyl esters produced from vegetable oils and/or animal fats are employed as the fuel. Heat of the combustion turbine (7) combustion products heats compressed air for the combustion chambers (9).

Description

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká způsobu výroby elektrické energie pomocí alespoň jedné větrné elektrárny.The invention relates to a method of producing electric power by means of at least one wind power plant.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V současné době je elektrický proud vyráběný velkou větrnou elektrárnou dodáván přímo do veřejné elektrické sítě. Proudění vzduchuje zpravidla časově nerovnoměrné a množství vyráběné elektrické energie má kolísavý průběh. Trvalou dodávku elektrické energie z větrných elektráren do sítě při ustáleném výkonu není proto prakticky možné zaručit. Často je elektrický proud z větrné elektrárny dodáván do sítě v době, kdy je elektrické energie nadbytek, např. v noci, a naopak v době energetické špičky, kdy obvykle spotřebitel platí nejvyšší tarif, vítr nefouká a větrná elektrárna elektrickou energii nedodává. Tyto problémy se snaží řešit např. vynález popsaný ve spise UK 2246 602, podle kterého elektřina z větrné elektrárny pohání generátor napájející pohon setrvačníku, který má akumulovat energii v případě jejího nevyužití. Navíc je zařazen spalovací motor, který rovněž pohání motor pro pohon setrvačníku a zbytkové teplo je akumulováno. Ve spise US 5 384 489 je popsáno řešení, podle nějž je elektrický proud z větrné elektrárny veden do elektrických odporů, se akumuluje ve formě tepla v kapalině. Tepelná energie je pak využita klasickým způsobem v parní turbíně, která pohání generátor elektrického proudu. Podle řešení uvedeného ve spise EP 0 571 486, pomaluběžná mnoholistá větrná turbína pohání elektrický generátor, který slouží buď pro přímý ohřev vody, nebo vzduchu nebo pro chlazení. V systému je zařazeno tepelné čerpadlo. Pokud je vyrobena z vody pára, je použita pro pohon parní turbíny. Systém je určen pro malé elektrické i tepelné výkony. Ve spise US 5 740 677 je popsáno řešení, které je kombinací větrné elektrárny se spalovacím motorem. Celá souprava je určena pro přímou výrobu elektrické energie a destilaci vody. Není zde žádná akumulace energie.Currently, electricity generated by a large wind power plant is supplied directly to the public grid. The air flow is usually uneven in time and the amount of electrical energy produced is fluctuating. Therefore, the continuous supply of electricity from wind farms to the grid at steady power is practically impossible to guarantee. Often, electricity from the wind power is fed into the grid at a time when electricity is in excess, for example at night, and vice versa, at peak times when the consumer usually pays the highest tariff, wind does not blow and the wind power does not supply electricity. These problems are attempted, for example, by the invention described in UK 2246 602, according to which electricity from a wind turbine drives a generator supplying a flywheel drive to store energy when it is not used. In addition, an internal combustion engine is also provided, which also drives the engine for driving the flywheel and the residual heat is stored. U.S. Pat. No. 5,384,489 discloses a solution according to which electric current from a wind power plant is directed to electrical resistors, which is stored in the form of heat in a liquid. The thermal energy is then utilized in a conventional way in a steam turbine that drives the electric generator. According to the solution disclosed in EP 0 571 486, a low-speed, multistage wind turbine drives an electric generator which serves either for direct heating of water or air or for cooling. The system includes a heat pump. If steam is produced from water, it is used to drive a steam turbine. The system is designed for low electrical and thermal outputs. US 5 740 677 discloses a solution which is a combination of a wind turbine with an internal combustion engine. The whole set is designed for direct electricity generation and water distillation. There is no energy storage.

