СНИЖЕНИЕ СЕБЕСТОИМОСТИ МНОГОВАРИАНТНОЙ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАИБОЛЕЕ ВЫГОДНОГО НА ДАННЫЙ МОМЕНТ ВАРИАНТА ВЫРАБОТКИ Российский патент 2009 года по МПК H02J3/20 H02J3/36 G06Q50/00 

Изобретение относится к обладающему новизной техническому решению применения средств преобразования энергии и выработки электроэнергии на месте у потребителя, которое снижает полную стоимость энергопользования потребителем, повышает надежность энергоснабжения для потребителя, может также повысить надежность энергосистемы. Изобретение расширяет диапазон многовариантной выработки и когенерации (преобразование тепловых отходов в энергетике в электроэнергию и отопление) путем снижения и первоначальных капитальных затрат, и значительной надбавки эксплуатационных затрат при осуществлении (преобразование тепловых отходов в энергетике в электроэнергию и отопление) электроэнергии на месте у потребителя. Осуществление этого изобретения позволяет конечному пользователю принимать конечное решение о выборе использования электричества или другого первичного топлива для удовлетворения значительной части потребности в энергии у себя на месте, исходя из ценовой разницы на соответствующих энергетических рынках.

Уровень техники

На ранних этапах развития электроснабжения надежность системы электроснабжения была низкой по сегодняшним нормам, и вследствие этого потребители, для которых надежность имела большое значение, например - больницы, многоэтажные офисные здания и пр., имели резервные средства выработки электроэнергии для собственного использования, если сетевое снабжение нарушалось или по какой-либо причине отсутствовало. Это было причиной значительных первоначальных капиталовложений, и эксплуатационные расходы по содержанию резервной установки выработки электроэнергии были выше по сравнению с себестоимостью электричества, поставляемого из энергосистемы (в которой действующие тарифы в основном основаны на стоимости снабжения электростанции базисной нагрузки, работающей близко к предельной себестоимости, с небольшой надбавкой для компенсирования небольшой части энергии, поставляемой средней и пиковой электростанцией по более высокой стоимости).

Электростанции базисной нагрузки и другие крупные предприятия выработки электроэнергии обычно имеют кпд по топливу от 25 до 50%. С введением вторичных контуров утилизации тепла, например, за счет повышения пара среднего давления и/или при помощи экономайзеров для нагрева поступающей в котел воды, появилась возможность использования сбрасываемого тепла первичного контура, чтобы повысить кпд по топливу станции приблизительно до 70%. Известно, что за счет использования сбрасываемого низкотемпературного тепла из конденсатора или использования выхлопных газов первичного движителя можно повысить кпд еще приблизительно до 80%. За исключением некоторых европейских технических решений (напр., окружные схемы отопления) электростанции базисной нагрузки в основном располагались вблизи источников топлива, например рядом с угольными шахтами, где имеется мало возможностей утилизации сбрасываемого низкотемпературного тепла. С введением комплексных газовых турбин и с открытием данной отрасли для независимых энергопроизводителей вновь появился интерес к когенерации. Эти средства когенерации включают в себя совместное использование пара котла/паровых турбин, где часть пара после первой ступени турбины (которая приводит в действие генератор) отбирается для использования в потребительских производствах, либо сбрасываемое тепло газовой турбины используется для обеспечения пара для паровой турбины; и/или низкотемпературное тепло выхлопного газа используется для обеспечения горячей воды потребителю. На стоимостные показатели синергетически влияли: одновременное использование котла для обеих потребностей и комбинация закупки и складирования топлива. Но с учетом того, что размеры установок были меньше станции базисной нагрузки (потеря экономии масштаба), и с учетом дополнительной стоимости транспортирования/складирования топлива по сравнению со стоимостью топлива для станции базисной нагрузки (по оптовым ценам) вариант когенерации был экономичным только в нескольких случаях. Исключениями были такие предприятия, как нефтеперерабатывающие, где топливо было внутренним побочным продуктом, трудно продаваемым для иного использования, и/или где надежность электроснабжения для производства была крайне важной. В последние годы повысившаяся доступность природного газа и существенное снижение стоимости, и расширившийся с точки зрения их габаритов ассортимент газовых турбин для выработки электроэнергии обусловили небольшое увеличение (большое увеличение в процентах, но с очень низкого исходного уровня, так что по приблизительным оценкам таких случаев в Австралии всего было менее 100) использования когенерации в основном в диапазоне от 1 до 20 МВт.

Перестройка энергетической отрасли привела к созданию совместных рынков, где электричеством и газом торгуют в реальном времени в зависимости от соотношения предложения и спроса. На большинстве этих рынков действуют клиринговые цены, приближенные к реальному времени. Образующиеся при этом цены, особенно на электричество, были очень подвижными. Хорошая доступность недорогого природного газа стала причиной большего использования газовых турбин для выработки электроэнергии, с последующими усовершенствованиями конструкции газовых турбин и снижением их себестоимости. В Англии, которая одна из первых стала перестраивать энергетику и которая также имеет развитый рынок природного газа, появились специализированные станции, работающие по принципу частичного удержания (которые за особую плату преобразуют газ в электричество) и наличие которых дает возможность выбора цен на потребительских рынках электричества и газа.

Поскольку упомянутые события произошли только в ограниченном масштабе, они не сказались сильно на состоянии рынка электричества, где цены продолжают быть быстро колеблющимися. До настоящего времени у мелких потребителей не было возможности участвовать в этих явлениях, и в значительной степени мелкие потребители остались зависимыми от рыночной электроэнергии крупных производителей и монопольных операторов сетей. Необходим именно недорогой вариант, который осуществит нужные аспекты резервной выработки электроэнергии, когенерации и станций, работающих по принципу частичного удержания мощности; и нужно сделать такие варианты экономически жизнеспособными даже для таких мелких потребителей, как жилые дома. Чтобы провести различие между этим техническим решением от других известных схем выработки электроэнергии, настоящее изобретение предлагает «наиболее выгодную в данный момент выработку электроэнергии» в качестве очень целесообразного массового рыночного применения. Применение этого изобретения даст потребителям наиболее выгодную в данный момент электроэнергию [opportunity power™] (зарегистрированный товарный знак Австралии), чтобы гасить чрезмерные ценовые скачки на объединенных энергетических рынках, что является жизненно необходимым для обеспечения эффективного энергетического рынка. Патент Австралии № 748800 (Perera) на “Method to enable customers to respond to prices in a pool type energy market”, содержание которого полностью включено в данное описание в качестве ссылки, раскрывает способ торговли энергетическими единицами и систему, которая осуществляет текущий контроль и управление использованием энергии и заменяющими энергию устройствами на месте у пользователей в целях обеспечения предпочтительного результата торговли. Одно из его осуществлений предусматривает использование заменяющих энергию устройств для энергоснабжения из источника, не являющегося сетевым, или предусматривает направление нагрузки с места потребителя после изолирования ее от сетевого снабжения; либо предусматривает прохождение и нагрузки, и источника энергии параллельно сетевому снабжению, если не затруднено согласование частоты.

Изобретение относится к обладающему новизной способу, одно из реализаций которого можно использовать этим энергодополняющим/энергозаменяющим образом, и полная стоимость которого существенно ниже, чем у обычной резервной выработки электроэнергии, когенерации или у средств накопления энергии; и этот способ обеспечивает экономичную возможность выбора источника электричества на основе рыночных цен на электричество, природный газ или др. виды топлива.

Исследования оценки потребителями важности высокой надежности снабжения (меньшее число отключений и/или меньшая совокупная длительность отключения в течение определенного срока) последовательно показали, что мелкие (и многие сельские) потребители намного меньше ценят высокий уровень надежности снабжения, и что коммерческие/некоторые крупные потребители ценят его намного выше. В действительности «предпочтение потребителя» заключается в том, чтобы потребитель имел «возможность» решать, пользоваться ли ему электричеством, в зависимости от существующей на момент использования цены, и чтобы ему не приходилось платить слишком высокую цену за высокий уровень надежности - часто значительно более высокую цену, чем ценность, придаваемая пользователем этому высокому уровню обслуживания. Способ согласно патенту Австралии № 748800 позволил потребителю оставить пользование заранее определенным количеством электричества и дал возможность продавать это количество обратно поставщику по преобладающей объединенной цене, но выгода при этом будет невелика, если наступление события высокой объединенной цены произойдет в течение времени, когда договорное потребительское количество используемой энергии на это время было небольшим. Наличие средств выработки собственного электричества означает, что возможность выгоды из события высокой объединенной цены не ограничена характеристиками договорного пользования. Одна из целей изобретения заключается в обеспечении даже мелких потребителей вариантом, который повысит выгоды от применения тарифов реального времени и от систем поддержания согласно патенту Австралии № 748800.

