АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ (АСЖ) Российский патент 2003 года по МПК F24D15/02 

Изобретение относится к автономным системам жизнеобеспечения наземных, преимущественно автономных объектов - жилых зданий, промышленных и общественных сооружений, отдельных автономных поселений, поселков.

Предлагаемая АСЖ предназначена для обеспечения теплом, горячей водой и электроэнергией со стабилизированными частотой и напряжением указанных выше объектов преимущественно за счет использования легко доступных и широко распространенных источников даровой энергии - энергии ветра и солнечного излучения.

Для АСЖ могут быть использованы известные вихревые энергетические установки с устройствами преобразования энергии ветра в электрическую энергию, накапливаемую в электрических аккумуляторах, связанных с устройствами преобразования этой энергии в электроэнергию со стабилизированными параметрами, которая далее, естественно, может использоваться для электро- и теплоснабжения зданий и других объектов - аналог (1).

Преимущество таких ветроустановок - работоспособность при наиболее часто имеющих место низких скоростях ветра 4-8 м/с, в то время как лопастные ветроустановки эффективны при редко имеющих место скоростях ветра 10-20 м/с. При скоростях ниже указанных границ возникают проблемы электропреобразования и использования вырабатываемой электроэнергии в энергию, пригодную для использования потребителями, что снижает возможности полного использования энергии ветра и использования данных установок для энергообеспечения АСЖ.

Известна также автономная система жизнеобеспечения для автономных объектов, например АСЖ космической станции "МИР", которая содержит солнечные батареи и устройства преобразования получаемой энергии в электроэнергию с параметрами, достаточными для зарядки аккумуляторов, сообщенных в свою очередь с устройствами преобразования накопленной электроэнергии в электроэнергию с параметрами, необходимыми для работы оборудования данного автономного объекта и его систем отопления и горячего водоснабжения - прототип (2).

Общими недостатками аналога и прототипа являются: необходимость всю вырабатываемую даровыми источниками энергию преобразовывать в электрическую энергию с параметрами, пригодными для зарядки электроаккумуляторов, объем (емкость) которых при сколь-либо высокой неравномерности поступления энергии или при требовании высокой надежности энергообеспечения становится практически неприемлем; необходимость последующего преобразования накопленной электрической энергии в тепловую энергию, идущую на отопление и горячее водоснабжение; необходимость преобразования большой части накопленной в электроаккумуляторах энергии в электроэнергию с частотой, например, 50 Гц и напряжением 220/380 В в трехфазной электросети или создания и налаживания серийного производства нового комплекса электрооборудования для отопления, приготовления пищи и облегчения домашнего труда, электроприводов насосов, вентиляторов, электроприводов лифтов и т.п., работающего на постоянном токе с напряжением 12 или 24 В; необходимость регулярного обслуживания электроаккумуляторов; необходимость обеспечения экологически безопасной эксплуатации и регулярной замены электроаккумуляторов, например, один раз в 2-3 года с последующей утилизацией, что является серьезной технической, экологической и экономической проблемой особенно при создании АСЖ для проживания большого количества людей. Эти недостатки особенно проявляют себя при создании АСЖ для уже существующих наземных объектов, таких как многоэтажные здания, жилые микрорайоны, поселки и т.п., для которых требуемый объем электроаккумуляторов и необходимость полной замены всего электрооборудования (для случая перехода на постоянное напряжение) практически делает невозможным создание экологически безопасных, надежных в эксплуатации и рентабельных АСЖ.

Цель данного предложения - создание АСЖ, позволяющей устранить указанные недостатки и тем самым обеспечить практическую возможность реализации наземных экологически безопасных автономных объектов техники с низкими эксплуатационными затратами на энергообеспечение и любым требуемым для жизнеобеспечения потреблением энергии и сколь угодно высокой в реальных условиях проживания неравномерности поступления энергии от ветроустановок и солнечных батарей.