Účelem tohoto vynálezu je způsob využívání soustavy technologických jednotek zahrnujících elektrické elektrárny, který umožňuje efektivní využívání kinetické energie proudícího vzduchu a zaručuje dodávky elektrické energie v předem stanovené době a nikoliv nahodile.The purpose of the present invention is to provide a method of utilizing a set of process units comprising electric power stations which allows efficient use of the kinetic energy of the flowing air and guarantees the power supply at a predetermined time and not randomly.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedeného účelu je dosaženo způsobem výroby elektrické energie pomocí alespoň jedné větrné elektrárny a přeměny elektrické energie vyroben větrnými elektrárnami na energii akumulovanou ve stlačeném vzduchu podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že stlačený vzduch se ochladí a uloží do zásobníku, odtud se podle potřeby tento stlačený vzduch, spolu s palivem, vede do spalovacích komor spalovací turbíny, jejíž mechanická energie se přemění na elektrickou energii, přičemž teplem spalin spalovací turbíny se předehřívá tlakový vzduch přiváděný ze zásobníku. Dále podle tohoto způsobu se jako palivo spalovací turbíny využívají metyl nebo etyl estery vyrobené z rostlinných olejů a/nebo zvířecích tuků.The aforementioned purpose is achieved by a method of generating electricity by means of at least one wind power plant and converting electric power produced by wind power plants into compressed air energy according to the present invention, which consists in cooling the compressed air and storing it in a storage tank. If necessary, this compressed air, together with the fuel, leads to the combustion chambers of a combustion turbine, the mechanical energy of which is converted into electrical energy, whereby the combustion air of the combustion turbine preheats the compressed air supplied from the reservoir. Further, according to this method, methyl or ethyl esters made from vegetable oils and / or animal fats are used as fuel for the combustion turbine.

Výhodou tohoto způsobu je, že spojením zásobníků se stlačeným vzduchem, který je stlačován a vháněn do zásobníků kompresory poháněnými elektromotory napájenými elektřinou z větrných elektráren po celou dobu jejich provozu, tedy i v době přebytku elektrické energie v síti, a spalovací turbíny se dosáhne využití elektrické energie vyráběné větrnou elektrárnou i v době energetické špičky. U klasické spalovací turbíny je nejdříve vzduch stlačován kompresorem poháněným spalovací turbínou. Stlačený vzduch vstupuje do spalovací komory do které se vstřikuje palivo které hoří a horké spaliny vstupuji do turbíny, kde část jejího výkonu, cca 60 %, je spotřebována na pohon kompresoru a pouze zbývající část pohání elektrický generátor. Předmět ným způsobem je tato vlastní spotřeba energie pro pohon kompresoru turbíny hrazena z vnějšího nezávislého zdroje využívajícího přírodní podmínky. Navíc se předpokládá použití paliva získaného zpracováním olejů rostlinného původu. Předmětný způsob tak představuje rovněž přínos z ekologického hlediska, neboť dovoluje využívat výhradně obnovitelné zdroje energie, jakými jsou jak kinetická energie proudícího vzduchu, tak navržené palivo spalovací turbíny.The advantage of this method is that by combining the tanks with compressed air, which is compressed and blown into the tanks by compressors driven by electric motors supplied with electricity from the wind power stations throughout their operation, thus also in the time of the surplus electricity in the network. energy produced by a wind power plant during peak energy periods. In a conventional combustion turbine, the air is first compressed by a compressor driven by a combustion turbine. Compressed air enters the combustion chamber into which the fuel that is burning is injected and the hot flue gas enters the turbine, where part of its power, about 60%, is consumed to drive the compressor and only the remaining part is driven by the electric generator. In this way, this inherent energy consumption to drive the turbine compressor is covered by an external independent source using natural conditions. In addition, it is envisaged to use fuel obtained by processing oils of vegetable origin. Thus, the present method also provides environmental benefits by allowing the use of exclusively renewable energy sources, such as both the kinetic energy of the flowing air and the proposed fuel of the combustion turbine.