Один из аспектов перестройки энергоснабжения заключается в том, чтобы открыть рынки торговли электричеством, и подразумевает взаимное соединение ранее разрозненных участков энергоснабжения, обслуживавшихся их определенными вертикально выстроенными монопольными поставщиками электричества. Эти разрозненные участки снабжения характеризовались тем, что имели крупные станции, обычно расположенные вблизи первичных источников энергии, со средствами доставки выработанного электричества конечным потребителям системой линий передачи и распределения. Эти сети не предназначались для транспортирования крупных количеств энергии через весь участок снабжения, а для транспортирования электроэнергии от источника ее выработки к пользователям к концу линий передачи/распределения. В большинстве случаев средства поставки к границам участков снабжения были рассчитаны только на поставку, как правило, небольшой местной нагрузки в данном пограничном участке. Помимо этого системы сети были рассчитаны на то, чтобы дополнять полный комплект станций в охватываемом участке, и в силу этого подразумевалось, что разносторонность вырабатывающих электроэнергию предприятий восполняла нехватки в сети, т.е. сети были рассчитаны, созданы и эксплуатировались на основе обслуживания данного набора потребителей по наименьшей стоимости, в контексте совокупной энергосистемы в обслуживаемом участке снабжения.

С наступлением конкуренции в области выработки электроэнергии в более широком регионе, который является совокупностью прошлых участков монопольного снабжения, каждая энергетическая компания теперь старается добиться наилучшего финансового результата путем поставки на новый объединенный клиринговый рынок, отказа ему в поставках (напр. - обслуживание по графику), или путем переключения поставок (где допускаются двухсторонние контракты) из него. В настоящее время нагрузка на пропускную способность сетей повысилась по сравнению с прошлым, и часто используется резервирование сети, которое предназначалось для обеспечения надежности снабжения. Также по причине объединения запасных генерирующих мощностей теперь повысилась вероятность больших колебаний потока мощности, в результате чего магистральные ЛЭП в энергосистеме работают с повышенной напряженностью. Поскольку электроэнергия идет в ячеистых системах (допускается несколько параллельных маршрутов потока) по пути наименьшего сопротивления и сопротивление линии/трансформатора (включая полное сопротивление с реактивной/емкостной индуктивной составляющей) изменяется с температурой среды и перетоками мощности, взаимно соединенные системы энергоснабжения более подвержены авариям, чему свидетельствуют недавние многочисленные аварийные перерывы в США/Канаде (август 2003 г.), Окленде в 1998 г. (39 дней), в Италии в сентябре 2003 г., Швеции-Дании в 2003 г. и др., затронувшие миллионы потребителей; причем в некоторых случаях до полного восстановления для всех пострадавших потребителей потребовалось несколько дней.

Также возникают ситуации, когда рост нагрузки опережает требовавшееся наращивание сети, вследствие чего снабжение становится неустойчивым (при отсутствии резервирования мощности выход из строя одного компонента приводит в остановке снабжения) в некоторые периоды очень высоких нагрузок или после нарушения на линии или отключения генератора. Эти примеры налагаемых на сеть ограничений или неустойчивого снабжения дают отрицательные последствия для обеспечения надежного снабжения потребителям, и они также могут сказаться на объединенных ценах. В некоторых юрисдикциях катастрофический выход из строя энергосистемы предотвращают путем сброса нагрузки, чтобы восстановить требуемый уровень резервирования в сети, но такие способы равнозначны признанию этой юрисдикцией того, что рыночные механизмы не в состоянии (и/или того, что регламентирующие положения допускают недосмотр в деле должного наращивания сети) гарантировать всегдашнее равновесие спроса и предложения. Патент Австралии № 748800 излагает способ, позволяющий оператору сети ввести надбавку к цене сверх стимула объединенной цены для спросного реагирования, тем самым, обеспечивая дополнительный стимул для потребителей в этих страдающих районах, чтобы участвовать в управлении нагрузкой и, тем самым, восстановить нужный уровень резервирования сети. Настоящее изобретение путем снижения полной стоимости собственных пользовательских средств выработки электроэнергии повышает возможности даже мелких потребителей прибыльным образом участвовать в этом спросном реагировании.

Оценки капитальных затрат и стоимости топлива

Кпд генератора по топливу только один из факторов, определяющих цену с доставкой электричества конечному потребителю. Необходимо рассмотреть стоимость топлива, поставляемого для генератора. В случае работающих на угле станций, находящихся вблизи угольных шахт (напр. - бурый уголь в шт. Виктория поступает из открытых разработок в пределах транспортерного расстояния от станции), стоимость топлива для выработки одной единицы электричества может быть существенно ниже, чем для другого источника топлива. Ближайшие и долгосрочные показатели предельных издержек выработки электроэнергии в Австралии приводятся ниже в таблице 1, взятой из исследования ACIL Tasman “RMC and LRMC of Generators in the NEM - A Report for the IRPC and NEMCO” (апрель 2003 г.), и включены в данный документ в качестве ссылки.

Таблица 1 Ближайшие и долгосрочные показатели предельных допустимо высоких издержек выработки электроэнергии в Австралии   Каменный уголь (Квинс Ленд) Бурый уголь (Виктория) Комбинир. газовый цикл (Виктория) Открытый газовый цикл (Виктория) Открытый газовый цикл (Виктория) Установленная мощность (МВт) 450 500 385 100 100 Установленная стоим. (тыс. долл.) 630 900 385 50 50 Коэфф. загрузки 85% 90% 70% 5% 10% Стоим. топлива (долл./ГДж) 0,75 0,38 3,15 5,00 5,00 Кпд по топливу 40% 28% 49% 29% 29% Стоим. топлива (тыс.допл./МВт·ч) 6,78 4,87 23,14 62,06 62,06 Капитал. затраты (тыс.допл./МВт·ч) 15,77 19,15 12,58 86.35 43,17 Полная стоим. (тыс.допл./МВт·ч) 31,42 33,60 43,77 183,47 126,77 Цены 2001/02 гг.

При типичных коэффициентах загрузки разных типов станций стоимость топлива (основанная часть предельных допустимо высоких издержек выработки электроэнергии) самая низкая для станций, работающих на буром угле, и стоимость топлива для газовых турбин более высокого кпд почти в четыре раза дороже. Хотя установленная стоимость (компонент капитальных затрат) газотурбинного генератора по существу ниже, чем для работающих на угле станций, но полная стоимость (долл./МВт·ч) все же почти на треть больше для обоих типов станций, работающих на угле. Это объясняется тем, что газовые турбины обычно используются в качестве средней/пиковой станции по причине их более легкого пуска/остановки, и также по причине большего объема технического обслуживания, и поэтому они работают с относительно более низким коэффициентом загрузки. Повышающееся благосостояние потребителей и растущая ценовая доступность бытовых электроприборов, таких как кондиционеры, совместно повышают пиковость годовой нагрузки системы: показано кривой графика 1 длительности пиковой нагрузки для шт. Виктория в 2002 г.

Максимальный региональный спрос в шт. Виктория в 2002 г. составил 7581 МВт, было всего 82 получасовых периода, когда спрос превышал 7000 МВт. Это означает, что менее 42 часов в год необходимо работать с производительностью 581 МВт, и этот показатель действительно представляет собой тяжелую финансовую нагрузку.

На Австралийском национальном рынке электричества (в настоящее время: 10000 долл./МВт·ч) растет спрос на существенное увеличение верхнего уровня текущей объединенной цены, чтобы имелся достаточный финансовый стимул для новых капиталовложений в пиковую станцию, которой придется работать только несколько часов в год.

Известный уровень техники

Поскольку уровень надежности сетевого энергоснабжения постепенно повышается, резервные производственные мощности постепенно начинают рассматриваться как ненужный расход. Теперь можно иметь большее число целевых резервных видов снабжения, таких как непрерывное электропитание для компьютеров и/или страховочный аккумулятор/конденсатор либо с инверторной системой для преобразования переменного тока, либо с самостоятельной, как для электронных часов, встроенных в бытовых электроприборах. Дилемма в отношении доведения до максимума использования резервных генераторов заключается в том, что несмотря на то, что они в состоянии реагировать на высокие объединенные цены (автоматически, если используется способ согласно патенту Австралии № 748800), но дополнительные капитальные затраты на генераторную установку продолжают оставаться финансовым бременем.

Когенерация, хотя и мотивируется в первую очередь выгодами повышенного кпд по топливу, также считается обеспечивающей дополнительную надежность снабжения, так как при этом есть возможность использовать сетевое снабжение в качестве резервного источника электроэнергии, если генератор совместной выработки энергии по какой-либо причине не будет доступным. Объединенный рынок отличается тем, что цены на электричество большей частью низкие, так как они определяются крупными генераторами базисной нагрузки, предельно допустимая высокая себестоимость которых низкая. Изредка бывают всплески очень высоких цен, когда генераторы более высокой стоимости, запрашивающие очень высокую цену, также нужно ввести в работу, чтобы удовлетворить потребности в нагрузке. График 2, приводимый ниже, показывает кривую ценовой длительности и региональную получасовую цену на электричество в шт. Виктория в 2002 г. В 2002 г. насчитывалось 28 получасовых периодов, когда цены превышала 1000 долл./МВт·ч; 169 получасовых периодов, когда цена была выше 100 долл./МВт·ч.