Данная задача решается за счет того, что в автономной системе жизнеобеспечения, содержащей по меньшей мере один источник даровой энергии, преобразователь этой энергии в электрическую энергию, сообщенный с аккумулятором энергии, и устройства преобразования энергии аккумулятора в тепловую и электрическую энергию, подводимую к обслуживаемым объектам, согласно данному предложению:
- аккумулятор энергии выполнен в виде по меньшей мере двух тепловых аккумуляторов: один - низкотемпературный жидкостной, второй - высокотемпературный твердотельный, причем первый аккумулятор гидравлически сообщен с системой отопления и горячего водоснабжения зданий, второй - с содержащей нагреватель и холодильник тепловой машиной привода электрогенератора, сообщенного по меньшей мере с системой электроснабжения зданий;
- низкотемпературный и высокотемпературный теплоаккумуляторы снабжены электронагревателями, сообщенными с преобразователем энергии дарового источника;
- холодильник тепловой машины по теплу сообщен с низкотемпературным теплоаккумулятором, например расположен в нем, а ее нагреватель по теплу сообщен с высокотемпературным теплоаккумулятором, например газовым теплообменным контуром;
- высокотемпературный теплоаккумулятор расположен внутри низкотемпературного теплоаккумулятора;
- даровой источник энергии выполнен по меньшей мере в виде вихревой ветроэнергетической установки с электрогенерирующим преобразователем энергии;
- тепловая машина выполнена работающей по циклу Ренкина, ее нагреватель выполнен в виде парогенератора, сообщенного с высокотемпературным теплоаккумулятором посредством контура циркуляции газового теплоносителя, холодильник выполнен в виде конденсатора пара, гидравлически сообщенного с низкотемпературным теплоаккумулятором посредством контура циркуляции жидкостного теплоносителя или за счет его погружения в теплоноситель низкотемпературного теплоаккумулятора;
- все электропреобразователи энергии даровых источников подключены к общему для них распределителю этой энергии, выполненному с возможностью первоочередного электроснабжения высокотемпературного теплоаккумулятора и контура циркуляции газового теплоносителя;
- тепловая машина дополнительно кинематически сообщена с насосами и газодувками циркуляции теплоносителей в контурах АСЖ;
- нагреватель тепловой машины снабжен резервным топливным, например газогорелочным, источником тепловой энергии, тепловая машина и электрогенератор снабжены устройством стабилизации частоты и напряжения в сети электроснабжения зданий и вспомогательных приводов АСЖ, выполненной с возможностью ее подключения к резервной системе электроснабжения;
- электрогенератор тепловой машины снабжен устройством его синхронизации по частоте, фазе и напряжению с резервной системой электроснабжения, выполненной, например, в виде центральной электросети, с возможностью передачи в нее излишков вырабатываемой электроэнергии;
- низкотемпературный теплогенератор сообщен через счетчик тепла с по меньшей мере одной теплосистемой с возможностью как передачи в нее излишков тепловой энергии, так и получения от нее дополнительной тепловой энергии;
- высокотемпературный теплоаккумулятор и электрогенератор тепловой машины выполнены с возможностью передачи тепловой и электрической энергии внешним высокотемпературным теплоаккумуляторам, расположенным, например, на мобильных машинах;
- высокотемпературный и низкотемпературный теплоаккумуляторы выполнены с возможностью регулируемой передачи тепла от высокотемпературного теплоаккумулятора непосредственно низкотемпературному посредством дополнительного теплообменного контура.

На фиг.1 и 2 даны примеры выполнения АСЖ в виде структурно-компоновочных схем, где обозначено: ВыЭ-выходная электроэнергия от преобразователей даровых источников энергии, ВЭ-электроэнергия преобразователей даровых источников, направляемая потребителям АСЖ для зарядки теплом высоко- и низкотемпературных теплоаккумуляторов, СЭ-электроэнергия со стабилизированными параметрами, например 50 Гц, 380 В, вырабатываемая устройствами АСЖ за счет тепла высокотемпературного теплоаккумулятора.

