Гелиогеотермальный энергокомплекс Российский патент 2021 года по МПК F24T50/00 H02S10/30 F24D15/04 F24D17/02 

Область техники.

Изобретение относится к системам и установкам энергообеспечения, использующим возобновляемые и невозобновляемые источники энергии, к гелиотехнике и может быть использовано для электроснабжения и теплоснабжения различных объектов, потребителей.

Уровень техники.

Известна установка гелиогеотермального теплоснабжения (SU 1537978, А1, Бюл. №3, опубл. 23.01.1990 г.) [1], позволяющая повысить термический коэффициент полезного действия за счет более полного использования солнечной энергии, энергетическую эффективность работы теплового насоса. Установка содержит два контура - солнечного коллектора и геотермального теплообменника, основной и промежуточный баки-аккумуляторы, тепловой насос. При снижении солнечной радиации температура воды в промежуточном баке-аккумуляторе уменьшается до некоторого уровня, при котором включается в работу установки тепловой насос, но температура воды превышает температуру геотермального флюида (вода геотермального коллектора) в контуре геотермального теплообменника, в испаритель теплового насоса подается смесь воды геотермального коллектора и воды из бака-аккумулятора. В нагнетательную скважину контура геотермального теплообменника и в бак-аккумулятор после испарителя теплового насоса также возвращается смесь воды из геотермального коллектора и воды из бака-аккумулятора, что позволяет использовать тепловой потенциал теплоносителей при снижении их температуры. Установка может работать в режимах теплоснабжения - солнечного, теплонасосного и солнечно-теплонасосного.

К недостаткам установки гелиогеотермального теплоснабжения можно отнести расход электроэнергии на приводы насосов контуров солнечного коллектора и геотермального теплообменника, на электродвигатель теплового насоса, а также невозможность обеспечения данной установкой электроэнергией потребителей.

Известна система теплоснабжения и горячего водоснабжения на основе возобновляемых источников энергии (RU 2445554, С1, Бюл. №8, опубл. 20.03.2012 г.) [2], включающая скважину-теплообменник для отбора низкопотенциального тепла горных пород, тепловой насос, пиковый электродоводчик, контуры горячего водоснабжения и низкотемпературного напольного отопления, а также контур с солнечными коллекторами и баком-аккумулятором. Контур с солнечными коллекторами эксплуатируется круглогодично для обеспечения потребителя горячей водой, а блок низкотемпературного напольного отопления с тепловым насосом и скважиной-теплообменником глубиной 100 - 200 м включается в эксплуатацию только в отопительный (зимний) период. В летний период часть горячей воды из бака-аккумулятора направляется в скважину для полного восстановления температуры в горной породе вокруг скважины, остывшей в отопительный период.

Недостатками системы являются отсутствие источника электроэнергии и как следствие высокие эксплуатационные затраты на работу электродвигателей насосов, компрессора теплового насоса, в особенности нагревателя воды для горячего водоснабжения в периоды отсутствия солнечной радиации.

Известна полезная модель - мобильный автономный источник энергии (RU 122712, U1, Бюл. №34, опубл. 10.12.2012 г.) [3], предназначенный для полноценного энергоснабжения как жилых и производственных помещений, не имеющих центрального энергоснабжения. Полезная модель контейнер, в котором установлены основной блок электрических аккумуляторов, связанный с ветроэлектрической установкой, линиями передачи электрической энергии, насос, система электроснабжения потребителя, автоматическая система управления, связанная линиями передачи электрической энергией и линиями передачи сигнала с блоком электрических аккумуляторов автоматической системы управления, а также с основным блоком электрических аккумуляторов и датчиком регулирования мощности теплового электрического нагревателя, инверторы, регулирующая арматура, обратные клапаны, трубопроводы, ввод обратной воды, вывод подаваемой горячей воды, связанные с системой теплоснабжения потребителя, бак нагрева воды с встроенным в него тепловым электрическим нагревателем, солнечно-воспринимающую поверхность, размещенную на крыше контейнера, дизельную электрическую генераторную установку.

