Способ накопления и генерации энергии и устройство для его реализации Российский патент 2022 года по МПК F02C6/16 F01K25/10 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к области накопления и хранения энергии, регулирования мощности крупных генерирующих станций (в том числе атомных), возобновляемой энергетики (накопление энергии ветрогенераторов и солнечных электростанций), сетевого регулирования мощности (в том числе суточного), а также к устройствам и способам выработки электроэнергии, в которых используется криогенная жидкость, такая как жидкий азот или жидкий воздух.

Из современного уровня техники известны следующие решения накопителей энергии, включая системы высокой эффективности.

Накопители с высокой эффективностью (около 90% или выше) могут быть обнаружены только среди гравитационных способов накопления энергии: гидроаккумулирующие электрические станции (ГАЭС) и твердотельные аккумулирующие электрические станции (ТАЭС). Однако применение ГАЭС и ТАЭС ограничено.

Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) является наиболее устоявшейся технологией накопления энергии. ГАЭС накапливает потенциальную гидравлическую энергию, перекачивая воду из нижнего резервуара в поднятый напорный резервуар (фаза зарядки), используя дешевое электричество в периоды низкого спроса. ГАЭС имеет высокую эффективность, относительно низкие эксплуатационные расходы. Потребность в двух больших резервуарах на разных уровнях ограничивает применение ГАЭС, особенно вблизи крупных городов, и, как правило, приводит к очень высоким капитальным затратам.

Из твердотельных накопителей энергии известна промышленная система накопления энергии RU 2699855 C1, включающая в себя по меньшей мере одну энергетическую ячейку. Энергетическая ячейка содержит множество грузов, каретку, тележку, канат и главный привод. Система выполнена с возможностью вертикального перемещения грузов и закрепления грузов в энергетической ячейке либо в верхнем положении, либо в нижнем положении. Система заряжается при перемещении по крайней мере одного груза из множества грузов из нижнего положения в верхнее положение. Система разряжается при перемещении по крайней мере одного груза из множества грузов из верхнего положения в нижнее положение. Известная система накопления энергии относится к группе гравитационных накопителей. Эффективность этой группы методов одна из самых высоких среди прочих методов, но ей также присущи недостатки гравитационных способов накопления энергии: громоздкость и низкая плотность запасаемой энергии (Втч/кг). Время разрядки таких систем при высоте десятки метров – минуты, поэтому их масштабное и экономически рентабельное внедрение маловероятно и требует отдельной проработки. Гравитационный накопитель (RU 2699855 C1) вызывает сомнения в пригодности для большой энергетики.

Системное решение проблемы накопления энергии в РФ отсутствует на сегодняшний день, как со стороны генерации и сети, так и со стороны потребителя. Регулирование мощности в периоды «провала» энергопотребления и пиковые часы затруднительно для паровых ТЭС и АЭС по ряду причин. В ближайшие 5-10 лет ожидаемый ввод в эксплуатацию больших непостоянных генерирующих мощностей от возобновляемых источников энергии усугубит неравномерность сети. Это приведёт к вынужденному снижению коэффициента использования установленной мощности (КИУМ), связанному с отключением возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в момент избыточной генерации там, где объём генерируемой ими мощности значительный для сети (более 20%).

Электрораспределительные сети, в том числе автономных энергосистем, зачастую поддерживаются парком дизель-генераторов и газовых турбин открытого цикла, которые обеспечивают электроэнергию в периоды повышенного спроса и чрезвычайные ситуации, такие как неожиданный отказ электростанции. Такие генерирующие активы сжигают ископаемое топливо с низкой эффективностью и могут стать значительным источником загрязнения атмосферы.

Также среди других способов накопления энергии можно упомянуть: водородные накопители энергии, накопление энергии на сжатом воздухе и криогенные накопители энергии.

Водородные накопители энергии имеют большую плотность энергии (800-10000 Втч/кг), но для них неизбежны большие потери в процессе производства водорода и при его транспортировке. Эффективность водородных систем накопления энергии достигает обычно не более 20-35% при больших капитальных затратах, что отрицательно сказывается на периоде окупаемости. Следовательно, водородный накопитель не может рассматриваться, как система накопления энергии высокой эффективности.