Přehled obrázku na výkreseOverview of the figure in the drawing

Vynález je dále podrobněji objasněn na příkladu jeho praktického provedení, uvedeném na přiloženém výkresu, na němž je naznačeno principiální schéma technologického uspořádání základních jednotek včetně větrných elektráren.The invention is explained in more detail below by way of example with reference to the accompanying drawing, in which a schematic diagram of the technological arrangement of the basic units, including wind turbines, is indicated.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Podle předmětného technologické uspořádání jednotek, jak je znázorněno na výkrese, je nejprve elektrickou energií vyrobenou větrnými elektrárnami 1 napájen elektromotor 2, který pohání soustavu sériově řazených kompresorů 3 s chladiči 4 vzduchu mezi jednotlivými stupni a za koncovým stupněm. Časově proměnné množství elektrické energie je tak přeměněno na energii ve stlačeném vzduchu. Tlakový vzduch na výstupu kompresorů 3 je vháněn do zásobníků 5, nadzemních nebo podzemních. S výhodou lze využít podzemních prostorů, ať již vzniklých jako výsledek lidské činnosti, např. při těžení zemního plynu nebo nafty či těžbě uhlí nebo podzemních dutin vytvořených přírodními pochody. Z tlakového zásobníku 5 je tlakový vzduch veden přes tepelný rekuperátor 6 do spalovací komory 9 turbíny 7 spřažené s generátorem 8 elektrického proudu. Zde je energie uložená v tlakovém vzduchu, spolu s energií získanou spalováním daného paliva přeměněna na elektrickou energii. K této přeměně však může docházet v době,kdy je elektrické energie v síti nedostatek, navíc její výroba probíhá za stálých, předem definovaných podmínek, jako je výkon dodávaný do sítě apod. Teplo spalin odcházejících ze spalovací turbíny 7 je zpětně využíváno v rekuperátoru 6 pro ohřev vzduchu, který vstupuje do spalovací komory, případně pro výrobu užitečného tepla, např. horké vody nebo páry.According to the present technological arrangement of the units, as shown in the drawing, the electric power produced by the wind turbines 1 is first fed by an electric motor 2, which drives a series of compressed air compressors 3 with air coolers 4 between stages and downstream. The time-varying amount of electrical energy is thus converted into energy in compressed air. The compressed air at the outlet of the compressors 3 is blown into the tanks 5, above ground or underground. Advantageously, underground spaces may be utilized, whether as a result of human activity, for example in the extraction of natural gas or oil, or the extraction of coal or underground cavities created by natural processes. From the pressure reservoir 5, the compressed air is led through a heat recuperator 6 into the combustion chamber 9 of the turbine 7 coupled to the electric generator 8. Here, the energy stored in the compressed air, together with the energy obtained by burning the fuel, is converted into electrical energy. However, this conversion may occur at a time when the electricity in the grid is scarce, in addition, it is produced under fixed, predefined conditions, such as power supplied to the grid, etc. The heat of the flue gas leaving the combustion turbine 7 is reused in heating the air entering the combustion chamber, optionally for producing useful heat, such as hot water or steam.

Spalováním vhodného paliva, jaké představují metylestery či etylestery vyrobené z čerstvých nebo odpadních rostlinných olejů, tzv. bionafita, pak výše popsaný provoz zdroje elektrické energie představuje využití výhradně obnovitelných zdrojů energie, bez negativního vlivu na ekologii životního prostředí.By burning a suitable fuel, such as methyl or ethyl esters made from fresh or waste vegetable oils, the so-called biodiesel, the above-described operation of the electric power source constitutes the use of exclusively renewable energy sources without any negative impact on the environment.

Praktickým příkladem, odpovídajícím vyobrazení, může být farma větrných elektráren provozující šestnáct agregátů, každý o jmenovitém výkonu 860 kW, při průměrném ročním výkonu 250 kW. Průměrný roční výkon celé farmy je 4,0 MW. Každý agregát má průměr vrtule 71 m, jmenovité otáčky 10,0 1/min při jmenovité rychlosti větru 13,5 m.s^-1. Zapínací rychlost větru 6,0 m.s¹, vypínací rychlost větru 24,0 m.s^-1. Hladina akustického hluku ve vzdálenosti 300 m od skupiny šestnácti agregátů má hodnotu 70 dB(A), ave vzdálenosti 1000m 62 dB(A). Kompresory poháněné elektromotory napájenými elektrickým proudem z větrných elektráren budou pracovat nepřetržitě, a to s výkonem který odpovídá okamžité hodnotě generované farmou větrných elektráren.A practical example, corresponding to the illustration, may be a wind farm operating sixteen aggregates, each rated at 860 kW, with an annual average output of 250 kW. The average annual output of the whole farm is 4.0 MW. Each unit has a propeller diameter of 71 m, rated speed of 10.0 1 / min at a nominal wind speed of 13.5 ms ^-1 . Wind speed 6.0 ms ¹ , wind speed 24.0 ms ^-1 . The level of acoustic noise at a distance of 300 m from a group of sixteen units is 70 dB (A) and at a distance of 1000 m 62 dB (A). Compressors powered by electric motors powered by wind turbines will operate continuously at a power that corresponds to the instantaneous value generated by the wind farm.