Предложенная АСЖ состоит из источников ветровой энергии, например, в виде лопастных 1 (см. фиг.1) и/или вихревых 2 ветровых установок, последние из которых рационально располагать на крышах зданий. Ветровые установки 1 и 2 снабжены преобразователями ветровой энергии в электрическую, например электрогенераторами 4, которые в данной АЖС могут быть любого типа (постоянного и переменного тока любой частоты и напряжения). АСЖ также может снабжаться солнечными батареями (платами) 5, вырабатывающими электроэнергию. Указанные источники энергии подключены через распределительное устройство 6, могущее содержать по меньшей мере один электроаккумулятор небольшой емкости, по меньшей мере к двум тепловым аккумуляторам: высокотемпературному твердотельному тепловому аккумулятору 7 (посредством газового теплообменного контура, содержащего газодувку 8 и электронагреватель 9 газа) и низкотемпературному тепловому жидкостному (водяному) аккумулятору 10 (посредством электронагревателей 11, например, тенового типа), а также и другим потребителям электроэнергии, не требующим для их функционирования стабильных параметров электропитания, например к электронагревателю 12. Низкотемпературный теплоаккумулятор гидравлически сообщен с системой отопления и горячего водоснабжения зданий 3 посредством трубопроводов 14 и 14*, подключенных к циркуляционному насосу 13 с возможностью регулирования расхода циркуляции, например, по температуре в обратном трубопроводе 14*.

Высокотемпературный теплоаккумулятор 7 сообщен с тепловой машиной, например паровой, работающей по циклу Ренкина, посредством нагревателя-парогенератора 16, холодильника-конденсатора 17 и конденсатно-питательного насоса 18. Конденсатор 17 по теплу сообщен с низкотемпературным теплоаккумулятором, например, за счет теплообменного контура или за счет его размещения непосредственно внутри теплоаккумулятора 10, заполненного жидкостью, например водой, циркулирующей в теплоаккумуляторе посредством напора циркуляционного насоса 19. Тепловая машина 15 приводит трехфазный электрогенератор 20 переменного тока, стабилизированный по частоте и напряжению (например, 50 Гц, 220/380 В). Стабилизация частоты в данном примере реализации осуществлена за счет регулирования числа оборотов вала машины 15, например, регулятором отсечки пара 21. При необходимости синхронизации генератора 20 по фазе с подключаемой внешней электросетью 22 выполнена тонкая регулировка оборотов машины 15 (например, объемной паровой машины) посредством дроссельного регулятора 23. Генератор 20 через электрораспределитель 24 сообщен с системой электроснабжения зданий 3, а также с электродвигателями насосов 13, 18, 19, 25, газодувок 8, 26 и другими потребителями. Насос 25 обеспечивает работу водопровода зданий 3 и систем их горячего водоснабжения. Газодувка 26 обеспечивает циркуляцию горячего газа через теплоаккумулятор 7 для подачи его внешним потребителям, например теплоаккумуляторам мобильных машин (не показаны), которые периодически для зарядки теплом подключаются к разъемам 27 через дополнительный электронагреватель 28, обеспечивающий стабилизацию и повышение температуры подаваемого газа до требуемой в объединенном при зарядке теплом их контуре циркуляции. Электроснабжение нагревателя 28 может осуществляться как стабилизированным электропитанием (входы СЭ), так и непосредственно от устройства распределения 6 (входы ВЭ). Газодувка 26 также может использоваться и для зарядки теплом самого теплоаккумулятора 7 при питании электроэнергией электронагревателя 28 от распределительного устройства 6 или для закачки тепла в теплоаккумулятор 7 от внешнего высокотемпературного аккумулятора, например, мобильного типа при его подключении к разъемам 27. Газодувка 8 при ее приведении от устройства 6 (входы ВЭ) или распределителя 24 (входы СЭ) служит для зарядки аккумулятора 7 и/или снабжения теплом парогенератора 16 (настройкой регулируемых сопротивлений в контуре циркуляции - см. чертеж).