Системы накопления сжатого воздуха (CAES) используют потенциальную энергию сжатого воздуха для хранения электричества. Воздух сжимается, затем хранится в большом резервуаре (обычно в специальной подземной пещере). Во время фазы разряда воздух выпускается из резервуара, нагревается и затем расширяется через турбину, которая приводит в действие генератор для выработки электроэнергии. Эффективность CAES в части генерации не превысит эффективности газотурбинных установок, так как на стадии генерации используются похожие циклы. Также применение CAES ограничено требованиями сооружения больших резервуаров для хранения сжатого воздуха.

Ключевой недостаток известных и широко распространённых аккумуляторных Li-Ion батарей, накапливающих электроэнергию, как потенциальную химическую энергию, способных быстро реагировать на изменения нагрузки, повышая стабильность системы – снижение эффективности с течением времени, что ограничивает срок их полезного использования (коэффициент деградации составляет около 6,9% на 1000 циклов).

В WO2007-096656A1 раскрыта криогенная система накопления энергии, которая использует разность температур и фаз между низкотемпературным жидким воздухом, жидким азотом или криогенным газом и окружающим воздухом или отработанным теплом для хранения энергии в периоды низкой потребности и/или избыточного производства, высвобождая накопленную энергию позже для выработки электроэнергии в периоды высокого спроса и/или ограниченной выработки. Система содержит средство для ожижения воздуха в периоды низкой потребности в электричестве, средство для хранения полученного жидкого воздуха и турбодетандер для расширения жидкого воздуха. Расширительная турбина соединена с генератором для выработки электроэнергии, когда это необходимо для сглаживания дефицита между спросом и предложением. Эффективность циклов, предложенных в известном изобретении, не превышает 50-70%, этого может быть недостаточно для быстрой окупаемости проекта. Для работы в режиме генерации стадия ожижения может быть избыточна, так как для резервного энергоснабжения рациональнее хранить жидкий воздух в танкерах с вакуумной теплоизоляцией.

Известна система аккумулирования энергии, позволяющая повысить экономичность путем уменьшения потерь энергии при сжатии и сжижении газа (Патент SU 1578369 A1). Существенный недостаток известного способа состоит в том, что холод криогенной жидкости не запасается и не используется повторно в цикле ожижения, фактически выбрасывается в атмосферу, что приводит к ухудшению удельных показателей цикла ожижения и общей эффективности системы в целом.

Известна криогенная аккумулирующая система (Патент RU 92093 U1) состоящая из последовательно соединенных источника энергии, криогенной холодильной машины с устройствами очистки и обезвоживания воздуха, разделителем газов и теплообменником системы охлаждения холодильной машины, теплоизолированного резервуара для хранения криогенной жидкости. В качестве накапливаемой криогенной жидкости используют сжиженный атмосферный азот. В известной системе не используется внешняя теплота на стадии генерации для подогрева азота перед расширением (в данном случае – криогенным двигателем), что значительно сокращает количество вырабатываемой электрической энергии, и, как следствие, снижает общую эффективность.

PCT/BR2006/000177 раскрывает устройство для выработки энергии из жидкого воздуха, которое использует окружающее тепло атмосферного воздуха для обеспечения тепловой энергии для процесса испарения. Это решение нецелесообразно, поскольку требуется очень большая площадь поверхности теплопередачи для предотвращения образования ледяной «шубы» на испарителе во время испарения и нагревания холодной криогенной жидкости. В известной системе не используется внешняя теплота на стадии генерации для подогрева азота перед расширением (в данном случае – криогенным двигателем), что значительно сокращает количество вырабатываемой электрической энергии, и, как следствие, снижает общую эффективность.

Известна система рециркуляции теплоты компрессоров WO 2019/158921. В известном изобретении предлагается рекуперировать теплоту со стадии сжатия в цикле ожижения воздуха, накапливать её и хранить, затем в нужный момент затратить накопленную теплоту на подогрев воздуха, направляемого на расширение, т.е. генерацию. Известная система представляет интерес, так как фактически не использует внешнее топливо, является автономной, относится к возобновляемым источникам энергии. Однако эффективность системы из-за сложного многостадийного процесса преобразования энергии (трансформация электрической энергии сначала в теплоту процесса сжатия, хранение теплоты сжатия, затем передача тепловой энергии сжатия через промежуточный контур теплоносителя (или несколько контуров) рабочему телу перед расширением на стадии генерации), в котором неизбежны потери на каждой из стадий, ограничена, в оптимистичном сценарии теоретически не превышает 70-80%, в реальных условиях скорее всего не превысит 60%. Окупаемость таких систем может потребовать государственного субсидирования, что вероятно будет препятствовать их повсеместному использованию.