В 12,8% времени цены были выше 40 долл./МВт·ч, и в 32,9% цены были выше 30 долл./МВт·ч. При том, что использование угля для небольших систем энергоснабжения непрактично, и цена газа, поставляемого по распределительной системе розничным потребителям, может существенно превышать цену газа, поставляемого на станции по магистральным трубопроводам, число примеров когенерации было небольшим и редким. Когенерация успешна тогда, когда сеть передачи или распределения предлагает оплату на поддержание сети (на основе экономии капитальных затрат в отсроченных капиталовложениях, чтобы устранить ограничения сети), и/или когда используемое топливо является побочным продуктом основной деятельности или в ином случае имеет небольшую стоимость в альтернативном использовании, например в случае использования выжимок сахарного тростника.

Пример известной системы когенерации излагается в патенте США № 6525431, объектом которого является система когенерации для жилого или коммерческого здания, представляющая собой систему, содержащую емкость воды, причем система утилизирует вторичное тепло от двигателя цикла Стерлинга и обеспечивает средства снижения вибрации и шума от работающего двигателя. Еще одно указываемое в этом патенте преимущество заключается в том, что емкость для охлаждающей воды и сама охлаждающая вода используются для вторичного теплообмена и как средство уменьшения шума и вибрации от работающего двигателя.

В настоящее время значительное внимание уделяется другим новым технологиям совместной выработки электроэнергии, таким как топливные элементы, которые позволяют совместно вырабатывать электричество, воду и тепло фактически без сгорания поступающего водородного топлива. На предварительном этапе природный газ (содержащий в основном метан) превращают в водород с выделением углекислого газа - хотя и более эффективно, чем при сжигании другими средствами. По словам сторонников этого способа кпд преобразования энергии составляет от 50 до 70% в комбинированном методе.

В докладе Бюджетной комиссии Конгресса США под названием «Перспективы многовариантной выработки электричества» (сентябрь 2003 г.) приводится сравнительная таблица Выровненной стоимости некоторых технологий, целесообразных для многовариантной выработки электроэнергии применительно к США; с этой таблицей можно ознакомится по адресу http://www.cbo.gov/showdoc.cmf?index=4552&sequence=0; и содержание этого доклада входит в данный документ в качестве ссылки.

КТЭ - комбинированные тепло и энергия (также для данного понятия используется термин «когенерация»); ДВС - двигатель внутреннего сгорания.

Выровненная стоимость представляет собой среднюю стоимость электричества (цент/кВт·ч) в течение срока службы вырабатывающего электричество оборудования. Будущие затраты и выходные потоки основаны на данных таблицы 2, со скидкой в 7% от их сегодняшних значений. Оценки стоимости исходят из того, что системы, работающие на ископаемом топливе, будут действовать в течение 90% времени, и что системы, работающие от энергии ветра и солнечной энергии, будут действовать в течение 40 и 27% времени, соответственно.

Сравнения выровненной стоимости не включают в себя эффекты налоговых льгот или др. прямых субсидий для определенных технологий.

«Крупные ветровые турбины» не включены в эти данные (как в табл.2), т.к. они в основном не считаются достаточно целесообразными для совместной выработки электроэнергии (обычно они не расположены вблизи потребителей).

а. В системе комбинированного цикла турбина сгорания работает совместно с паровой турбиной. Эта система включена в упомянутую таблицу как исходный пункт для стоимости электроэнергии от новых крупных генераторов. Затраты на передачу и распределение в среднем прибавят 2,4% на кВт·ч к предельной допустимо высокой себестоимости поставляемой электроэнергии.

Этот доклад дает следующий вывод. «Генераторы двс, включая двигатели дизельного цикла и двигатели электрического зажигания, являются наиболее распространенной технологией обеспечения резервной электроэнергии в целях надежного снабжения или аварийного снабжения. Диапазон этих установок: от 5 кВт до 7 МВт. Они могут сжигать продукцию нефтепереработки (дизельное топливо и бензин) или природный газ. Работающие на природном газе модели имеют очень низкий уровень выбросов благодаря улучшенному процессу сгорания и использованию каталитических преобразователей. Себестоимость киловатта установленной мощности для установок с производительностью, отвечающей многовариантной выработке электроэнергии, одна из самых низких среди всех действующих технологий. Трудность этих систем заключается в том, что повышение кпд использования топлива и льготы, получаемые по «углеводородным кредитам» или по др. мероприятиям, недостаточны для компенсирования повышенной стоимости топлива (бензин, дизельное топливо, сжиженный нефтяной газ или продаваемый в розницу природный газ) на уровне мелкого розничного потребителя. Средняя цена розничного природного газа в 2002 г. для коммерческих потребителей в шт. Виктория составляла около 5 долл./ГДж, и для бытовых потребителей (мелких пользователей) цена составляла около 10 долл./ГДж (Источник: Energy for Victoria - Dept of Natural Resources & Environment 2002). Как указано в приводимой выше таблице 1, стоимость поставляемого природного газа для газовой турбины открытого цикла пиковой электростанции (ГТОЦ) составляла около 5,00 долл./ГДж, и 3,15 долл./ГДж для газа, используемого в газовых турбинах комбинированного цикла (ГТКЦ) в большинстве станций. Поскольку ГТКЦ имеют эффективность по топливу около 50%, поэтому при применении на розничном уровне, чтобы быть конкурентоспособными, они должны обеспечивать выигрыш от новых технологий когенерации, чтобы компенсировать разность цены топлива свыше 100%. Нужно отметить, что этот выигрыш необходимо получить из эксплуатационных расходов, поскольку текущие оценки капитальных затрат на эту новую технологию когенерации не сильно отличаются от капитальных затрат на ГТКЦ - около 1000 долл./кВт. Патент США № 3935028 на “Fuel cell set and method” является примером ранней стадии разработки технологии топливного элемента, которая даже после тридцати лет достигла только очень ограниченного применения. Как указано в упомянутом докладе Бюджетной комиссии Конгресса США, выровненная стоимость производительности топливного элемента даже с комбинированным использованием тепла и электроэнергии существенно превышает среднюю цену на электричество в США и даже существенно выше выровненной стоимости использования двигателя внутреннего сгорания, работающего на природном газе, включая использование тепла и электроэнергии. Еще один недостаток этих технических решений заключается в том, что возможная производительность по электричеству ограничивается объемом полезной стабильной утилизации тепла. Выработка электроэнергии на месте дает финансовое преимущество за счет уменьшения потерь в линии, и может дать и другие преимущества, если будет применяться схема платежей на поддержание сети, но в общем итоге достаточного стимула для широкомасштабного применения этих установок не было.

Тепловые насосы используются уже много лет. В последнее время они нашли более широкое применение, особенно в областях, где пока недорогой природный газ не обеспечен. На их распространенность также влияет более широкое использование систем кондиционирования воздуха для охлаждения крупных помещений, спрос на которые имеется со стороны все большего числа состоятельных потребителей; причем разборчивые потребители выбирают кондиционеры обратного цикла, которые можно также использовать и для отопления. Поскольку эти устройства имеют кпд около 3 (кпд 300%), их предельно допустимая высокая себестоимость (около 4 центов/кВт для выработки тепла) составляет около половины эксплуатационных затрат работающих на природном газе отопительных устройств (предполагая, что газовое устройство имеет кпд преобразования около 50%). Тепловые насосы с приводом от электромотора были бы очень конкурентоспособными по сравнению с эксплуатационными затратами разрабатываемых новых маломасштабных агрегатов когенерации. С точки зрения потребителя существует дополнительная заинтересованность в возможности охлаждения крупных помещений в жаркий летний полдень. С другой стороны, первоначальные капитальные затраты на комплектные системы могут быть намного выше для обычных устройств отопления/нагрева воды, но они очень конкурентоспособны для случаев применения с небольшим числом вентиляционных выходов. Патент США № 4327561 на “High coefficient of performance heat pump” описывает устройство отопления/охлаждения крупных помещений обратного цикла, которое для теплоотвода использует землю. Патент США № 4392359 на “Direct expansion solar collector-hеat pump system” описывает устройство отопления/охлаждения крупных помещений обратного цикла, в котором кпд повышен за счет использования солнечного коллектора. Настоящее изобретение представляет собой усовершенствование и систем когенерации, и тепловых насосов; и обеспечивает возможность комбинирования целесообразных признаков обеих технологий. Также можно обеспечить те же функциональные возможности в качестве резервного генератора, но с существенно более низкими капитальными затратами и эксплуатационными расходами (в одном осуществлении изобретения, согласно которому нагрузкой привода является компрессор теплового насоса, т.к. в течение большей части времени более экономично, чтобы тепловой насос работал от сети, а не от двигателя). Изобретение обеспечивает пользователю возможность выбрать наиболее экономичное топливо, чтобы включить либо привод от электричества или первичный движитель для обеспечения внутренних потребностей в нагрузке и, в необходимых случаях, возможность экспортирования электричества в энергосистему, тем самым, получая прибыль и/или привлекая платежи на обеспечение сети, чтобы снижать перегрузку электросетей.

