СИСТЕМА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F03D9/02 

Предложение относится преимущественно к автономным системам энергообеспечения, использующим энергию солнца, – жилых зданий, автономно расположенных поселков или жилых комплексов, промышленных и сельскохозяйственных объектов, удаленных от существующих систем энергоснабжения, и предназначена для обеспечения теплом, горячей водой и электроэнергией этих объектов.

Известны системы энергоснабжения, использующие энергию солнца и преобразующую ее в электрическую, например посредством ветроустановок с электрогенераторами, которая запасается в электроаккумуляторах и затем по необходимости подводится к различным потребителям электроэнергии: радиаторам отопления, осветительным лампам, бытовым приборам и оборудованию – прототип.

Эти системы могут использоваться и в наземных объектах обитания в районах преимущественно с большой интенсивностью ветра.

Параллельно могут использоваться и энергоустановки, преобразующие световую солнечную энергию в электрическую энергию.

Энергетический потенциал ветровых источников в более чем в 4 раза превышает существующую потребность в энергии, которая в настоящее время практически полностью покрывается за счет не возобновляемых источников (нефть, газ, уголь), использование которых связано с существенным загрязнением окружающей среды.

В связи с тем, что энергия солнца и энергия ветра по величине существенно переменна по времени, а потребление энергии в объектах обитания осуществляется постоянно, но с переменной интенсивностью, существующие системы энергообеспечения снабжаются электроаккумуляторами, заряжаемыми постоянным током напряжением 12/24 В через специальные инверторы, преобразующие электроэнергию, поступающую от электрогенераторов ветроустановок, в электроэнергию с напряжением, достаточным для зарядки электроаккумуляторов.

В таких системах энергоснабжения применяются ветроустановки лопастного и вихревого типов с встроенными системами управления мощностью и напряжением вырабатываемого постоянного тока для обеспечения нормальных условий зарядки электроаккумуляторов, что в целом увеличивает их стоимость и снижает надежность работы. Общая требуемая емкость электроаккумуляторов для обеспечения стабильного энергоснабжения относительно больших жилых объектов, например площадью 6000 м², становится настолько велика, что практическая реализация такой энергосистемы становится экономически нерациональной, поскольку требует больших вложений на обеспечение экологически безопасной ее эксплуатации, требующей регулярной ежегодной замены большого числа аккумуляторных батарей. Для обеспечения функционирования объектов обитания также требуется перевод всего электрооборудования на постоянный ток низкого напряжения, что требует широкого производства нового типа электроустройств.

При этом существенно затрудняется и перевод существующих зданий и других объектов на электроснабжение от этих систем, поскольку это требует замены всего электрооборудования.

Цель данного предложения - это создание системы энергоснабжения на базе даровых источников энергии, в которой устранены указанные выше недостатки.

Поставленная задача решается тем, что:

- в системе энергообеспечения обитаемых объектов, например зданий, содержащей по меньшей мере одну ветровую установку с электрогенератором, электрически связанным с энергоаккумулятором, сообщенным с потребителем этой энергии, энергоаккумулятор выполнен в виде по меньшей мере двух тепловых аккумуляторов – высокотемпературного и низкотемпературного, высокотемпературный теплоаккумулятор сообщен по теплу с нагревателем, приводящим по меньшей мере электрогенератор стабилизированной частоты и напряжения тепловой машины, холодильник которой по теплу сообщен с низкотемпературным теплоаккумулятором, который по теплу сообщен с системой отопления и горячего водоснабжения обитаемого объекта с возможностью регулирования передаваемой тепловой энергии, а также – с подогревателем воздуха, поступающего на вход по меньшей мере одной ветроустановки, электрогенератор которой сообщен с электронагревателем теплоносителя высокотемпературного теплоаккумулятора с возможностью регулирования передаваемой в воздухоподогреватель тепловой энергии;

- по меньшей мере одна ветроустановка выполнена вихревого типа, по оси входной части которой расположен выход вертикального воздухопровода, в нижней части которого расположен воздухоподогреватель, сообщенный по теплу с низкотемпературным теплоаккумулятором;

- вертикальный воздуховод сообщен с выходами вентиляционной системы обитаемого объекта;

- воздухоподогреватель установлен в нижней части вертикального воздуховода, в верхней части которого установлено лопастное колесо воздушной турбины с электрогенератором, а сам воздуховод выполнен в виде силовой трубчатой стойки лопастной ветроустановки;

- низкотемпературный теплоаккумулятор выполнен в виде герметичного теплоизолированного объема, заполненного жидким теплоносителем, например водой;