Известны способ и устройство (US 9705382 B2), являющиеся ближайшим аналогом заявленного изобретения, для регулирования мощности сети и резервного электроснабжения важных объектов, таких как дата-центры или больницы. Известное устройство носит название «криогенератора». Указанные способ и устройство предназначены для работы с низкопотенциальным сторонним источником теплоты (до 150 ^оС и выше), причем передача теплоты происходит между перегревателем и источником теплоты через промежуточный контур с циркулирующим теплоносителем. Ещё одна отличительная особенность схемы, предложенной в известном изобретении: первичное испарение жидкого криогена (воздуха, азота или др.) осуществляется возвратом потока, выходящего из последней ступени турбины, в испаритель. Недостатки такой схемы:

- наличие промежуточного контура между источником теплоты и нагревателем,

- завышенные требования к теплоносителю, так как, в виду отсутствия атмосферного испарителя, в нагреватель поступает сжатый криоген после испарителя с отрицательной температурой -170..-150^оС, при этом максимум температуры на выходе может достигать +150^оС и выше в зависимости от используемого источника теплоты,

- ограничение спектра используемых теплоносителей из-за наличия промежуточного контура и широкого диапазона рабочих температур (от -170..-150^оС до +150^оС и выше).

Как мера для предотвращения замерзания и решения проблемы выбора теплоносителя авторами указанного изобретения предложено добавление в схему, так называемого, основного нагревателя (между испарителем и перегревателем) с теплоносителем, отличающимся от используемого в перегревателе, оба при этом отбирают теплоту от стороннего источника тепловой энергии с низким потенциалом и передают в цикл криогенератора, или, как вариант, первый теплоноситель может нагреваться от контура второго теплоносителя. Но такая схема приводит к потере холода с потенциалом -90^оС и выше, с которым рабочее тело поступает в основной нагреватель, как заявлено в изобретении. Холод с температурой -90^оС и выше (до 0^оС) может использоваться на стадии ожижения или во вспомогательных процессах. Его фактическая потеря, путём нагревания низкопотенциальным теплом, отрицательно сказывается на эффективности системы.

Техническая задача заявленного изобретения состоит в разработке способа и устройства для накопления и генерации энергии (стадии разрядки), применимых в криогенных системах накопления энергии для достижения высокой эффективности (более 90%), работающих, как в режиме накопителей энергии, так и в режиме криогенераторов, используемых для резервного энергоснабжения или пиковой генерации, применение которых может быть экономически целесообразно для сетей, генерирующих предприятий (в том числе АЭС и ветроэлектростанций) и потребителей.

Технический результат заключается в повышении общей эффективности криогенных систем накопления энергии (более 90%), снижении выбросов дымовых газов в атмосферу при использовании традиционных видов топлива.

Под общей эффективностью (в некоторой научной литературе встречаются также названия эффективность цикла зарядки/разрядки, эффективность полного цикла) систем накопления энергии понимается отношение электрической энергии, полученной на стадии генерации (разрядки) за период разрядки, к электрической энергии, затраченной на стадии ожижения (зарядки) за период зарядки. Причем следует учитывать, что длительность периодов зарядки и разрядки может отличаться. Зарядка системы обычно осуществляется в ночное время и длится около 8-12 часов, разрядка системы происходит в пиковые часы энергопотребления системы и составляет в среднем около 4 ч.