Патент США № 4873840 на “Energy co-generation system” описывает систему когенерации для выработки электричества, отопления и охлаждения. Компоненты включают в себя средство сгорания, котел, соединенный со средством сгорания, паровой двигатель и электрогенератор, работающий от парового двигателя. Конденсатор соединен с выходом выброса пара парового двигателя, причем конденсатор обеспечивает тепло для системы отопления и обусловливает конденсацию пара, выпускаемого из выхода сброса. Абсорбционный охладитель подключен к выходу сброса парового двигателя и предназначен для охлаждения жидкости системы охлаждения. Тепловой насос или центробежный охладитель могут также работать от выходного вала парового двигателя. Эта система когенерации также может иметь охладитель дымовых газов - для последующей теплопередачи в систему отопления.

Согласно более позднему нововведению когенерация интегрирована с тепловым насосом, в результате чего энергию вала двигателя можно использовать для привода электрогенератора или компрессора системы теплового насоса. Патент США № 6651443 на “Integrated absorption cogeneration” является одним из таких примеров способа когенерации, согласно которому:

(а) развивают мощность на валу работой топливной турбины, из которой отходят нагретые выхлопные газы;

(б) используют упомянутую мощность на валу для выработки выходной мощности, выбранной из группы, состоящей из электроэнергии или охлаждения;

(в) используют упомянутые нагретые выхлопные газы для генерирования пара путем использования их в теплообменнике с теплопередающей жидкостью, стойкой к высоким температурам;

(г) пропускают упомянутую теплопередающую жидкость через парогенератор для выработки пара, и в теплопередающей взаимосвязи с генератором абсорбционного охладителя;

(д) направляют пар из упомянутого парогенератора в паровую турбину, чтобы развить выходную мощность выходного вала, и

(е) используют выходную мощность на упомянутом выходном валу упомянутой паровой турбины, чтобы вырабатывать электроэнергию или охлаждение.

Подобно прочим системам когенерации экономическое преимущество повышенного кпд преобразования топлива описываемых выше различных турбин нередко не может компенсировать надбавку стоимости топлива турбины на уровне розничного потребителя; и в работе они более дорогостоящие, чем тепловой насос, работающий от сети. Помимо этого упомянутые системы с турбинами, работающими от пара, вырабатываемого теплом выхлопных газов, можно применять только для крупных установок мощностью свыше 1 МВт.

Прочие примеры известного уровня техники включают в себя следующие изобретения.

Патент США № 4731547 (Alenduff и др.) от 15 марта 1988 на “Peak power shaving apparatus and method”. Излагаемая в этом патенте технология использует резервный генератор, действующий параллельно сетевому электроснабжению; причем этот генератор имеет значительную первоначальную стоимость и обычно влечет необходимость применения высокой надбавки эксплуатационных затрат. Согласно этому документу выходная мощность этого резервного генератора регулируется для обеспечения энергии, требуемой рабочим агрегатом при заданной величине или ниже нее, и обычно совокупная потребность превышает 15 мин или полчаса - согласно договорам на электроснабжение до появления объединенных рынков электричества. С появлением объединенных рынков электроснабжения новый тип договоров на снабжение отделяет энергетическую составляющую с конкурентоспособной ценой от обязательных платежей за сеть, и эта составляющая в настоящее время включает в себя максимальную плату спроса (т.к. сети рассчитаны на обслуживание максимального спроса). Поскольку составляющая платы за сеть в настоящее время, как правило, меньше половины всей суммы счетов за электричество, значение платы за максимальный спрос существенно снижено, в результате чего сократились преимущества упомянутого изобретения. Настоящее изобретение не только более экономично удовлетворяет потребность в предусмотрении максимального спроса, но также и позволяет конечному потребителю делать выбор между изменяющейся объединенной ценой электричества (объединенная цена может быть очень высокой, как это произошло в Калифорнии и продолжается на Национальном рынке электричества Австралии) и ценой двигательного топлива на открытом рынке - в процессе обеспечения более высокого кпд преобразования путем устранения одной стадии преобразования (теперь двигатель непосредственно создает нагрузку).

Патент США № 5081368 (West) от 14 января 1992 г. на “Uninterruptible power supply with a variable speed drive driving an induction motor/generator” раскрывает непрерываемый источник электроэнергии, содержащий отдельный резервный источник электроэнергии, действующий как альтернативный источник по отношению к сети переменного тока, обеспечивая энергию для привода электромотора, непосредственно связанного с генератором, и из этого вторичного источника энергия направляется в нужную нагрузку. Это капиталоемкое устройство подходит только для ситуаций, при которых первейшее значение имеет надежность снабжения.

Патент США № 5015941 (Dhyanchand) от 14 мая 1991 на “Power conversion system with bi-directional power converter having prime mover start capability” описывает систему, которая использует бесщеточный генератор, приводимый в действие первичным движителем при работе в генерирующем режиме, и приводит в действие первичный движитель при работе в пусковом режиме. Это изобретение использует общий признак использования асинхронного двигателя для выработки электричества, но оно также предусматривает осуществления, согласно которым электромотор используется для пуска первичного движителя; при этом выбор конкретного выполнения будет зависеть от условий на месте, доступности компонентов и от стоимости.

Патент США № 2004/0111226 (Brewster и др.) от 10 июня 2004 г. на “Aggregation of distributed generation resources” описывает способ и систему согласования регулирования многовариантных средств выработки электричества сообразно условиям электроснабжения в местной системе распределения электроэнергии и данным спроса на электроэнергию со стороны потребителей, относящихся к данному объекту многовариантной выработки электричества. В противоположность централизованной методике регулирования согласно описываемой в этом патенте технологии данное изобретение исходит из самостоятельного рыночного реагирования со стороны отдельных пользователей на условия, применяемые в объединенных рынках, чему иногда содействуют соответствующие стимулы, предлагаемые другими участниками рынка, например - соответствующими розничными поставщиками, владельцем или оператором местной сети, или регулирующей организацией региональной системы энергоснабжения, в зависимости от конкретного случая. Поскольку новые объединенные рынки уже имеют централизованную систему предложений производителей по устанавливаемой цене и распределению электроэнергии, поэтому описываемая в этом патенте вторичная система будет обладать только ограниченной свободой действия. С учетом того, что потребители неохотно уступают контроль за своими собственными объектами сторонним властям, недостаток этого технического решения заключается в недостаточном просторе действий и в слабом стимуле для придания жизнеспособности этой системе. С другой стороны, объект данной патентной заявки заключается в новой взаимной компоновке нагрузки, первичного движителя и электромотора-генератора, которая снижает общую стоимость, и в системе, которая действует в этих целях на основе потребностей потребителя в нагрузке и возможностей получения финансовой выгоды на объединенных энергетических рынках согласно патенту Австралии № 748800 (Perera) от 21 августа 2001 г.

Заявка РСТ № WO 01/71881 (Lagod и др.) от 01 марта 2001 г. излагает систему энергетического управления на основе местных резервных генерирующих объектов. Проблема этих систем заключается в высокой стоимости создания отдельных резервных объектов и в высоких эксплутационных затратах этих систем. Данная патентная заявка устраняет эти ограничения за счет обеспечения удвоения электромоторной нагрузки в качестве генератора при работе от первичного движителя согласно излагаемой системе передачи электроэнергии. За счет этого снижается установленная стоимость, и за счет создания нагрузки непосредственно от первичного движителя согласно необходимости и при необходимости устраняются два процесса преобразования энергии и устраняются связанные с этим потери эффективности.