- низкотемпературный теплоаккумулятор выполнен в виде теплоизолированного объема, заполненного твердым веществом, например SiO₂, внутри которого расположен трубчатый теплообменник отвода/подвода тепла посредством циркуляции жидкостного теплоносителя;

- высокотемпературный теплоаккумулятор расположен внутри низкотемпературного теплоаккумулятора;

- тепловая машина выполнена работающей по циклу Ренкина, а ее нагреватель-парогенератор сообщен с высокотемпературным теплоаккумулятором посредством газового теплоносителя и выполнен с возможностью подогрева теплоносителя от электрогенератора по меньшей мере одной ветроустановки;

- электросеть стабилизированного приводимого тепловой машиной электрогенератора и система отопления и горячего водоснабжения сообщены как с резервными источниками энергоснабжения, так и внешними потребителями этой энергии;

- резервный источник тепла выполнен в виде топливной горелки, по теплу сообщенной с нагревателем тепловой машины, а выходной канал продуктов сгорания горелки сообщен с вертикальным воздуховодом подвода воздуха к ветроустановке;

- низкотемпературный теплоаккумулятор по теплу сообщен с приводимым от электрогенератора тепловой машины тепловым насосом, по теплу сообщенным с потребителями тепла, требующими на своем входе температуру большую, чем температура в низкотемпературном теплоаккумуляторе.

На чертеже дано схемное решение предложенной системы энергоснабжения.

Обитаемый объект, например многоэтажное здание, содержит на крыше ветроустановку вихревого типа 2 с турбиной 3 и электрогенератором 4, связанным с электрораспределительным устройством 5, сообщенным с дополнительным даровым источником энергии – лопастной ветроустановкой с электрогенератором 7 и генерирующими электрический ток солнечными платами 8, также сообщенными с входом устройства 5.

Через устройство 5 все электрогенераторы 4, 7, 8 связаны с энергоаккумулятром, выполненным в виде высокотемпературного теплоаккумулятора 9 и низкотемпературного теплоаккумулятора 10, в данном примере реализации расположенного вокруг теплоаккумулятора 9 для поглощения им теплоты, проходящей через теплоизоляцию 11. Низкотемпературный теплоаккумулятор 10 выполнен в виде герметичной теплоизолированной емкости, заполненной теплоаккумулирующим веществом жидким, например водой, или твердым, например SiO₂, BeO, Al₂O₃. Этими же или другими веществами, работоспособными при высоких температурах, например, 800°С, заполнен и высокотемпературный теплоаккумулятор 9 с возможностью циркуляции в нем газового или жидкого теплоносителя. В низкотемпературном теплоаккумуляторе 10 для подвода или отвода от него теплоты размещен трубчатый теплообменник 12, гидравлически включенный в контур циркуляции жидкого теплоносителя, преимущественно воды, перекачиваемого насосом 13. Контур циркуляции воды в данном примере реализации по теплу подключен: к системе отопления и горячего водоснабжения (на чертеже не показана) здания 1 с возможностью регулирования расхода циркуляции, например, дросселем 14; к тепловому насосу 15, приводимому электродвигателем 16 и по теплу(холоду) сообщенному трубопроводами 17 с потребителями объекта 1, работающими на теплоносителе с температурой, существенно большей (меньшей), чем температура в низкотемпературном теплоаккумуляторе 10; с электронагревателем 18, сообщенным, например, с устройством 5; с конденсатором-холодильником тепловой машины 20, а также с воздухоподогревателями 21, 21¹, 21¹¹, с возможностью регулирования передаваемой проходящему через них воздуху теплоты, например, за счет регулирования расхода теплоносителя посредством дросселей 22, 23. Низкотемпературных теплоаккумуляторов, по теплу сообщенных с теплоаккумуляторами 9 и/или 10, может быть несколько, в том числе с различной рабочей температурой, подключенных соответственно к потребителям, требующим для своего функционирования различную температуру теплоносителя.

Тепловая машина 20, например, выполненная работающей по циклу Ренкина и преимущественно - с возможностью регулирования и высокоэффективного преобразования тепловой энергии в механическую на своем валу (эти средства широко известны), получает тепловую энергию посредством разогрева нагревателя-парогенератора 24 за счет циркуляции газового теплоносителя через высокотемпературный теплоаккумулятор 9 воздуходувкой 25 и регулирования потоков тепла дросселями 26 и 27 и электронагревателем 28, связанным с устройством 5.