Вал паровой машины 15 может быть дополнительно кинематически связан с насосами циркуляции воды и газодувками, в том числе с 13, 14, 18, 19, 8, 24 для повышения надежности и эффективности АСЖ.

Конструктивно высокотемпературный аккумулятор 7 может располагаться внутри низкотемпературного теплоаккумулятора 10, см. фиг. 2, или непосредственно примыкать к нему, что снижает потери тепла, улучшает массогабаритные характеристики аккумулятора энергии.

В варианте выполнения по фиг. 2 насос 8 выполнен регулируемым, а на его входе установлен дополнительный конденсатный насос 8*. Насос 13 также выполнен погружным. Система отопления зданий 3 объединена с внутренней полостью теплоаккумулятора, в которой дополнительно установлен теплообменник 29 и теплосчетчик 30 для обеспечения регулируемого теплообмена с дополнительным внешним контуром через гидроразъемы 31. Такое выполнение позволяет с одной стороны подводить тепло к теплоаккумулятору 10 от внешней тепловой сети или отдавать в эту систему избыточное тепло, ведя его учет.

Тепловая машина 15 может быть выполнена работающей по циклу Стирлинга или другому циклу внешнего нагревания, но во всех случаях ее нагреватель расположен в аккумуляторе 7 или гидравлически связан с ним теплообменным контуром, а ее холодильник объединен с низкотемпературным теплоаакумулятором 10 общим теплообменным контуром, т.е. по существу холодильник и аккумулятор 10 представляют собой единое целое. Такое выполнение обеспечивает полную утилизацию тепловой энергии, теряемой за счет несовершенства теплового цикла тепловой машины, поскольку все указанные потери переходят в тепло низкотемпературного аккумулятора 10 и в дальнейшем полезно используются для обогрева зданий 7.

Работает описываемая АСЖ следующим образом.

При наличии ветра лопастные и вихревые ветроустановки (корпус вихревой ветроустановки рационально покрывать солнечными батареями-платами и/или покрывать теплопоглащающим солнечные лучи покрытием для создания дополнительной тяги, увеличивающей скорость ветропотока, подводимого к турбине), оптимальные соответственно при высоких и низких скоростях ветра, а также солнечные батареи вырабатывают электрическую энергию, подводимую к распределительному устройству 6 (входы ВыЭ), которая передается электронагревателям - выходы ВЭ, обеспечивающим в первую очередь разогрев высокотемпературного теплоаккумулятора до заданной температуры, например, по показаниям датчика температуры 32, см. фиг.1, подключенного к информационным входам 33 устройства 6 и на энергообеспечение процесса запуска тепловой машины 15. Далее устройство 6 подключает свои силовые выходы ВЭ на разогрев низкотемпературного теплоаккумулятора 10. При этом электрогенератор 20, приводимый машиной 15, уже вырабатывает переменный ток со стабилизированными параметрами - выходы/входы СЭ, что позволяет в полном объеме обеспечить электроснабжение электроприводов собственных нужд и электроснабжение зданий 3.

Выделяемое в конденсаторе 17 тепло также идет на разогрев теплоаккумулятора 10. При включении насоса 13 и 25 обеспечивается теплоснабжение и водоснабжение зданий холодной и горячей водой.

В критических ситуациях (продолжительное отсутствие ветра и солнца) электроснабжение и теплоснабжение зданий 3 может обеспечиваться за счет сжигания в парогенераторе 16 топлива, например, хранимого в газовых баллонах 34. При этом тепло, выделяемое конденсатором 17, передается теплообменнику 35 системы теплоснабжения за счет их расположения в общей теплообменной секции 36 аккумулятора 10. Разогрев системы теплоснабжения зданий 3 дополнительно осуществляется в дополнительном теплообменнике 37 за счет тепла газов, выходящих из парогенератора при сжигании газа, когда вентиль 38 открыт, процесс сгорания топлива управляется регулятором 39 по температуре пара на выходе парогенератора. Естественно, что могут быть использованы и дополнительные топливные водонагреватели обычного типа для подержания температуры в системе теплоснабжения (трубопроводах 14 и 14*).