Раскрытие изобретения

Широко используемый асинхронный двигатель переменного тока совместно с другими более сложными электромоторами/генераторами также обладает возможностью действовать в качестве электрогенератора при работе от первичного движителя сверх его синхронной частоты вращения. Изобретение также использует эту характеристику для преобразования почти любого работающего от электромотора устройства в экономически выгодный привод и одновременно как генерирующую систему (наиболее выгодная в данный момент выработка электроэнергии) за счет введения заменяющего первичного движителя для приводимого от электромотора применения, в результате чего становится возможным выбор наиболее экономичного источника топлива для обслуживания данной нагрузки и, сообразно обстоятельствам, система сможет действовать как генератор электроэнергии с первичным движителем, или без него, также с одновременным обслуживанием данной нагрузки. Необходимость создания нагрузки одновременно с выработкой электроэнергии будет зависеть от потребностей в нагрузке в данный момент, от возможности промежуточных аккумулирующих объектов допустить прерывистую нагрузку, и от наличия других приводов (первичные движители и/или электромоторы), установленных из соображений надежности. Возможность создания нагрузки одновременно с выработкой электроэнергии первичным движителем будет также зависеть от наличия средств для регулирования скорости вала генератора и наличия средств регулирования выходной мощности, например системы «преобразователь-инвертор». Поскольку большинство применений электромотора предназначены для изменяющихся во времени нагрузок, системы электромоторных приводов рассчитаны на работу в цикле вкл/выкл, который обычно регулируется минимальным и максимальным значениями соответствующего параметра, например температуры, в случае охлаждения помещения, давления/уровня жидкости случае перекачки жидкости и пр. Новейшие конструкции систем отопления/охлаждения, использующие тепловые насосы, используют преобразователи-инверторы для изменения скорости электромотора, чтобы соответствовать потребности в нагрузке, но при введении промежуточного аккумулирования тепла/охлаждения можно добиться более экономичных результатов (например, цикличность работы обеспечивает возможность выработки электричества для собственных нужд и/или экспортирования электричества в энергосистему) согласно описанию изобретения. Для небольших применений, подверженных ограничениям по установленной стоимости, стандартный асинхронный двигатель с двигателем на природном газе является предпочтительным вариантом. Поскольку природный газ доступен для отопления помещений и нагрева воды в большинстве развитых стран, этот вариант жизнеспособен для миллионов потенциальных потребителей. В районах, где нет газопроводного обслуживания, но имеются возможности для хранения/использования сжиженного нефтяного газа (СНГ) (который оказывается дешевле дизельного топлива), предпочтительным вариантом будет СНГ-двигатель (или двигатель, видоизмененный для работы на СНГ). Благодаря большей доступности и известности дизельных двигателей эти установки также очень целесообразны особо в тех случаях, когда доступны субсидии для компенсации более высокой стоимости дизеля и/или источника дополнительного поступления от этой экономии выработки электричества и/или надлежащей экономии от когенерации тепла и электричества, и/или если имеется возможность выбора наименьшей стоимости для обеспечения нужного уровня надежности применения нагрузки. Для более крупных применений можно также использовать микротурбины и газовые турбины.

Специальное приводное устройство для электромотора, который может действовать как генератор, первичный движитель и создаваемая нагрузка и их работа/выходная мощность регулируются компьютером, который может непрерывно получать информацию об оборотах создаваемой нагрузки, электромотора-генератора и первичного движителя, информацию о ценах на электричество и топливо, используемого первичным движителем, включая прогнозы краткосрочных ценовых тенденций, информацию о текущих потребностях в нагрузке для данной создаваемой нагрузки, о потребностях в электричестве других подключенных нагрузок в данном месте; и который будет запоминать информацию о соответствующих постоянных и переменных затратах на работу первичного движителя, включая соответствующие расчетные/эксплуатационные данные о создаваемой нагрузке, первичном движителе и электромоторе-генераторе, необходимые для регулирования их выходной мощности на основе числа оборотов; и соответствующую информацию о договорных условиях на поставку электричества и топлива, и условий, регулирующих использование и экспортирование мощности в энергосистему; и может выбирать между созданием этой нагрузки электромотором или первичным движителем, или обоими вместе; или принимать решение о том, чтобы первичный движитель приводил в действие электромотор в качестве генератора вместо или дополнительно к созданию нагрузки, чтобы соответствовать потребностям на месте, с экспортированием части выходной мощности от первичного движителя, или без экспортирования, или чтобы экспортировать все электричество, вырабатываемое комбинацией первичного движителя и генератора. Дополнительно можно предусмотреть коммутирующие средства, реагирующие на управляющие сигналы от компьютера, чтобы подключить или отключить элемент передачи мощности, подключенного к каждому основному компоненту, включая компьютерные сигналы для регулирования снабжения топлива для первичного движителя в целях обеспечения вычисленной скорости привода в соответствии с нужной выходной мощности нагрузки и/или выходной мощности генератора, когда подключен генератор; при этом компьютер может использовать или не использовать блок инвертора/преобразователя для непосредственного регулирования скорости электромотора или выходной мощности генератора.

Краткое описание чертежей

Признаки, объекты и преимущества изобретения будут более понятными при обращении к прилагаемым чертежам и таблицам.

Фиг.1 схематически представляет осуществление изобретения в условиях высокой надежности, например в условиях насосной станции. Для ясности показаны только основные признаки схемы привода.

Фиг.2 схематически представляет осуществление изобретения для отопления помещений при помощи теплового насоса. Для ясности представлено только именно отопление, но в большинстве этих применений используется тепловой насос с обратным циклом для зимнего отопления и летнего охлаждения, помимо горячего водоснабжения для помещений.

Фиг.3 схематически показывает еще одно осуществление изобретения для отопления при помощи топливного насоса, дополненного использованием отопительной солнечной панели.

Фиг.4 - график получасовой длительности спроса на электричество в шт. Виктория в 2002 г.

Фиг.5 - диаграмма, представляющая получасовые региональные объединенные цены на электричество в шт. Виктория в 2002 г.

Фиг.6 - сравнительная диаграмма выровненной стоимости некоторых технологий, целесообразных для распределенной выработки электроэнергии применительно к США.

Фиг.7 Диаграмма, представляющая суточные средние местные объединенные цены на электричество в шт. Виктория и объединенные цены на газ в этом штате в 2002 г.

Осуществление изобретения

Для ясности: действие изобретения сначала излагается на примере его простого осуществления в условиях высокой надежности насосной станции согласно фиг.1. Обычный проект этой насосной станции имеет три работающих от электромотора насоса, причем два насоса работают совместно для обеспечения пиковой нагрузки, но в основном один насос достаточен для обеспечения потребностей в нагрузке (это - типичная схема, если отсутствует промежуточное аккумулирование). Запасной насос обслуживает ситуацию, когда выходит из строя один насос или когда один насос простаивает по причине планового техобслуживания. Электродвигатели 4, 6 приводят в действие насосы 5, 7 и запитываются по линиям 21, 18 от сети 17 через изоляторы 20, 23 и от пусковых установок 19, 22.

Сетевое электроснабжение для насосной станции обычно осуществляется от двух попеременных питающих линий, идущих по разным маршрутам и предпочтительно происходящих от двух распределительных подстанций. В зависимости от местоположения запасное (альтернативное) подключение питающей линии может иметь значительную стоимость, которая часто превышает стоимость дизельного двигателя-генератора с характеристиками, эквивалентными характеристикам одного из насосов. Нужно отметить, что резервное генерирование для особо важных применений снова становится все более актуальным, особенно по причине увеличивающегося размера и усложняемости крупных, взаимно соединенных, энергосистем они становятся все в большей степени подверженными крупным аварийным отключениям, и существует реальная возможность отключения потребителей, т.к. критерии безопасности энергосистем точно отрегулированы на самостоятельное распределение нагрузки в соответствии с новыми рыночными правилами конкуренции. Насосы 5, 7 соединены с впускной магистралью 8, которая представляет собой питающую водопроводную линию, и насосы также соединены с выпускной магистралью 9, которая является нагнетающим выходом. Выпускная магистраль 9 может (также) быть подключена к промежуточной водонапорной башне, которая обычно имеет заданные значения уровня воды для регулирования пуска и останова насосов.

Третий насос 1 соединен и с двигателем 2 и с электромотором 3, который может работать как генератор, если будет действовать с превышением синхронной скорости. Система подключения привода показана в виде ремня (10) и шкива (11, 12, 13), рассчитанных на потребности нагрузки привода; но система подключения привода может быть любым другим целесообразным устройством, таким как коробка передач или гидропривод. Шкивы 11, 12, 13 также содержат дистанционно управляемые средства электрического сцепления, чтобы двигатель смог приводить в действие либо только насос, либо только электромотор-генератор, или их оба; и также, чтобы смог приводить в действие только насос или только двигатель, или их оба. За счет этого электромотор сможет приводить в действие двигатель (который может работать или не работать в режиме декомпрессии) до достижения им синхронной скорости, и затем скорость двигателя можно повысить свыше синхронной скорости для выработки электричества. В предпочтительном осуществлении устройство контролирующего регулирования в насосной станции содержит модуль для автоматического выполнения этой части синхронизации.

Электродвигатель-генератор 3 подключен к сетевому электропитанию 17 соединительными проводами 14, включая изолятор 16 и пусковой агрегат 15. Прочие системы подсчета, предохранителей и защиты, требуемые учреждениями энергоснабжения, должны присутствовать, но не показаны для упрощения понимания. Для более крупных размеров или для более сложных применений агрегатом 15 может также быть система «преобразователь-инвертор», преимущество которой заключается в том, что нагрузку можно регулировать изменением скорости привода и осуществлять более сложное взаимодействие энергосистемы, такое как обратная подача активной и реактивной мощности в энергосистему. Для крупных применений, где пуск с пониженным напряжением, как в пусковых устройствах со звезды на треугольник, неприемлем для норм регулирования напряжения распределительной системы, преобразователь-инвертор может быть также обязательным. Успехи в области энергетической электроники и растущая популярность этих устройств повысили их доступность и снизили их стоимость. Для простых применений, которым нужен низкостоимостной результат, обычный асинхронный двигатель хорошо пригоден, но он страдает от того недостатка, что необходимо импортировать реактивную мощность у основной энергосистемы/распределительной системы. Находящиеся на месте конденсаторы помогут снизить этот спрос при электроснабжении от сети, но имеются более лучшие варианты, такие как бесщеточный асинхронный генератор двойного запитывания, который также может экспортировать реактивную мощность в энергосистему, даже и с ценовой надбавкой. Эти более сложные агрегаты гораздо более целесообразны для более крупных применений, и дополнительные затраты можно частично компенсировать, если имеются вспомогательные платежи за обслуживание на поставки реактивной мощности в энергосистему/распределительную систему.