Воздухоподогреватели 21 расположены в термоизолированных для исключения охлаждения воздуха в каналах 29, 30 подвода воздуха к рабочим органам ветроустановок 2 и 31, электрогенераторы 4 и 32 которых через устройство 5 подключены в первую очередь к электронагевателям 28 и 28¹ высокотемпературного теплоаккумулятора 9.

Воздуховод 29 расположен преимущественно вертикально, и его выход расположен по оси входной части вихревой ветроустановки 2, где имеет место пониженное давление.

Разогрев воздуха воздухоподогревателями 21 повышает скорость движения воздуха к рабочему органу ветроустановки, увеличивая тем самым количество вырабатываемой электроэнергии, поступающей в высокотемпературный теплоаккумулятор 9, и, таким образом, обеспечивая частичный возврат тепловой энергии низкотемпературного теплоаккумулятора 10 в тепловую энергию высокотемпературного теплоаккумулятора 9.

Выходы вентиляционных каналов 33 помещений здания 1 также могут быть сообщены с воздуховодом 29. В верхней части воздуховода 29 может быть установлена дополнительная турбина с электрогенератором аналогично выполнению элементов 31 и 32.

В качестве воздуховода рационально использовать трубчатую силовую стойку лопастной ветроустановки 6.

Тепловая машина 20 выполнена кинематически связанной с электрогенератором 34 стабилизированной частоты и напряжения, например, 50 Гц и 220/380 В, что достигается регулированием оборотов машины 20, например, дросселем 35 и, например, тока возбуждения генератора 34. Тепловая машина 20 может быть по валу связанной с насосами и воздуходувками (газодувками) систем водоснабжения, собственных нужд, вентиляции, горячего водоснабжения и т.д. для снижения габаритов установки, ее стоимости и повышения надежности системы в целом путем резервирования основных ее агрегатов.

Так, например, приводимая валом 36 газодувка 37 может быть использована для передачи теплоты через разъемы 38 внешней системе потребления высокотемпературной тепловой энергии, например теплоаккумуляторам силовых установок специальных мобильных машин (теплокарам), могущих перевозить людей и грузы в заданном радиусе действия данной системы энергоснабжения или в районе дислоцирования сети объектов обитания, снабженных системами энергоснабжения рассматриваемого типа. Разъемы 38 могут также использоваться и для зарядки высокотемпературного теплоаккумулятора 9 от внешних высокотемпературных источников тепла, например, в критических или аварийных ситуациях или при пуске системы.

Для целей резервирования машина 20 может быть снабжена дополнительным, например, газогорелочным нагревателем 39, выход продуктов сгорания из которого может быть выполнен выходящим в воздуховод 29 через канал 40 для увеличения напора (расхода) воздуха, подводимого к турбине 3.

Для упрощения электрогенераторов 4, 7, 32 они могут выполняться в виде электромашин переменного тока, подключаемых через устройство 5 к электронагревателям 28, 28¹, 18. При любых типах электрогенераторов они могут подключаться к электронагревателям, выполненным в виде последовательного ряда электронагревателей с различными электрическими сопротивлениями, подключаемыми к электрической цепи электрогенераторов ветроустановок по мере увеличения скорости ветра и выходной электрической мощности (напряжения), что существенно упрощает процесс управления зарядкой энергией именно аккумуляторов теплового типа.

Для целей пуска рассматриваемой системы энергообеспечения она может снабжаться, например, дизельэлектрогенератором относительно небольшой мощности, необходимой для запуска газодувки 25, насоса 13 и питательного объемного насоса 41 для обеспечения парообразования в парогенераторе и запуска тепловой машины 20, приводящей электрогенератор 34, от которого затем и запускаются все дополнительные приводы вспомогательных нужд и все системы жизнеобеспечения обитаемого объекта в целом. Возможен запуск устройств 13, 25 и 41 от электроаккумуляторного привода или устройства 5.

Работает данная система энергообеспечения следующим образом. При запуске газодувки 25 осуществляется зарядка теплоаккумулятора 9, а затем при запуске насоса 13 и низкотемпературного теплоаккумулятора 10. При открытии дросселя 26 и запуске питательного насоса 41 запускается тепловая машина 20, и включается в работу стабилизированный синхронный генератор 34, от которого уже запускаются все приводы вспомогательных нужд и насосы перекачки воды, теплоносителей, теплового насоса 16 и системы тепло- и электроснабжения объекта обитания. Вырабатываемая источниками 2, 6, 8 электроэнергия направляется в электронагреватели 28, 28¹, и осуществляется зарядка теплоаккумулятора 9 до заданной температуры. При избытке вырабатываемой источниками 2, 6, 8 электроэнергии она направляется в электронагреватели 18 и 18¹ для подзарядки теплоаккумулятора 10, а также при необходимости и стабилизации параметров пара на входе паровой машины 20. Зарядка теплоаккумулятора 10 осуществляется за счет отвода теплоты от холодильника-конденсатора 19 тепловой машины 20.