Эффективность заявленных способа и устройства повышается, а количество выбросов в атмосферу при получении 1 кВт электрической энергии уменьшается за счет рекуперации остаточной (после косвенного подогрева воздуха перед расширением в ступени турбодетандера) тепловой энергии дымовых газов горения топлива на подогрев атмосферного воздуха перед горелочным устройством, подаваемого на горение топлива. Такой подход позволяет максимально снизить потери тепловой энергии. Подобный процесс не реализуем, например, в традиционных газотурбинных установках, в которых (без комбинированного цикла) присутствуют значительные потери теплоты с отходящим газом, которую нельзя рекуперировать на подогрев воздуха перед компрессором из-за технических ограничений оборудования. Заявленные способ и устройство позволяют рекуперацией теплоты дымовых газов на подогрев воздуха, подаваемого на горение топлива, минимизировать потери теплоты с дымовыми газами. Технических ограничений по подаче нагретого воздуха в горелочное устройство практически нет, так как нагрев воздуха происходит после дутьевого вентилятора, перед горелочным устройством. Благодаря использованию криогенной системы накопления энергии, сжатие и ожижение газообразного воздуха происходит в ночное время (в провал энергопотребления), а генерация в пиковые часы, в которые воздух, подаваемый на турбодетандер, может быть косвенно подогрет вспомогательным циклом, предлагаемым в заявленных способе и устройстве. В этом заключается преимущество заявленного изобретения в сравнении с классическими пиковыми газотурбинными и дизельными установками: более низкий удельный выброс на получение 1 кВт электрической энергии и более высокая эффективность использования топлива. Сокращение расхода топлива на получение 1 кВт электрической энергии особенно актуально для изолированных энергосистем, где используется дорогое жидкое топливо со сложной инфраструктурой доставки.

Заявленное изобретение позволяет повысить эффективность криогенных систем накопления энергии за счет использования природного газа (или другого углеводородного топлива) для косвенного подогрева воздуха перед ступенями турбодетандера (турбины). Описанный подход является альтернативой использованию на стадии генерации в криогенных системах накопления электрической энергии таких источников теплоты, как бросовой теплоты, теплоты отходящих газов технологических процессов, пиковых газотурбинных установок (ГТУ), что не позволяет получить эффективность КСНЭ более 90% (без учета мощности ГТУ). Также, в отличие от ГТУ или дизельных электростанций, заявленные устройство и способ позволяют не только генерировать электрическую мощность в пиковые часы, но и потреблять её в часы провала энергопотребления. Поэтому заявленное изобретение может также рассматриваться, как гибридная электростанция.

Технический результат достигается тем, что способ накопления и генерации энергии включает

получение жидкого атмосферного воздуха,

подачу жидкого воздуха в криогенный танк,

хранение жидкого воздуха в криогенном танке,

генерацию энергии (разрядки), при этом

стадия генерации включает

нагрев жидкого воздуха с отбором холода в систему накопления холода,

косвенный подогрев воздуха в рекуператоре обратным потоком расширенного воздуха из последней ступени турбодетандера,

расширение в несколько ступеней турбодетандера с косвенным подогревом между ступенями с использованием для каждой из ступеней цикла, содержащего подачу дутьевого воздуха из атмосферы на горение, его подогрев теплотой отходящего дымового газа горения, подачу подогретого воздуха с топливом (природного газа или другого углеводородного топлива) на горелочное устройство, сжигание топлива в подогретом воздухе с выделением энергии,

косвенный нагрев воздуха перед расширением продуктами сгорания топлива,

косвенную передачу остаточной тепловой энергии отходящего дымового газа горения атмосферному воздуху, подаваемому на горение, перед выбросом в атмосферу,

направление выхлопа из последней ступени расширения (для выравнивания температур и количества теплоты между ступенями) в рекуператор между последним теплообменником, связанным с системой накопления холода, и перед первым основным подводом теплоты перед расширением, где он отдаёт остаточную теплоту поступающему после испарения на стадию генерации потоку воздуха,

выброс выхлопа в атмосферу после передачи теплоты входному потоку воздуха.

Технический результат также достигается тем, что устройство накопления и генерации энергии содержит блок получения жидкого атмосферного воздуха, блок накопления холода, криогенный танк, криогенный насос, рекуператор, по крайней мере, одну пару последовательно соединенных нагревателя с нагревательным контуром, и турбодетандера, при этом выход криогенного танка через криогенный насос соединен с блоком накопления холода, выход блока накопления холода соединен с первым входом рекуператора, второй вход которого соединен с выходом последнего турбодетандера, первый выход рекуператора соединен с входом нагревателя, выход которого соединен с турбодетандером, при этом к нагревателю параллельно подключен нагревательный контур.