Компьютерная система управления и средства управления не показаны - в целях большей ясности. Многие признаки компьютерной системы управления будут аналогичными тем, которые описываются в патенте Австралии № 748800 в отношении текущего контроля за ценами, условиями договора на электроснабжение, потребностей в нагрузке на месте, использования генератора для экспортирования электричества в энергосистему и пр. Помимо этого компьютерная система управления сможет контролировать выходные сигналы датчиков числа оборотов на соответствующих приводных валах; при этом доступные расчетные данные об аппарате будут регулироваться по необходимости для определения значений числа оборотов, нужных для обеспечения нужной нагрузки и/или генерируемой выходной мощности по электричеству; сможет вычислять оптимальные финансовые показатели использования альтернативных источников энергии для создания нагрузки - с учетом существующих возможностей финансовой выгоды от экспортирования электричества; сможет определять оптимальные параметры промежуточного аккумулирования, например температуру/объем, и определять оптимальное использование дополняющих источников энергии, таких как солнечные панели, дополнительно к осуществлению отопления/охлаждения.

Система «выработки электроэнергии путем использования наиболее выгодного на данный момент варианта выработки» согласно изобретению позволяет выбирать между рыночной ценой на электричество и газ (или др. топливо), и также позволяет экспортировать электричество в распределительную систему, если это выгодно в данный момент. Патент Австралии № 748800 обеспечивает способ и систему для спросного реагирования на цены на объединенных рынках энергии. Если речь идет об участке, в котором объединенных рынков энергии нет, то некоторые признаки относительно стимула для регулирования цен/спроса согласно патенту Австралии 748800 должны быть отражены в соответствующем договоре на снабжение/выкуп, заключаемом с соответствующим розничным поставщиком электричества (и газа).

Если работа установки «выработки электроэнергии путем использования наиболее выгодного на данный момент варианта выработки» требуется в то время, когда электроснабжение все еще можно получить по нормальным ценам, то эксплуатацинные затраты работы в электромоторном режиме будут меньше затрат на эксплуатацию двигателя, - за исключением удаленных местоположений, где затраты на распределение электричества являются крупной составляющей розничной цены на электричество. Также есть вероятность того, что в этих дальних местоположениях газопроводный природный газ будет отсутствовать, и если в наличии будет только СНГ или дизельное топливо, то разница в затратах может быть все же в пользу работы в электромоторном режиме. В течение периодов, когда двигатель работает с небольшой нагрузкой и цена экспортирования электричества высокая, запасную мощность приводного двигателя можно будет применить для экспортирования некоторого количества электричества в систему распределения электричества за счет работы электромотора в генераторном режиме и устройства основной нагрузки (напр., насоса) совместно. Модуль управления скоростью двигателя будет задавать темп экспортирования электричества, и в случае необходимости точного регулирования скорости нагрузочного агрегата (что не трудно в случае водяных насосов и компрессоров) будет предпочтительно иметь регулируемую извне автоматическую коробку передач (не показана), установленную между шкивом сцепления и нагрузочным агрегатом.

Если прогнозируемая цена экспортирования энергии в распределительную систему будет очень выгодной, то все устройства (насосы) в данной установке могут включать в себя системы «выработки электроэнергии путем использования наиболее выгодного на данный момент варианта выработки» согласно настоящему изобретению. Таким образом, возможности экспортирования электричества можно существенно повысить, и это будет более выгодным, если местная сеть передачи/распределения электричества будет близка к обязательно возможной производительности, и если будут возможными платежи на «поддержание сети». Договоренности по платежам на поддержание сети должны быть выработаны с операторами сети передачи и распределения, и они могут основываться на непосредственном вмешательстве, если будет предусмотрена автоматическая система согласно патенту Австралии № 748800. Согласно одному из осуществлений изобретения, которое представляет собой способ ведения торговли единицами энергии согласно патентной заявке № 85570/01, возможные применяемые договоренности о торговле в данной схеме поддержания сети предусматриваются за счет включения, в виде надбавки, соответствующих платежей, оговариваемых в схеме поддержания сети (определяются соответствующие сроки и количества сокращения используемой энергии и/или количества экспортируемой энергии) в договорах, согласуемых с Продавцом и соответствующим поставщиком(ами) сетевого обслуживания - в зависимости от конкретного случая. Тот факт, что полную мощность генератора можно использовать для экспортирования, с последующим поддержанием или без такового, путем снижения нормальной нагрузки означает, что обязательство по поддержанию сети теперь возможно с минимальной стоимостью, заданной на уровне номинальной выходной мощности генератора.

С применением «выработки электроэнергии путем использования наиболее выгодного на данный момент варианта выработки» первоначальные капитальные затраты гораздо меньше, чем обеспечение отдельного резервного генератора, и в большинстве случаев существенно меньше дополнительной стоимости выделенной резервной соединительной линии и запасной мощности энергосистемы. Еще одно преимущество заключается в возможности выбора между энергетическими рынками, особенно когда имеется хорошая перспектива цен на электричество. В тех случаях, когда энергетических рыночных договоренностей немного, имеется возможность заработать существенные суммы за счет продажи электричества на экспорт (график 2 показывает 84 часа, в течение которых объединенная цена превышала 100 долл./МВт) и благодаря платежам на поддержание сети.

Договоренности о торговле/платежах на поддержание сети можно выработать на стадии первоначального обращения за подключением к снабжению, если когда-либо подключение к снабжению должно возрасти из-за повышения нагрузки, или когда появляется возможность пересмотра договора на снабжение/максимальный спрос. Большинство положений о сетях требует, чтобы владельцы сети собирали сведения о спросе, если они предпринимают наращивание сети, чтобы обеспечить дополнительную возможность выработки услуг по поддержанию сети, если предлагаемое наращивание будет перед местоположением потребительского снабжения.

На фиг.1 и в описании упоминается только один первичный движитель (двигатель), но также можно иметь несколько первичных движителей, например привод в виде ветроэнергетической установки, водяного колеса/минигидротурбины. Если имеется несколько первичных движителей, и нужно, чтобы они работали совместно, то необходимо предусмотреть возможность изменения их соответствующих значений числа оборотов входного вала - предпочтительно за счет непрерывного изменения числа оборотов, чтобы можно было оптимизировать использование приводной мощности.

Прочие осуществления изобретения

Около 75% внутреннего энергопотребления в странах умеренного климата затрачивается на отопление/охлаждение помещений и на обеспечение горячей водой. Растет число производителей кондиционеров с обратным циклом для отопления. Одно из осуществлений настоящего изобретения для этих обстоятельств представлено на фиг.2, на котором показано комбинирование обеспечения горячего водоснабжения и отопления при помощи системы гидроники. При таком комбинировании двух нагрузок крупный агрегат «выработки электроэнергии путем использования наиболее выгодного на данный момент варианта выработки» можно использовать для увеличения мощности, чтобы продавать электричество обратно в соответствующих случаях. Для упрощения описания показаны только отопительные циклы, но специалисту в данной области техники будет ясно, что если предусмотреть емкость холодной воды и переключающие клапаны, то эту систему можно будет легко преобразовать и для работы в режиме охлаждения помещений.

Согласно фиг.2 компрессор 100 действует как нагрузочный агрегат и подключен к конденсатору 104 при помощи труб 105, затем рабочая жидкость проходит через расширительный клапан 107 на трубе 106, которая соединяет конденсатор 107 с испарителем 101. Испаритель 101 может иметь дополнительный вентилятор (не показан), подающий воздух окружающей среды по трубкам испарителя и/или системы циркуляции воздуха, смачивая трубки снаружи. Жидкость возвращается в компрессор по соединительной трубке 108. Конденсатор 104 помещен в емкости 102 хранения воды, и имеет впуск 111 для воды на днище и выпуск 112 воды сверху. Емкость 102 также содержит теплообменную трубку 103, по которой идут выхлопные газы от двигателя 2 по трубе 109 и потом выходят в атмосферу через глушитель 110. Еще один теплообменный контур, используемый для извлечения полезного тепла из жидкости рубашки охлаждения двигателя, не показан.