К недостаткам мобильного автономного источника энергии можно отнести использование для нагрева воды системы теплоснабжения в период неудовлетворительной активности солнечного излучения и потоков ветра дизельной электрической генераторной установки, а не источника возобновляемой энергии, что сказывается на росте эксплуатационных затрат.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ комбинированного использования альтернативных источников энергии для отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения помещений [4] (RU 2622779, С1, Бюл. №17, опубл. 20.06.2017 г. прототип), в котором электрическая энергия, вырабатываемая гибридным солнечным коллектором (включает в себя фотоэлектрические модули и солнечный коллектор), поступает в преобразователь электрической энергии и используется инверторным парокомпрессорным тепловым насосом для кондиционирования и отопления помещения, бивалентным водонагревателем для подогрева воды при недостаточной тепловой мощности гибридного теплового коллектора. Избыточная электрическая энергия накапливается в электрическом аккумуляторе и используется для «дежурного» освещения. В теплое время теплохладоноситель инверторного парокомпрессорного теплового насоса подается в помещение для кондиционирования воздуха и обратно на инверторный парокомпрессорный тепловой насос, откуда полученное тепло посредством теплосъемных труб инверторного парокомпрессорного теплового насоса закачивается в аккумулятор тепла, представляющий собой петротермальную скважину, в которой на глубине ниже слоя годовых колебаний температуры методом гидравлического разрыва пласта созданы трещины и в которой для создания аккумулятора тепла закачано вещество (мирабилит (глауберова соль) или парафин) с температурой фазового перехода 20 - 43°С. В холодное время инверторный парокомпрессорный тепловой насос посредством теплохладоносителя теплосъемных труб подает тепло из аккумулятора тепла в помещение для отопления. Тепло теплоносителя гибридного солнечного коллектора поступает в бивалентный водонагреватель для подогрева воды в системе горячего водоснабжения и в абсорбционный тепловой насос для выработки холода в системе кондиционирования воздуха в помещении, и после отдачи тепла теплоноситель из абсорбционного теплового насоса и бивалентного водонагревателя возвращается на нагрев в гибридный солнечный коллектор.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности обеспечения электроэнергией потребителей, циркуляционных насосов теплоносителя, отсутствие источников энергии, позволяющих обеспечивать электроэнергией потребителей, в отсутствие солнечной радиации, опасность загрязнения почв мирабилитом, парафином.

Раскрытие изобретения.

Задача изобретения - бесперебойное обеспечение потребителя электроэнергией, тепловой энергией, повышение эффективности комплексного освоения геотермальных и гелиотермальных ресурсов, энергосбережение, повышение эффективности производства энергии.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение бесперебойности работы, увеличение экономической эффективности гелиогеотермального энергокомплекса, при возможности производства электроэнергии, тепловой энергии для реализации потребителю.

Это достигается тем, что гелиогеотермальный энергокомплекс включает фотоэлектрические модули (солнечная электрическая станция) ФЭМ, подключенную в комплексе с дизель-генераторной установкой ДГУ и аккумуляторными батареями АКБ, теплового насоса ТН, солнечного вакуумного коллектора СВК. Питание нагрузки осуществляется от независимых источников электроснабжения - ФЭМ, АКБ и ДГУ, соединенных между собой блоком переключения (не показан), позволяющего производить автоматическое переключение между источниками питания нагрузки в условиях сниженной генерации электроэнергии фотоэлектрическими модулями, исчерпания накопленной электроэнергии аккумуляторных батарей или подключения ДГУ в условиях пикового потребления нагрузки. Электроэнергия, полученная от ФЭМ, ДГУ и АКБ, используется для работы ТН, насосов циркуляции теплоносителя ЦН, а также поступает потребителю. ТН осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе (например, озонобезопасный хладагенте R134a, температура кипения, t_кип =1 - 3°С), которое забирает низкопотенциальную тепловую энергию в испарителе теплового насоса ИСТН и направляет ее потребителю через конденсатор теплового насоса КДТН, при температуре конденсации t_к=50 - 60°С, температуре выходящей горячей воды - 45 - 55°С. ИСТН получает тепловую энергию через теплообменник, ТО от геотермального теплоносителя - воды, закачивающейся в нагнетательную петротермальную скважину с температурой 10 - 12°С и откачивающейся из добычной скважины с температурой 20 - 22°С. Через ТО циркулирует теплоноситель - вода с температурой на выходе 16 - 18°С и на входе 6 - 8°С, используемый для теплоснабжения ДГУ, передачи тепла ТН и СВК.