Нагревательный контур включает дутьевой вентилятор, предназначенный для подачи воздуха на горение, горелочное устройство, дымосос, при этом первый выход утилизатора теплоты дымовых газов горения соединен с горелочным устройством, второй выход соединен с дымососом.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.

На Фиг. 1. представлена схема заявленного устройства, на фиг. 2 показана схема, раскрывающая один из вариантов реализации цикла ожижения для заявленного устройства, на фиг. 3 показана схема, раскрывающая возможный вариант реализации системы накопления холода для заявленного устройства.

Заявленный способ может быть реализован с использованием заявленного устройства следующим образом (Фиг. 1).

Атмосферный воздух проходит стадию ожижения (зарядки системы) в блоке получения жидкого атмосферного воздуха 1 с подводом холода, запасённого на стадии генерации в блоке накопления холода 2, затем поступает в виде жидкости в криогенный танк 3 на стадию хранения (предпочтительно с вакуумной теплоизоляцией), затем в нужный момент (в момент пикового спроса или в случае необходимости) жидкий воздух поступает на стадию генерации, где сжимается криогенным насосом (КН) 4 до давления более 35 атм (предпочтительно 70-250 атм), испаряется и нагревается с передачей холода в блоке передачи холода 5, затем подогревается косвенно в рекуператоре (РП) 6 (предпочтительно кожухотрубном или «труба в трубе») отработанным воздухом, выходящим из последней ступени расширения турбодетандера (ТД) 7, затем проходит через M расположенных последовательно пар нагревателей ТО_Г1… ТО_ГМ 8 и ступеней расширения ТД_M 7 (предпочтительно M=2..4, степень расширения определяется, как начальное давление расширения в степени (1/M)), нагрев воздуха генерации осуществляется косвенно в нагревателях ТО_Г1… ТО_ГМ 8 с использованием M нагревательных контуров, каждый нагревательный контур включает дутьевой вентилятор (ВД) 9 ВД₁…ВД_M, подающий воздух на горение через утилизатор теплоты (УТ) 10 дымовых газов горения УТ₁…УТ_М (пластинчатого или кожухотрубного типа) в горелочное устройство (ГУ) 11 ГУ₁…ГУ_М, где подогретый воздух смешивается с топливом (природным газом или другим углеводородным топливом), энергия сгорания топлива косвенно передаётся в нагревателе ТО_Г1… ТО_ГМ 8 воздуху, поступающему на генерацию, а дымовой газ горения после передачи теплоты воздуху генерации, направляется обратно в утилизатор теплоты 10 УТ₁…УТ_M, где косвенно передаёт остаточную теплоту воздуху, подаваемому на горение, разрежение во вспомогательном нагревательном контуре поддерживается дымососом 12 Д₁…Д_M, выбрасывающим дымовой газ горелок через трубу 13 в атмосферу, выхлоп воздуха из последней ступени турбодетандера 7 направляется через рекуператор 6 в атмосферу, температура нагрева воздуха перед ступенью турбодетандера 7 нагревательным контуром в нагревателе 8 составляет от 800 до 1600 К (предпочтительная 1000-1400 К).

Жидкий воздух может подаваться в блок получения жидкого атмосферного воздуха 1, например, по трубопроводу, либо он может быть получен в результате ожижения с использованием необходимого оборудования непосредственно для целей его применения в заявленном способе и устройстве. Например, жидкий атмосферный воздух может быть получен методом ожижения по циклу Клода или по циклу Линде или по циклу Капицы или каскадному или смесевому иди другому известному циклу ожижения с подводом накопленного холода.

Цикл ожижения воздуха для заявленного устройства может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на фиг. 2, следующим образом.