Předpokládaná doba provozování spalovací turbíny v průběhu celého dne odpovídá šesti hodinám v elektrické špičce. Elektrický generátor spalovací turbíny má výkon 21 MW. Uvažuje se, že teplota vzduchu na vstupu do rekuperátoru má hodnotu 12 °C a střední tlak 30 bar. Dále se počítá s teplotou spalin na vstupu do turbíny ve výši 1150 °C.The estimated operating time of the combustion turbine during the whole day corresponds to six hours during peak hours. The electric turbine generator has an output of 21 MW. It is assumed that the air temperature at the inlet to the recuperator has a value of 12 ° C and a mean pressure of 30 bar. Furthermore, the flue gas inlet temperature of 1150 ° C is assumed.

Objem zásobníku vzduchu suchého typu je vyhodnocen na 30 000 m³, a to při nejvyšším tlaku 35 bar a nejnižším tlaku 25 bar. V případě zásobníku mokrého typu, kde je udržován konstantníThe volume of the dry-type air reservoir is evaluated at 30,000 m ³ at a maximum pressure of 35 bar and a minimum pressure of 25 bar. In the case of a wet type container where it is kept constant

-2CZ 296561 B6 tlak hydrostatickou výškou na hodnotě 30 bar, by postačoval celkový objem zásobníku 10 000 m³.A total hydrostatic pressure of 30 bar would suffice for a total tank volume of 10,000 m ³ .

Výše popsaný systém představuje investici kolem 650 milionů Kč, s jednoduchou návratností vyhodnocenou na 5,5 až 6 let.The system described above represents an investment of around CZK 650 million, with a simple payback period of 5.5 to 6 years.

Jiným příkladem použití technologického uspořádání soustavy jednotek podle předmětného vynálezu je elektrárna s nadzemním zásobníkem. V tomto případě se uvažuje se šesti agregáty s průměrem vrtule 22 m. Roční průměrný výkon každého agregátu je 25 kW a nominální výkon 87 kW. Hladina akustického hluku ve vzdálenosti 300 m od celé skupiny agregátů má hodnotu 60 dB(A) a ve vzdálenosti 1000 m potom 50 dB(A).Another example of the use of the technological arrangement of a set of units according to the present invention is a power plant with an aboveground storage tank. In this case, six units with a propeller diameter of 22 m are considered. The annual average power of each unit is 25 kW and the nominal power is 87 kW. The noise level at 300 m from the whole group of units is 60 dB (A) and at 1000 m it is 50 dB (A).

Elektřina generovaná celou farmou větrných elektráren s šesti agregáty s ročním průměrným výkonem 150 kW napájí elektromotory dvou sériově řazených pístových kompresorů, které stlačují okolní vzduch až na 60 bar. Po schlazení je stlačený vzduch veden do nadzemního zásobníku suchého typu, který je v tomto případě koncipován ze 16ti segmentů potrubí o průměru 1 m a délce 22 m. Tlak vzduchu v tomto zásobníku kolísá mezi 30 bar a 60 bar.The electricity generated by the entire six-aggregate wind farm with an annual average output of 150 kW feeds the electric motors of two series-operated reciprocating compressors, which compress the ambient air up to 60 bar. After cooling, the compressed air is directed to a dry type aboveground tank, which in this case is conceived of 16 segments of 1 m diameter and 22 m length. The air pressure in this tank varies between 30 bar and 60 bar.

Vzduch o průměrném tlaku 45 bar je veden ze zásobníku přes tepelný rekuperátor, kde se ohřeje na teplotu kolem 350 °C, do první komory spalovací turbíny. Spalovací turbína je tvořena třemi sekcemi kde postupně spaliny expandují až na vstupní tlak do rekuperátoru. Spaliny z první vysokotlakové sekce turbíny jsou vedeny do druhé spalovací komory, kde se zvýší jejich teplota hořením paliva, a odtud vstupují do druhé středotlakové sekce turbíny. Tento proces se opakuje i na třetí nízkotlakové sekci spalovací turbíny. Uvažuje se, že vstupní teploty do všech tří sekcí turbíny mají hodnotu kolem 980 °C. Vhodným palivem pro tuto konfiguraci jsou buď metylestery, tj. čistá bionafta, a/nebo jejich směs s motorovou naftou.Air with an average pressure of 45 bar is led from the tank through a heat exchanger, where it is heated to a temperature of about 350 ° C, to the first chamber of the combustion turbine. The combustion turbine consists of three sections where the flue gas gradually expands up to the inlet pressure to the recuperator. The flue gases from the first high pressure section of the turbine are led to a second combustion chamber where their temperature is increased by burning the fuel, and from there they enter the second medium pressure section of the turbine. This process is repeated on the third low pressure section of the combustion turbine. The inlet temperatures to all three turbine sections are considered to be about 980 ° C. Suitable fuel for this configuration are either methyl esters, ie pure biodiesel, and / or a mixture thereof with diesel fuel.