За отопительный период при постоянной циркуляции воды через нагнетательную и добычную скважины происходит постепенное охлаждение горной породы, однако в межотопительный период происходит восстановление температурного поля вокруг скважин, за счет притока тепла от пород вне зоны теплосъема. Использование ТО, как промежуточного теплообменника между петротермальными скважинами и ИСТН, обуславливается коррозией, отложением солей и т.д. на поверхности теплообменного аппарата и как следствие снижением передачи тепла, температуры воды направляемой потребителям для теплоснабжения. Использование ТО позволит обеспечить быструю его замену для чистки/ремонта без остановки работы энергокомплекса.

В сравнении с прототипом [4], где изобретение способно только обеспечивать теплоснабжение потребителя и вырабатывать электроэнергию для «дежурного» освещения, заявляемое изобретение имеет возможность бесперебойно производить как тепловую энергию для теплоснабжения, так и электроэнергию для реализации, что в целом повышает экономическую эффективность гелиогеотермального энергокомплекса. Также предусмотрена возможность обеспечивать теплоснаснабжение потребителя в случае поломки/неисправности ТН - напрямую от солнечного коллектора.

Описание чертежей.

На фиг. 1 представлена схема гелиогеотермального энергокомплекса.

Осуществление изобретения.

Изобретение содержит: фотоэлектрические модули (ФЭМ) - поз. 1 (см. фиг. 1), дизель-генераторную установку (ДГУ) - поз. 2, аккумуляторные батареи (АКБ) - поз. 3, тепловой насос (ТН) - поз. 4, солнечный вакуумный коллектор (СВК) - поз. 5, испаритель теплового насоса (ИСТН) - поз. 6, конденсатор теплового насоса (КДТН) - поз. 7, теплообменник (ТО) - поз. 8, циркуляционные насосы (ЦН) - поз. 9-13, потребитель - поз. 14 (см. фиг. 1).

Изобретение работает следующим образом.

Пример 1.

Вода с температурой 10°С подается ЦН 9 в нагнетательную петротермальную скважину, нагревшись от горных пород, всасывается ЦН 10 с температурой 20°С и нагнетается в ТО, где нагревает воду линии ТО - ИСТН от 6 - 7° до 16°С. Из ТО воду ЦН 11 подает в ИСТН с температурой кипения R134a t_кип=1°С и конденсации t_к=50°С. Из КДТН вода при температуре 45°С ЦН 12 направляется потребителю, а возвращается с температурой 30°С. В случае поломки/неисправности ТН насос ЦН 11 может подавать воду с температурой 16°С к ЦН 13 для нагрева воды в СВК до 45°С и направления ее потребителю и для теплоснабжения ДГУ. Коэффициент преобразования теплоты ТН равен 4,9. Электроэнергия, полученная от ФЭМ, ДГУ и АКБ, используется для работы ТН, насосов циркуляции теплоносителя ЦН, а также поступает потребителю.

Пример 2.

Полученная электроэнергия от ФЭМ, ДГУ и АКБ используется по примеру 1, но вода с температурой 12°С подается ЦН 9 в нагнетательную петротермальную скважину, нагревшись от горных пород, всасывается ЦН 10 с температурой 22°С и нагнетается в ТО, где нагревает воду линии ТО - ИСТН от 8° до 18°С. Из ТО воду ЦН 11 подает в ИСТН с температурой кипения R134a t_кип=3°С и конденсации t_к=60°С. Из КДТН вода при температуре 55°С ЦН 12 направляется потребителю, а возвращается с температурой 40°С. В случае поломки/неисправности ТН насос ЦН 11 может подавать воду с температурой 18°С к ЦН 13 для нагрева воды в СВК до 55°С и направления ее потребителю и для теплоснабжения ДГУ. Коэффициент преобразования теплоты ТН равен 3,775.

Пример 3.