Воздух из атмосферы проходит блок очистки от механических примесей и удаления влаги 14, затем блок удаления CO₂ 15, затем поступает на сжатие через компрессоры 16 К₁…К_N до давления оптимального для выбранного цикла ожижения (предпочтительно до 150 атм), где охлаждается после каждой ступени в теплообменниках 17 ТО₁…ТО_N в атмосферных охладителях (или с использованием принудительной подачи теплоносителя), затем сжатый воздух поступает в трехходовой теплообменник 18, где охлаждается до приблизительно 100 К обратным потоком газовой фазы из фазового сепаратора 20 и холодом, накопленным на стадии генерации в блоке накопления холода 2, затем охлаждённый сжатый воздух расширяется в дроссельном клапане 19 и поступает в фазовый сепаратор 20, откуда газовая фаза направляется в трехходовой теплообменник 18, а жидкая фаза направляется на стадию хранения жидкого воздуха (запасённой энергии) в криотанк 3. В нужный момент времени (например, в пиковый период энергопотребления) жидкий воздух сжимается криогенным насосом КН 4 (до давления 70-250 атм) и подаётся в блок передачи холода 5 (представляющий собой теплообменник или группу последовательных теплообменников) для испарения воздуха и его нагрева, а также отбора холода системой накопления холода 2, затем воздух проходит рекуператор РП 6 для отбора теплоты выхлопа последней ступени, затем работает цикл генерации со вспомогательным циклом нагрева с использованием природного газа, работа и состав которого описаны выше применительно к Фиг. 1.

Накопление холода в заявленных способе и устройстве может быть реализовано с использованием блока накопления холода (Фиг. 3), в котором накопление холода осуществляется в момент генерации путём его косвенного отбора через теплообменники 21 и 22 с использованием контуров пропана и метанола, соответственно, с помощью перекачки пропана из теплой ёмкости ТТП 23 в холодную ХТП 24 насосом НП2 25, перекачки метанола из тёплой ёмкости ТТМ 26 в холодную ХТМ 27 насосом НМ2 28. В момент зарядки (ожижения) холод возвращается в цикл ожижения с использованием теплообменников 29 и 30 для контуров метанола и пропана, соответственно, с помощью перекачки метанола из ХТМ 27 насосом НМ1 31, установленным после теплообменника 29, перекачки пропана из ХТП 24 в ТТП 23 насосом НП1 32, установленным после теплообменника 30, а также дополнительное охлаждение пропана перед возвратом холода в цикл ожижения может осуществляться через теплообменник 33 газообразным потоком из фазового сепаратора, устанавливаемого во всех циклах ожижения.

Подтверждением возможности реализации предложенного способа и устройства, а также достижения технического результата являются следующие примеры.

Пример 1. Криогенная система накопления энергии, реализованная в соответствии со схемой на Фиг. 2. КПД насосов и турбодетандеров, компрессоров 0,8. Расход жидкой фазы на генерацию 5,19 кг/с. Сжатие криогенным насосом на стадии генерации до 125 атм, расширение в 4 ступени (125-37,38-11,18-3,34 атм), подогрев в основных теплообменниках ТО_Г1… ТО_Г4 8 осуществляется до температуры 1400 К перед каждой ступенью с использованием вспомогательного энергоэффективного цикла, также показанного на Фиг. 2, с применением природного газа, расход которого составляет около 226 м³/ч перед первой ступенью, и около 198 м³/ч перед каждой другой ступенью. Генерируемая мощность для 5,19 кг/с рабочего тела (жидкого воздуха) составляет около 7 МВт за вычетом работы насоса жидкого воздуха. Суммарно сгенерировано 55,74 МВтч, суммарно затрачено на ожижение 34,54 МВтч (удельные затраты на ожижение 831,85 кВт/(кг/с жидкой фазы)). Общая эффективность системы, выполненной в соответствии с заявленным способом и требованиями к устройству для его реализации составляет 161,4%. Удельная выработка электрической энергии к расходу топлива: 8,49 кВт/1 м³/ч газа.