Комбинирование теплового насоса с отопительной системой гидроники имеет преимущество повышения кпд благодаря улучшенной теплопередаче в трубках конденсатора и/или испарителя, которые теперь контактируют с водой (с кпд от 4 до 6 - как в выпускаемых промышленностью системах для нагрева воды в плавательном бассейне), а не с воздухом (с обычным кпд около 3). Хотя можно использовать различные типы теплового насоса, но имеющие высокий кпд установки, использующие компрессоры со спиральной камерой, являются предпочтительными, при условии допустимого уровня цены. Еще одно преимущество этого технического решения заключается в возможности обеспечения аккумулирования тепла при помощи емкости для горячей воды соответствующего размера. При этом тепловой насос сможет работать прерывисто, и тогда будет иметься возможность для экспортирования электричества до максимальной номинальной мощности (двигателя)/генератора в те периоды, когда нагрузки не будет. Размер емкости для горячей воды будет определять степень свободы для оптимизирования размера теплового насоса, двигателя и электромотора/генератора сообразно потребностям в нагрузке; также с учетом ожидаемых цен на топливо для собственного использования/экспортирования. Основной недостаток широкого использования тепловых насосов заключается в их тенденции одновременной работы (например «резкое похолодание» или утреннее «пробуждение»), которая создает местные пики нагрузки в системе распределения/передачи. Наличие емкости с горячей водой и/или реле времени предварительного нагревания помогает сгладить некоторую пиковость местной нагрузки. В зависимости от размера средства 102 аккумулирования тепла согласно фиг.2 обеспечивается возможность выровнять экспортируемое электричество в эти пиковые периоды и выиграть от платежей на поддержание сети, если таковые имеют место. Использование «выработки электроэнергии путем использования наиболее выгодного на данный момент варианта выработки» с автоматической системой, излагаемой в Патенте № 748800, обеспечивает возможность воспользоваться большинством всплесков цен на объединенных энергетических рынках.

Один из основных недостатков использования тепловых насосов в условиях умеренного климата заключается в том, что при снижении температуры до нулевой, или ниже, эффективность теплового насоса резко снижается. В этих обстоятельствах предпочтительно использовать тепло грунтовой воды или солнечные нагревательные панели для подачи тепла в испаритель. Осуществление изобретения с использованием солнечной нагревательной панели 335 показано на фиг.3: тепло этой панели используется для нагревания воды в емкости 305 хранения, использующей насос 335 и соединительные трубы 334 и 336. Испаритель 306 теплового насоса помещен в емкости 305, соединенной с конденсатором 104 по трубе 303, имеющей расширительный клапан 331. Компенсирующая вода входит в емкость 305 снизу по трубе 321, и теплая вода проходит ко дну емкости 102 горячей воды с верха емкости 305 по трубе 322. Рабочая жидкость возвращается в компрессор по трубе 304. Горячая вода для использования на месте берется из трубы 323 сверху емкости 102 горячей воды. Для обеспечения расширенной работы генератора, согласно фиг.3, используется отклоняющий клапан 302, который выпускает выхлопные газы в атмосферу через глушитель 301, если температура в емкости 102 горячей воды доходит до заданного ее значения.

Специалисту в данной области техники будет ясно, что схему согласно фиг.3 можно легко видоизменить для работы теплового насоса в режиме обратного цикла в целях летнего охлаждения помещений путем введения отдельной емкости для холодной воды, в которой будет установлен альтернативный испарительный змеевик; и для работы насоса солнечной панели в ночное время, чтобы хранить холодную воду в емкости 305. Теплообменный змеевик 306 тогда будет действовать как конденсатор для обратного цикла теплового насоса. Поскольку горячей водой летом будет требоваться меньше, чем зимой, исходящее тепло из двигателя будет достаточным для обеспечения нужной температуры в емкости 102 горячей воды, но когда двигатель работать не будет или если температура горячей воды снизится ниже заданного значения, то тепловой насос можно включить для нагревательного цикла, чтобы обеспечивать дополнительное тепло для емкости 102 горячей воды. Для летнего охлаждения система гидроники будет использовать холодную воду из емкости холодной воды (не показана) вместо горячей воды из емкости 102 горячей воды.

С учетом сегодняшних оценок удовлетворения неотложных потребностей в росте объема вырабатываемой электроэнергии, в расширении систем передачи и распределении во всем мире (речь идет о миллиардах долларов: значительно меньшие капитальные затраты широкого применения данного изобретения дадут огромное преимущество при создании более жизнеспособных и крепких энергетических рынков, которые будут саморегулирующимися, и не будет зависимости от стороннего вмешательства/регулирования, до настоящего времени не эффективных. Самая низкая стоимость для предприятий генерирования базисной нагрузки будет достигнута за счет использования газовых турбин стоимостью около 750000 долл./МВт, к чему нужно добавить почти равную сумму стоимости наращивания сети. Двигатель-генератор на природном газе/дизельном топливе будет стоить около 500 долл./КВт, что эквивалентно 500000 долл./МВт. Прочие компоненты оборудования, такие как преобразователь-инвертор, системы привода и системы управления оцениваются еще в сумме около 5000 долл. для малой установки. Стоимость теплового насоса или других нагрузочных средств можно оправдать их собственными улучшенными рабочими показателями. На Фиг.7 показаны суточные средние местные объединенные цены на электричество в шт. Виктория и объединенные цены на газ в этом штате в 2002 г. Высокие цены на электричество имеют тенденцию влиять на объединенную цену на газ по причине значительного расхода газа на выработку электричества. Но очевидно, что имеется большое количество дней, когда суточная средняя цена на электричество значительно выше годовой суточной средней цены, но объединенная цена на газ намного не изменилась. Если рассматривать уровень получасовых объединенных цен на электричество, то встречается гораздо больше примеров всплесков цен на электричество, которые не влияют на объединенную цену на газ.

Изобретение, предпочтительно по отношению к патенту Австралии № 748800, идеально подходит к выгодному реагированию к таким случаям значительной разницы цен на энергетическом рынке - даже при работе на уровне мелких потребителей.

Такие варианты недорогого первичного топлива как биогаз, биодизель, этиловый спирт и др., не нашли коммерческого применения из-за проблем с обеспечением стабильных объемов экономичного производства. Это изобретение обеспечивает этим видам топлива возможность стать экономичными даже при небольших объемах производства, особенно в удаленных районах, где природный газ недоступен и расходы на транспортирование СНГ или дизельного топлива могут быть слишком высокими.

Несмотря на то, что изобретение изложено со ссылкой на предпочтительные и др. осуществления, специалисты в данной области техники могут предусмотреть многочисленные варианты в рамках объема и сущности изобретения. Модификации и замены в настоящем изобретении в виду этого раскрытия считаются входящими в объем данного изобретения, которое ограничивается только приводимой ниже формулой изобретения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для энергоснабжения потребителей. Техническим результатом является повышение надежности энергосистемы и энергоснабжения потребителей и расширение диапазона многовариантной выработки и когенерации электроэнергии. Снижение себестоимости многовариантной выработки электроэнергии обеспечивается средствами использования энергии и когенерации (преобразование тепловых отходов в энергетике в электроэнергию и отопление) электричества на месте у потребителя, которая позволяет мелкому потребителю выбирать между одним или несколькими видами первичной энергии из числа имеющихся источников энергии, в целях снижения совокупных капитальных и эксплуатационных затрат для удовлетворения потребностей в собственной нагрузке. Учитываются самые выгодные в данный момент возможности экономии путем снижения собственной нагрузки и/или возможности заработать деньги путем экспортирования в сетевое электроснабжение - когда рыночные цены на электричество высокие, и/или получить выгоду от платежа на поддержание сети и от вспомогательных услуг, если таковые имеют место. Для работы, для которой требуется высокий уровень надежности, предоставляется возможность получения нужного уровня надежности для работы на месте у потребителя, без дополнительных затрат на дублирующие линии подключения электроснабжения и без дорогостоящих резервных средств выработки энергии. 14 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Система для управления снабжением потребителя энергией, получающая мощность из энергосистемы и содержащая: по меньшей мере одно средство передачи энергии для избирательного подключения любых двух или для задействования всех трех из следующих основных компонентов: создаваемая нагрузка, электромотор, который также может действовать как генератор (электромотор-генератор) и первичный движитель; работающий от компьютера контроллер, который непрерывно принимает информацию о числе оборотов нагрузки ведущего вала, электромотора-генератора и первичного движителя, информацию о ценах на электричество и ценах на топливо, используемого первичным движителем, включая прогнозы краткосрочных ценовых тенденций, информацию о текущих потребностях в нагрузке для создаваемой нагрузки, о потребностях в электричестве других местных подключенных нагрузках; и который запоминает информацию о соответствующих постоянных и переменных затратах эксплуатации первичного движителя, включая соответствующие данные о конструкции/работе создаваемой нагрузки, первичного движителя и электромотора-генератора, необходимые для регулирования их выходной мощности на основе числа оборотов; и соответствующую информацию о договорных условиях электроснабжения и поставках топлива, и условий, регулирующих использование и экспортирование энергии в энергосистему; выбирает между созданием нагрузки электромотором или первичным движителем, или ими обоими, или приведения в действие электромотора как генератора первичным движителем либо в виде альтернативы или в дополнение к созданию нагрузки, чтобы обеспечивать потребности в электричестве на месте с экспортированием части выходной мощности, или без такового экспортирования, от первичного движителя, либо для экспортирования всего электричества, производимого совместно первичным движителем и генератором; коммутирующее устройство, реагирующее на сигналы управления от компьютера, чтобы включить в работу или вывести из работы каждый из основных компонентов, включая сигналы компьютера для регулирования поставок топлива для первичного движителя в целях обеспечения вычисленного числа оборотов в соответствии с нужной выходной мощностью нагрузки и/или выходной мощности генератора, если таковой подключен.