При открытии дросселя 14 запускается система отопления и горячего водоснабжения обитаемого объекта, а при открытии дросселя 42 тепловая энергия из теплоаккумулятора 10 подается на вход теплового насоса 15 и далее к ее потребителю.

В случаях, когда температура низкотемпературного теплоаккумулятора 10 достигает своего максимально допустимого значения (например, в летний период, когда система отопления отключена, а электропотребление велико), избыточная тепловая энергия сбрасывается из низкотемпературного теплоаккумулятора 10 посредством воздухонагревателей 21, 21¹, 21¹¹, которые при этом одновременно повышают эффективную мощность турбин 3, 31, электрогенераторы которых обеспечивают частичный возврат сбрасываемой из низкотемпературного теплоаккумулятора 10 тепловой энергии в высокотемпературный теплоаккумулятор, что важно при недостаточной в данный период времени скорости ветра, требуемой для полного энергоснабжения объекта обитания.

Предложенная система энергоснабжения по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:

- повышается общая вырабатываемая ветроустановками энергия, поскольку используется энергия ветра при любых низких его скоростях, достаточных для вращения электрогенераторов;

- повышается надежность ветроустановок и снижается их стоимость за счет снижения требований к параметрам вырабатываемого ими электрического тока и упрощения самих электрогенераторов;

- обеспечивается полная экологическая безопасность энергоаккумулирующего блока при существенном повышении срока его эксплуатации и снижении затрат на его обслуживание по сравнению с электроаккумуляторами существующих типов;

- технически просто достигается сколь угодно большая энергоемкость тепловых аккумуляторов, что позволяет запасать любое требуемое количество энергии, достаточное для обеспечения стабильной бесперебойной работы системы даже в периоды долговременного отсутствия ветра;

- обеспечивается возможность применения данной системы для уже существующих обитаемых объектов с традиционными системами тепло- и электроснабжения и при широко применяемом промышленном и бытовом оборудовании;

- технически просто и надежно обеспечивается возможность обмена потоками тепловой и электрической энергии с внешними потребителями энергии и внешними ее источниками, что повышает надежность системы жизнеобеспечения в аварийных и критических ситуациях;

- обеспечивается возможность надежного энергообеспечения автономных объектов проживания, промышленных и сельскохозяйственных удаленных от централизованного энергоснабжения предприятий, обладающих высокой неравномерностью потребления электрической и тепловой энергии;

- при развитии данной системы энергообеспечения возможно применение экологически безопасных мобильных машин с теплоаккумуляторной силовой установкой, способных решить задачу перевозки людей и грузов в зоне действия жилых и промышленных объектов с данными системами энергообеспечения, базирующимися на использовании теплоаккумуляторов и даровых источников энергии.

Дополнительным положительным свойством данной системы энергообеспечения является возможность передачи тепловой энергии из низкотемпературного теплоаккумулятора в высокотемпературный теплоаккумулятор посредством используемых ветроустановок, что существенно повышает эффективную выходную мощность вырабатываемой (посредством тепловой энергии, запасенной как в низкотемпературном, так и в высокотемпературном теплоаккумуляторах) стабилизированной по частоте и напряжению электроэнергии, идущей на электроснабжение объекта обитания.

Литература

1. Техническая документация на космическую станцию “МИР” - аналог.

2. Серебряков Р.А., Бирюк В.В. Вихревая ветроэнергетическая установка // Ракетно-космическая техника. Сер.ХII. Самара, 2000, с.48-73 – прототип.