Пример 2. Заявленное устройство по схеме, приведённой на Фиг. 2, позволяет получить криогенную систему накопления энергии с общей эффективностью от 95 до 150% и выше, зависящей от числа ступеней генерации и температуры нагрева между ступенями. Причем генерируемая мощность к расходу природного газа составляет не менее 8,3-8,5 кВт/(1 м³/ч газа), что существенно выше таких известных газотурбинных установок открытого цикла, как SGT-800 (около 3,57 кВт/1 м³/ч газа) или FT8^®Mobilepac^® (около 2,84 кВт/1 м³/ч газа). Энергоэффективная генерация позволяет повысить общую эффективность криогенной системы накопления энергии, снизить выбросы продуктов горения в атмосферу на получение 1 кВт электрической энергии, а также получить устройство, во-первых, с меньшим удельным расходом топлива на получение 1 кВт электрической энергии чем известные ГТУ, во-вторых, накапливать энергию в провал потребления, сглаживая суточный график энергопотребления, что положительно сказывается на парке генерирующего оборудования энергосистемы и позволяет относить предлагаемую систему накопления и генерации к гибридным электростанциям.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к области накопления и хранения энергии. Способ накопления и генерации энергии включает зарядку системы, состоящую в получении жидкого атмосферного воздуха, хранение жидкого воздуха в криогенном танке и генерацию энергии. Генерация энергии включает нагрев жидкого воздуха с отбором холода в систему накопления холода, подогрев воздуха в рекуператоре обратным потоком расширенного воздуха из последней ступени турбодетандера, расширение воздуха в нескольких ступенях турбодетандера с подогревом между ступенями с использованием нагревательного контура, в котором подают дутьевой воздух из атмосферы на горение, подогревают его теплотой отходящего дымового газа горения, подают подогретый дутьевой воздух с топливом на горелочное устройство для сжигания с выделением энергии цикла, нагревают воздух перед расширением продуктами сгорания топлива. Выхлоп воздуха из последней ступени расширения направляют в рекуператор, расположенный между теплообменником, связанным с системой накопления холода, и первым нагревателем, и затем выбрасывают в атмосферу. Технический результат заключается в повышении общей эффективности криогенных систем накопления энергии, снижении выбросов дымовых газов в атмосферу при использовании традиционных видов топлива. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ накопления и генерации энергии, включающий зарядку системы, состоящую в получении жидкого атмосферного воздуха, хранение жидкого воздуха в криогенном танке и генерацию энергии, отличающийся тем, что генерация энергии включает нагрев жидкого воздуха с отбором холода в систему накопления холода, косвенный подогрев воздуха в рекуператоре обратным потоком расширенного воздуха из последней ступени турбодетандера, расширение воздуха в нескольких ступенях турбодетандера с косвенным подогревом между ступенями с использованием нагревательного контура, обеспечивающего подачу дутьевого воздуха из атмосферы на горение, его подогрев теплотой отходящего дымового газа горения, подачу подогретого дутьевого воздуха с топливом на горелочное устройство, сжигание топлива в подогретом воздухе с выделением энергии цикла, косвенный нагрев воздуха перед расширением продуктами сгорания топлива и косвенную передачу остаточной тепловой энергии отходящего дымового газа горения дутьевому воздуху из атмосферы, подаваемому на горение, перед выбросом в атмосферу, а также направление выхлопа воздуха из последней ступени расширения в рекуператор, расположенный между теплообменником, связанным с системой накопления холода, и первым нагревателем, где он отдаёт остаточную теплоту поступающему после испарения на стадию генерации потоку воздуха, после передачи теплоты входному потоку воздуха выхлоп в виде газообразного воздуха выбрасывают в атмосферу.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что накопление холода осуществляют с использованием перекачки жидких теплоносителей через теплообменник косвенной передачи теплоты из теплой ёмкости в холодную в момент разрядки устройства, и из холодной емкости в теплую в момент его зарядки.

3. Устройство накопления и генерации энергии, содержащее блок получения жидкого атмосферного воздуха, блок накопления холода, криогенный танк, криогенный насос, блок передачи холода, рекуператор, по крайней мере, две пары последовательно соединенных нагревателя с нагревательным контуром и ступени турбодетандера, при этом выход криогенного танка через криогенный насос соединен с блоком передачи холода, выход блока передачи холода соединен с первым входом рекуператора, второй вход которого соединен с выходом последней ступени турбодетандера, первый выход рекуператора соединен с входом нагревателя, выход которого соединен с первой ступенью турбодетандера.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что нагревательный контур включает дутьевой вентилятор, предназначенный для подачи воздуха на горение, горелочное устройство, дымосос, при этом первый выход утилизатора теплоты дымовых газов горения соединен с горелочным устройством, второй выход соединен с дымососом.