2. Система для управления снабжением потребителя энергией по п.1, в которой потребитель находится в районе, обслуживаемом работающим в режиме реального времени объединенным энергетическим рынком; применяет особую коммерческую схему для поставки энергии для потребителя, которая предусматривает выкуп поставщиком по соответствующим объединенным ценам неиспользованной энергии на основе графика количества/цены через указываемый в договоре срок, включая электричество, экспортируемое в сетевое снабжение из электричества, вырабатываемого на месте, и с положением, которое дает поставщику выбор применения ценовой надбавки для усиления стимула для опросного реагирования на высокие объединенные цены; и компьютерную систему для регулирования преобразования энергии на месте у потребителя, которая осуществляет текущий контроль за объединенными ценами, договорными условиями поставки энергии, текущими потребностями в нагрузке и ожидаемыми изменениями нагрузки, учитывая эти факторы для определения оптимального сочетания используемых источников энергии для удовлетворения нагрузки, включая выгодные в данный момент возможности прибыли от экспортирования энергии в энергосистему, когда объединенные цены высокие по сравнению с эксплуатационными расходами/стоимостью топлива; и осуществляет оптимальное использование средств промежуточного аккумулирования энергии и дополнительные возможные дополняющие источники энергии, и выполнение этих решений согласно установленному порядку, включая синхронизирование выходной мощности генератора перед подключением к сетевому снабжению, и обеспечение визуальной индикации/звуковой сигнализации рабочих состояний при достижении заданных параметров.

3. Система для управления снабжением потребителя энергией по п.1, в которой управление числом оборотов электромотора-генератора, используемых в качестве электромотора, и регулирование выходной мощности по электричеству от электромотора-генератора, используемого в качестве генератора, осуществляются при помощи инвертора-преобразователя.

4. Система для управления снабжением потребителя энергией по п.1, в которой устройство передачи энергии использует систему приводного ремня со шкивами на основных приводных валах каждого из основных компонентов, причем указанные приводные ремни связаны с каждым из основных компонентов, причем указанные шкивы связаны с дистанционно управляемой системой муфт для сцепления или расцепления силовой трансмиссии с соответствующим основным компонентом, выполненной с возможностью управления при помощи компьютера.

5. Система для управления снабжением потребителя энергией по п.1 или 2, в которой устройство передачи энергии использует жидкостную приводную систему с жидкостными преобразователями мощности на основных приводных валах каждого из основных компонентов, причем указанные жидкостные преобразователи мощности имеют дистанционно управляемую систему управления потоком жидкости для сцепления или расцепления силовой трансмиссии с соответствующим основным компонентом, выполненную с возможностью управления сигналами от компьютера и содержащую или не содержащую соответствующие устройства подачи жидкости из и в жидкостные преобразователи мощности, выполненные с возможностью управления их компьютером для управления скоростью приводных валов любого одного или более из основных компонентов.

6. Система для управления снабжением потребителя энергией по п.1 или 2, в которой устройство передачи энергии использует коробку передач с тремя приводными валами, подсоединенными к каждому из основных компонентов, причем коробка передач имеет устройство, обеспечивающее сцепление или расцепление каждого приводного вала в соответствии с сигналом от компьютера, при этом коробка передач также содержит устройство для независимого плавного изменения ступени передачи по отношению к любым двум приводным валам в соответствии с сигналами от компьютера.

7. Система для управления снабжением потребителя энергией по п.1 или 2, в которой первичный движитель имеет два выходных приводных вала, связанных с нагрузкой и мотор-генератором с использованием гибкого соединения с дистанционно управляемой системой муфт, связанной с каждым соединением, для сцепления или расцепления нагрузки или мотор-генератора по сигналу от компьютера, причем первичный движитель имеет управляемые компьютером клапаны сброса давления, что позволяет при приведении нагрузки в движение мотором открыть клапаны сброса давления первичного движителя для перевода первичного движителя в режим холостого хода, обеспечивая возможность передачи мощности в нагрузку от мотора.

8. Система для управления снабжением потребителя энергией по п.4, в которой, по меньшей мере, одно устройство с дистанционно изменяемой скоростью вращения вала включено между силовой трансмиссией основного приводного вала, соединенной с одним или более основных компонентов, и устройством передачи энергии, причем устройство с дистанционно изменяемой скоростью вращения вала выполнено с возможности его управления при помощи компьютера.

9. Система для управления снабжением потребителя энергией по любому одному из пп.1-8, в которой приводимая в действие нагрузка представляет собой тепловой насос, обслуживающий все основные потребности домохозяйства пользователя в нагревании и охлаждении, причем тепловой насос выполнен с возможностью работы в обращенном режиме для альтернативного обеспечения нагревания и охлаждения и снабжен устройством сохранения тепловой энергии, обеспечивая возможность периодической работы нагрузки, при этом тепловой насос выполнен с возможностью управления его при помощи компьютера.

10. Система для управления снабжением потребителя энергией по п.9, в которой среда сохранения тепла представляет собой воду, используемую в домохозяйстве, и которая содержится в двух емкостях хранения, соединенных таким образом, чтобы поддерживать температурный градиент, при этом одна емкость поддерживается при высокой температуре, необходимой для использования в домохозяйстве, в другая емкость используется как емкость хранения со средней температурой для поглощения теплоты, генерируемой первичным движителем, а также выполняет роль источника тепла для извлечения тепловой энергии для направления ее в емкость хранения с более высокой температурой, при этом управление температурой соответствующих емкостей и управление работой теплового насоса выполняется при помощи компьютера.

11. Система для управления снабжением потребителя энергией по п.10, в которой эффективность системы дополнительно улучшают путем соединения выхода теплой воды из одной или нескольких солнечных панелей нагревания воды с емкостью хранения, имеющей среднюю температуру, при этом операции подсоединения, отсоединения и управления потоком выполняются компьютером.

12. Система для управления снабжением потребителя энергией по п.9, в которой нагрузка охлаждения в домохозяйстве существенно превышает требуемую нагрузку нагревания, например, в летний период или в случае наличия значительной нагрузки, относящейся к замораживанию, и среда сохранения тепла представляет собой воду, используемую в домохозяйстве, которая содержится в двух емкостях хранения, причем одна емкость поддерживается при высокой температуре, необходимой для непосредственного использования в домохозяйстве, а другая емкость используется как низкотемпературная емкость хранения, при этом высокотемпературная емкость хранения содержит теплообменники для поглощения теплоты, генерируемой первичным движителем, а теплота, необходимая для поддержания рассчитанного уровня температуры, подается посредством теплового насоса для передачи теплоты из низкотемпературной емкости хранения в высокотемпературную емкость хранения, при этом низкотемпературная емкость хранения также образует тепловой резервуар для теплового насоса при его работе в режиме холодильника, при этом потоки воды через солнечные панели и работа теплового насоса управляется компьютером.

13. Система для управления снабжением потребителя энергией по п.12, в которой обратимый тепловой насос имеет дополнительное переключающее устройство, обеспечивающее альтернативный контур охлаждения для обслуживания высокой нагрузки охлаждения.

14. Система для управления снабжением потребителя энергией по п.12 или 13, в которой эффективность системы дополнительно улучшают путем соединения выхода теплой воды из одной или нескольких солнечных панелей нагревания воды с емкостью хранения, имеющей высокую температуру, причем поток через солнечные панели используется только для подачи воды с высокой температурой, и путем соединения выхода холодной воды из солнечных панелей нагревания воды в ночное время с емкостью хранения, имеющей низкую температуру.

15. Система для управления снабжением потребителя энергией по любому одному из пп.1-8, в которой приводимая в действие нагрузка содержит, по меньшей мере, один насос или компрессор, используемый в случае, если жидкость, предназначенная для хранения, может храниться в промежуточном контейнере для использования конечным пользователем, и/или содержит несколько насосов или компрессоров, используемых для периодического подключения нагрузки к системе передачи мощности (возможная нагрузка); при этом компьютерное управление нагрузкой и генератором позволяет оптимизировать стоимость услуг при сохранении их качества, путем изменения объема промежуточного хранения в соответствии с прогнозируемой нагрузкой и ценой на энергию и путем выбора оптимального времени работы возможной нагрузки с мотором и/или первичным движителем, а также выбора оптимального времени работы генератора, и выборочной работы других нагрузок.