При начальном пуске АСЖ запуск газодувки 8 и питательного насоса 18 может осуществляться от электроаккумулятора, например, в составе устройства 6 или за счет внешней электросистемы 22, связанной, например, с дизельной электростанцией.

Внешние системы теплопотребления могут подключаться к низкотемпературному аккумулятору 10 через гидроразъемы 31, к высокотемпературному аккумулятору 7 через гидро(газо)разъемы 27, а внешняя система электропотребления - через выходы электрораспределителя 24.

Через эти разъемы в критических ситуациях может осуществляться и обратный процесс - подпитка АСЖ энергией от внешних ее источников.

Данные АСЖ в местах их расположения (дислоцирования) могут через разъемы 27 обеспечивать зарядкой теплом высокотемпературные теплоаккумуляторы специальных транспортных средств, снабженных, например, паросиловым приводом трансмиссии с парогенераторами, снабжающимися теплом от высокотемпературного, возимого на мобильной машине теплоаккумулятора и резервного топливного генератора тепла. Причем установленный на разъемах 27 тепловой счетчик 40 позволяет контролировать и учитывать количество отпущенного транспортному средству тепла.

Для целей регулируемой передачи тепла от высокотемпературного теплоаккумулятора низкотемпературному, например в случаях необходимости увеличить выход тепловой энергии на отопление, высокотемпературный теплоаккумулятор дополнительным теплообменным контуром с теплообменником 41 (например, расположенным непосредственно в теплоаккумуляторе 10) может быть связан по теплу с высокотемпературным теплоаккумулятором 7 через газодувку 26 и электронагреватель 28 с возможностью регулирования передачи тепла, например, регулируемым вентилем 42.

В целом, предлагаемая АСЖ практически позволяет обеспечить район ее дислоцирования тепловой и электрической энергией, включая расходы энергии на транспортную связь в зоне действия АСЖ, при полной экологической безопасности окружающей среды и зоны проживания человека в районах, где мощности указанных даровых источников превышают требуемые для деятельности человека затраты энергии.

Поскольку эксплуатационные затраты на строительство, обслуживание и ремонт тепловых аккумуляторов относительно невелики по сравнению с затратами на строительство и обслуживание жилого комплекса, данная АСЖ может найти широкое применение. Важно, что при внедрении АСЖ существенно сокращаются затраты и на строительство объектов проживания, поскольку резко снижаются затраты на прокладку подземных коммуникаций различного назначения и подводку внешних линий энергообеспечения (электросети, теплосети).

Наиболее рационально применение данной АСЖ в районах Крайнего Севера, а также для жизнеобеспечения автономных, удаленных поселений, куда доставка традиционного топлива затруднительна или связана с большими расходами средств.

Литература
1. Серебряков Р.А., Бирюк В.В. Вихревая ветроэнергетическая установка. //Ракетно-космическая техника. Сер.XII, Самара, 2000, с.48-73.

2. Техническая документация на космическую станцию "МИР" - прототип.