Полученная электроэнергия от ФЭМ, ДГУ и АКБ используется по примеру 1 и 2, но вода с температурой 25°С подается ЦН 9 в нагнетательную петротермальную скважину, нагревшись от горных пород, всасывается ЦН 10 с температурой 35°С и нагнетается в ТО, где нагревает воду линии ТО - ИСТН от 20° до 30°С. Из ТО воду ЦН 11 подает в ИСТН с температурой кипения R134a t_кип = 15°С, конденсации t_к=78°С и температуре конца сжатия компрессором 88°С. Из КДТН вода при температуре 73 - 75°С ЦН 12 направляется потребителю, а возвращается с температурой 60°С. Однако температуры конденсации и конца сжатия превышают максимально допустимые рабочие температуры для работы компрессора ТН.

Пример 4.

Полученная электроэнергия от ФЭМ, ДГУ и АКБ используется по примеру 1 - 3, но вода с температурой 8°С подается ЦН 9 в нагнетательную петротермальную скважину, нагревшись от горных пород, всасывается ЦН 10 с температурой 17-18°С и нагнетается в ТО, где нагревает воду линии ТО - ИСТН от 4° до 14°С. Из ТО воду ЦН 11 подает в ИСТН с температурой кипения R134a t_кип = минус 1°С и конденсации t_к=45°С. Однако при данной температуре кипения возможно замерзание воды в испарителе ТН и его поломка.

Гелиогеотермальный энергокомплекс сможет бесперебойно обеспечивать потребителя тепловой и электрической энергией, снизить ее себестоимость, повысить эффективность производства энергии.

Изобретение может быть применено на стандартном оборудовании, при использовании существующих материалов и технических решений.

Изобретение относится к гелиотехнике, к системам и установкам энергообеспечения, использующим возобновляемые и невозобновляемые источники энергии, и может быть использовано для теплоснабжения и электроснабжения различных потребителей. Гелиогеотермальный энергокомплекс включает фотоэлектрические модули (солнечная электрическая станция) ФЭМ, подключенную в комплексе с дизель-генераторной установкой ДГУ и аккумуляторными батареями АКБ, теплового насоса ТН, солнечного вакуумного коллектора СВК. Питание нагрузки осуществляется от независимых источников электроснабжения – ФЭМ, АКБ и ДГУ, соединенных между собой блоком переключения, позволяющим производить автоматическое переключение между источниками питания. Электроэнергия, полученная от ФЭМ, ДГУ и АКБ, используется для работы ТН, ЦН, а также поступает потребителю. ТН осуществляет обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, которое забирает тепловую энергию в испарителе теплового насоса ИСТН и направляет ее потребителю через конденсатор теплового насоса КДТН, при температуре выходящей горячей воды – 45-55°С. ИСТН получает тепловую энергию через теплообменник ТО от геотермального теплоносителя – воды, закачивающейся в нагнетательную петротермальную скважину с температурой 10-12°С и откачивающейся из добычной скважины с температурой 20-22°С. Для теплоснабжения ДГУ, передачи тепла ТН и СВК через ТО циркулирует вода с температурой на выходе 16-18°С и на входе 6-8°С. Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение бесперебойности работы, увеличение экономической эффективности гелиогеотермального энергокомплекса, при возможности производства электроэнергии, тепловой энергии для реализации потребителю. 1 ил.

Гелиогеотермальный энергокомплекс, содержащий фотоэлектрические модули, солнечный вакуумный коллектор, аккумуляторные батареи, инверторный парокомпрессорный тепловой насос, отличающийся тем, что электрическая энергия, бесперебойно вырабатываемая от независимых источников электроснабжения – фотоэлектрических модулей, аккумуляторных батарей и дизель-генераторной установки, соединенных между собой блоком переключения, используется потребителями, циркуляционными насосами, обеспечивающими циркуляцию теплоносителя, как внутри энергокомплекса, так и для теплоснабжения потребителей водой при температуре 45-55°С, нагреваемой инверторным парокомпрессионным тепловым насосом и солнечным вакуумным коллектором, инверторным парокомпрессорным тепловым насосом при температурах кипения R134a от 1 до 3°С и конденсации от 50 до 60°С, забирающий тепловую энергию у геотермального теплоносителя – воды, закачивающейся в нагнетательную петротермальную скважину при температуре 10-12°С и откачивающейся из добычной скважины при температуре 20-22°С.