Изобретение относится к области энергетики, а именно к автономным системам энергообеспечения, использующим энергию солнца для выработки электроэнергии, тепла, горячей воды для промышленных и сельскохозяйственных объектов. Технический результат, заключающийся в обеспечении экологической безопасности системы энергообеспечения, повышении ее КПД и улучшении ее совместимости с другими системами, достигается за счет того что в системе энергообеспечения обитаемых объектов за счет энергии солнца и ветра, например зданий, содержащей по меньшей мере одну ветровую установку с электрогенератором, электрически связанным с энергоаккумулятором, сообщенным с потребителем этой энергии, согласно изобретению энергоаккумулятор выполнен в виде по меньшей мере двух тепловых аккумуляторов - высокотемпературного и низкотемпературного, высокотемпературный аккумулятор сообщен по теплу с нагревателем, приводящим по меньшей мере электрогенератор стабилизированной частоты и напряжения тепловой машины, холодильник которой по теплу сообщен с низкотемпературным аккумулятором, который по теплу сообщен с системой отопления и горячего водоснабжения обитаемого объекта с возможностью регулирования передаваемой тепловой энергии, и с подогревателем воздуха, поступающего на вход по меньшей мере одной ветроустановки, электрогенератор которой сообщен с электронагревателем теплоносителя высокотемпературного аккумулятора с возможностью регулирования передаваемой в воздухоподогреватель тепловой энергии. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система энергообеспечения обитаемых объектов за счет энергии солнца и ветра, например, зданий, содержащая, по меньшей мере, одну ветровую установку с электрогенератором, электрически связанным с энергоаккумулятором, сообщенным с потребителем этой энергии, отличающаяся тем, что энергоаккумулятор выполнен в виде по меньшей мере двух тепловых аккумуляторов - высокотемпературного и низкотемпературного, высокотемпературный теплоаккумулятор сообщен по теплу с нагревателем, приводящим, по меньшей мере, электрогенератор стабилизированной частоты и напряжения тепловой машины, холодильник которой по теплу сообщен с низкотемпературным теплоаккумулятором, который по теплу сообщен с системой отопления и горячего водоснабжения обитаемого объекта с возможностью регулирования передаваемой тепловой энергии, а также с подогревателем воздуха, поступающего на вход, по меньшей мере, одной ветроустановки, электрогенератор которой сообщен с электронагревателем теплоносителя высокотемпературного теплоаккумулятора с возможностью регулирования передаваемой в воздухоподогреватель тепловой энергии.2. Система энергообеспечения по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна ветроустановка выполнена вихревого типа, по оси входной части которой расположен выход вертикального воздухопровода, в нижней части которого расположен воздухоподогреватель, сообщенный по теплу с низкотемпературным теплоаккумулятором.3. Система энергообеспечения по п.2, отличающаяся тем, что вертикальный воздуховод сообщен с выходами вентиляционной системы обитаемого объекта.4. Система энергообеспечения по п.1, отличающаяся тем, что воздухоподогреватель установлен в нижней части вертикального воздуховода, в верхней части которого установлено лопастное колесо воздушной турбины с электрогенератором, а сам воздуховод выполнен в виде силовой трубчатой стойки лопастной ветроустановки.5. Система энергообеспечения по п.1, отличающаяся тем, что низкотемпературный теплоаккумулятор выполнен в виде герметичного теплоизолированного объема, заполненного жидким теплоносителем, например водой.6. Система энергообеспечения по п.1, отличающаяся тем, что низкотемпературный теплоаккумулятор выполнен в виде теплоизолированного объема, заполненного твердым веществом, например SiO₂, внутри которого расположен трубчатый теплообменник отвода/подвода тепла посредством циркуляции жидкостного теплоносителя.7. Система энергообеспечения по п.1, отличающаяся тем, что высокотемпературный теплоаккумулятор расположен внутри низкотемпературного теплоаккумулятора.8. Система энергообеспечения по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что тепловая машина выполнена работающей по циклу Ренкина, а ее нагреватель-парогенератор сообщен с высокотемпературным теплоаккумулятором посредством газового теплоносителя и выполнен с возможностью подогрева теплоносителя от электрогенератора, по меньшей мере, одной ветроустановки.9. Система энергообеспечения по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что электросеть стабилизированного приводимого тепловой машины электрогенератора и система отопления и горячего водоснабжения сообщены как с резервными источниками энергоснабжения, так и с внешними потребителями этой энергии.10. Система энергообеспечения по п.9, отличающаяся тем, что резервный источник тепла выполнен в виде топливной горелки по теплу, сообщенной с нагревателем тепловой машины, а выходной канал продуктов сгорания горелки сообщен с вертикальным воздуховодом подвода воздуха к ветроустановке.11. Система энергообеспечения по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что низкотемпературный теплоаккумулятор по теплу сообщен с приводимым от электрогенератора тепловой машины тепловым насосом, по теплу сообщенным с потребителями тепла, требующими на своем входе температуру большую, чем температура низкотемпературного теплоаккумулятора.