Автономная система жизнеобеспечения применяется в системах отопления, водоснабжения, обеспечения электроэнергией. Система содержит источник даровой энергии, преобразователь этой энергии в электрическую энергию, сообщенный с аккумулятором энергии, и устройство преобразования энергии аккумулятора в тепловую и электрическую энергию, подводимую к обслуживаемым объектам. Аккумулятор энергии выполнен в виде двух тепловых аккумуляторов: один - низкотемпературный жидкостной, второй - высокотемпературный твердотельный, причем первый аккумулятор гидравлически сообщен с системой отопления и горячего водоснабжения зданий, второй - с содержащей нагреватель и холодильник тепловой машиной привода электрогенератора, сообщенного по меньшей мере с системой электроснабжения здания. Техническим результатом является обеспечение возможности реализации наземных экологически безопасных автономных объектов техники с низкими эксплуатационными затратами на энергообеспечение. 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Автономная система жизнеобеспечения (АСЖ) зданий и других объектов, содержащая по меньшей мере один источник даровой энергии, преобразователь этой энергии в электрическую энергию, сообщенный с аккумулятором энергии, и устройства преобразования энергии аккумулятора в тепловую и электрическую энергию, подводимую к обслуживаемым объектам, отличающаяся тем, что аккумулятор энергии выполнен в виде по меньшей мере двух тепловых аккумуляторов: один - низкотемпературный жидкостной, второй - высокотемпературный твердотельный, причем первый аккумулятор гидравлически сообщен с системой отопления и горячего водоснабжения зданий, второй - с содержащей нагреватель и холодильник тепловой машиной привода электрогенератора, сообщенного по меньшей мере с системой электроснабжения зданий. 2. АСЖ по п. 1, отличающаяся тем, что низкотемпературный и высокотемпературный теплоаккумуляторы снабжены электронагревателями, сообщенными с преобразователем энергии дарового источника. 3. АСЖ по любому из пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что холодильник тепловой машины по теплу сообщен с низкотемпературным теплоаккумулятором, например, расположен в нем, а ее нагреватель по теплу сообщен с высокотемпературным теплоаккумулятором, например, газовым теплообменным контуром. 4. АСЖ по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что высокотемпературный теплоаккумулятор расположен внутри низкотемпературного теплоаккумулятора. 5. АСЖ по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что даровой источник энергии выполнен по меньшей мере в виде вихревой ветроэнергетической установки с электрогенерирующим преобразователем энергии. 6. АСЖ по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что тепловая машина выполнена работающей по циклу Ренкина, ее нагреватель выполнен в виде парогенератора, сообщенного с высокотемпературным теплоаккумулятором посредством контура циркуляции газового теплоносителя, холодильник выполнен в виде конденсатора пара, гидравлически сообщенного с низкотемпературным теплоаккумулятором, посредством контура циркуляции жидкостного теплоносителя или за счет его погружения в теплоноситель низкотемпературного теплоаккумулятора. 7. АСЖ по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что все электропреобразователи энергии даровых источников подключены к общему для них распределителю этой энергии, выполненному с возможностью первоочередного электроснабжения высокотемпературного теплоаккумулятора и контура циркуляции газового теплоносителя. 8. АСЖ по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что тепловая машина дополнительно кинематически сообщена с насосами и газодувками циркуляции теплоносителей в контурах АСЖ. 9. АСЖ по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что нагреватель тепловой машины снабжен резервным топливным, например, газогорелочным источником тепловой энергии, тепловая машина и электрогенератор снабжены устройством стабилизации частоты и напряжения в сети электроснабжения зданий и вспомогательных приводов АСЖ, выполненной с возможностью ее подключения к резервной системе электроснабжения. 10. АСЖ по п. 9, отличающаяся тем, что электрогенератор тепловой машины снабжен устройством его синхронизации по частоте, фазе и напряжению с резервной системой электроснабжения, выполненной в виде центральной электросети, с возможностью передачи в нее излишков вырабатываемой электроэнергии. 11. АСЖ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что низкотемпературный теплогенератор сообщен через счетчик тепла с по меньшей мере одной теплосистемой с возможностью как передачи в нее излишков тепловой энергии, так и получения от нее дополнительной тепловой энергии. 12. АСЖ по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что высокотемпературный теплоаккумулятор и электрогенератор тепловой машины выполнены с возможностью передачи тепловой и электрической энергии внешним высокотемпературным теплоаккумуляторам, расположенным, например, на мобильных машинах. 13. АСЖ по любому из пп. 1-12, отличающаяся тем, что высокотемпературный и низкотемпературный теплоаккумуляторы выполнены с возможностью регулируемой передачи тепла от высокотемпературного теплоаккумулятора непосредственно низкотемпературному посредством дополнительного теплообменного контура.