Všechny tři sekce spalovací turbíny jsou na společném hřídeli který přes převodovou skříň pohání elektrický generátor. Stejně jako v prvním příkladě se uvažuje, že celá soustava bude exportovat špičkovací elektrický proud o výkonu 520 kW po dobu šesti hodin v průběhu dne.All three sections of the combustion turbine are on a common shaft which drives the electric generator through the gearbox. As in the first example, it is contemplated that the entire system will export a peaking current of 520 kW for six hours during the day.

Investiční náklady pro celou soustavu lze očekávat ve výši kolem 25 milionů Kč. Tomu odpovídající jednoduchá návratnost bude 7,5 až 8 let.Investment costs for the entire system can be expected to be around CZK 25 million. The corresponding simple payback will be 7.5 to 8 years.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Konfigurace elektrického zdroje podle předmětného vynálezu dovoluje umístění jednotek větrné elektrárny v jiné geografické lokalitě než část s kompresory, zásobníky a spalovací turbínou s elektrickým generátorem. Vzhledem k možnosti přenosu elektrické energie z větrné elektrárny vlastním vedením nebo veřejnou sítí je vytvořen potenciál pro vybudování špičkovacího zdroje v místě, kde je jeho potřeba žádoucí a ekonomicky výhodná z důvodů vysokých lokálních prodejních tarifů za elektrickou energii. V tomto smyslu je užitečný i přenos do států kde jsou zvýhodněny prodejní tarify pro elektrickou energii z obnovitelných zdrojů.The power source configuration of the present invention allows the location of the wind power units at a different geographical location than the compressor, storage and combustion turbine section with the electric generator. Given the possibility of transferring electricity from a wind power plant through its own power line or public grid, the potential for building a peak power source at a location where its need is desirable and economically advantageous is created because of high local electricity sales tariffs. In this sense, transmission to countries where sales tariffs for electricity from renewable energy sources are preferable is also useful.

Z ekonomického hlediska je možné při dlouho trvajícím bezvětří připojit motory kompresorů k veřejné síti v době, kdy tarify za elektrickou energii pro odběratele jsou nízké.From an economic point of view, it is possible to connect the compressor motors to the public network at a time when the electricity tariffs for consumers are low with long-term windless conditions.

V případech kdy je nadbytek elektrické energie z větrné elektrárny, bude ekonomické elektrický proud z elektrického generátoru poháněného spalovací turbínou exportovat i v době mimo špičky. Takovýto způsob provozování celého zdroje je určován podmínkou tak, aby nebyl překročen dovolený maximální tlak v zásobnících.In cases where there is an excess of electricity from the wind power plant, the economic electricity from the electric generator driven by the combustion turbine will be exported even during off-peak hours. Such a way of operating the whole source is determined by a condition so that the maximum allowed pressure in the tanks is not exceeded.

Claims (2)

1. Způsob výroby elektrické energie pomocí větrné elektrárny (1) a přeměny elektrické energie vyrobené větrnými elektrárnami (1) na energii akumulovanou ve stlačeném vzduchu, vyznačující se tím, že stlačený vzduch se ochladí a ukládá do zásobníku (5), odtud se podle potřeby stlačený vzduch, spolu s palivem, vede do spalovacích komor (9) spalovací turbíny (7), jejíž mechanická energie se přemění na elektrickou energii, přičemž teplem spalin spalovací turbíny (7) se předehřívá tlakový vzduch přiváděný ze zásobníku (5).Method for producing electric power by means of a wind power plant (1) and converting the power produced by wind power plants (1) into energy stored in compressed air, characterized in that the compressed air is cooled and stored in a reservoir (5); the compressed air, together with the fuel, flows into the combustion chambers (9) of the combustion turbine (7), the mechanical energy of which is converted into electrical energy, whereby the combustion air of the combustion turbine (7) preheats the compressed air supplied from the reservoir (5). 2. Způsob výroby elektrické energie podle nároku 1, vyznačující se tím, že jako palivo se využívají metyl nebo etyl estery vyrobené z rostlinných olejů a/nebo zvířecích tuků.Method for producing electric energy according to claim 1, characterized in that methyl or ethyl esters made from vegetable oils and / or animal fats are used as fuel.