Устройство для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии Российский патент 2023 года по МПК F01K25/10 F25J1/00 

Изобретение относится к способам и устройствам для сжижения газов, а также к системам аккумулирования энергии.

Известна криогенная система накопления энергии, содержащая: устройство для сжижения газа с образованием криогена, которое управляемо для получения энергии от внешнего источника энергии сжижения газа; резервуар для хранения криогенных веществ, сообщающийся с устройством сжижения; устройство рекуперации энергии, сообщающееся с криогенным резервуаром хранения энергии, используемое для получения энергии из криогенного резервуара, нагрева и хранения криогена с расширением его; горячий тепловой аккумулятор для хранения тепловой энергии, в котором он и устройство рекуперации энергии связаны с возможностью передачи тепловой энергии от горячего теплового аккумулятора к газу высокого давления, как до так и во время расширения; восстановительный аппарат, устройство зарядки управляемое для получения энергии от устройства восстановления энергии, в случае когда устройство восстановления мощности используется для восстановления мощности, превышающей пороговое значение, и обеспечивает снабжение криогенной системы накопления энергии тепловой энергией (Патент WO 2016/189335 А1, опубл. 01.12.2016). Недостатком известной криогенной системы накопления энергии является применение в ней внешнего источника энергии для сжижения газа.

Известна автономные солнечная фотоэлектрическая установка, содержащая солнечные фотоэлектрические генераторы, системы аккумулирования энергии с контролером заряда, после которых полученная электроэнергия может быть подана напрямую или же преобразована в переменный ток с помощью инвертора, в зависимости от типа нагрузки (Елистратов В.В. Возобновляемая энергетика / В.В. Елистратов. - 3-е изд., доп.- СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2016. - с. 176-177). Данная автономные солнечная фотоэлектрическая установка принята в качестве прототипа предполагаемого изобретения.

Недостатками прототипа является применение в нем свинцово-кислотных или литий-ионных аккумуляторов с их сложной утилизацией после выработки ресурса и отрицательным влиянием на окружающую среду, а также переменный уровень выработки электрической энергии в фотоэлектрической установке в течение суток, зависящий от стохастического характера солнечного излучения.

Задачей предполагаемого изобретения является создание автономного устройства для получения, хранения и распределения низкопотенциальной тепловой энергии, которое повышает стабильность выработки энергии при использовании альтернативных и возобновляемых источников энергии и имеет повышенную экологичность. С этой целью предлагается использовать систему сжижения воздуха, работа которой производится по усовершенствованному циклу Линде с циркуляцией газа под давлением. Кроме того, для повышения эффективности выработки электрической энергии в предполагаемом изобретении используется система регазификации и выработки электроэнергии с дополнительным контуром, который может работать по циклам Ренкина или Брайтона. Поставленная задача достигается за счет того, что устройство для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии, содержащее солнечные фотоэлектрический генератор, инвертор, согласно изобретению устройство для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии дополнительно снабжено системой сжижения воздуха, состоящей из компрессора низкого давления, компрессора высокого давления, теплообменника-холодильника системы сжижения воздуха, первого дроссельного вентиля, первого промежуточного резервуара, второго дроссельного вентиля, второго промежуточного резервуара; системой хранения сжиженного воздуха, состоящей из насоса системы хранения и резервуара для хранения сжиженного воздуха; системой регазификации и выработки электроэнергии, состоящей из насоса системы регазификации и выработки электроэнергии, теплообменника-испарителя сжиженного воздуха, турбины системы регазификации и выработки электроэнергии, электрогенератора системы регазификации и выработки электроэнергии, насос хладагента, теплообменник-испаритель хладагента, турбину дополнительного контура, электрогенератор дополнительного контура; в корпусе теплообменника-холодильника системы сжижения воздуха размещены три теплообменные поверхности, вход его первой теплообменной поверхности связан с первым промежуточным резервуаром, а ее выход связан с входом компрессора высокого давления, вход его второй теплообменной поверхности связан с выходом компрессора высокого давления, а ее выход с первым дроссельным вентилем, вход его третьей теплообменной поверхности связан с вторым промежуточным резервуаром, а ее выход связан с входом компрессора низкого давления; в корпусе теплообменника-испарителя сжиженного воздуха размещены две теплообменные поверхности, вход его первой теплообменной поверхности связан с насосом высокого давления, а ее выход связан с турбиной системы регазификации и выработки электроэнергии, вход второй теплообменной поверхности теплообменника-испарителя сжиженного воздуха связан с выходом турбины дополнительного контура, а ее выход связан с насосом хладагента, теплообменник-испаритель хладагента имеет одну теплообменную поверхность, вход этой поверхности связан по хладагенту с насосом хладагента, а ее выход связан с входом турбины дополнительного контура.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1. изображена схема устройства для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии с основными структурными элементами. На Фиг. 2 представлена T-S диаграмма процессов сжижения воздуха в системе сжижения воздуха предлагаемого устройства.

Устройство для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии включает в себя:

1 - фотоэлектрический генератор, 2 - инвертор, 3 - компрессор низкого давления, 4 - компрессор высокого давления, 5 - теплообменник-холодильник системы сжижения воздуха, 6 - первый дроссельный вентиль, 7 - первый промежуточный резервуар, 8 - второй дроссельный вентиль, 9 - второй промежуточный резервуар; 10 - насос системы хранения, 11 - резервуар для хранения сжиженного воздуха, 12 - насос системы регазификации и выработки электроэнергии, 13 - теплообменник-испаритель сжиженного воздуха, 14 - турбина системы регазификации и выработки электроэнергии, 15 -электрогенератор системы регазификации и выработки электроэнергии, 16 - насос хладагента, 17 - теплообменник-испаритель хладагента, 18 - турбина дополнительного контура, 19 - электрогенератор дополнительного контура.

Фотоэлектрический генератор 1 связаны через инвертор 2 с компрессором низкого давления 3 и компрессором высокого давления 4. Компрессор низкого давления 3 связан с компрессором высокого давления 4, который связан с входом второй теплообменной поверхности теплообменника-холодильника системы сжижения воздуха 5, а ее выход связан с первым дроссельным вентилем 6 и первым промежуточным резервуаром 7, который связан с вторым дроссельным вентилем 8 и с вторым промежуточным резервуаром 9.

Первый промежуточный резервуар 7 также связан с входом первой теплообменной поверхности теплообменника-холодильника системы сжижения воздуха 5, а ее выход связан со входом компрессора высокого давления 4.

Второй промежуточный резервуар 9 связан с входом третьей теплообменной поверхности теплообменника-холодильника системы сжижения воздуха 5, а ее выход связан с входом компрессора низкого давления 3. Второй промежуточный резервуар 9 также связан последовательно с насосом системы хранения 10, резервуаром для хранения сжиженного воздуха 11, насосом системы регазификации и выработки электроэнергии 12, который связан с входом первой теплообменной поверхности теплообменника-испарителя сжиженного воздуха 13, а ее выход связан с турбиной системы регазификации и выработки электроэнергии 14, которая связана общим валом с электрогенератором системы регазификации и выработки электроэнергии 15.

Насос хладагента 16 связан с выходом теплообменной поверхности с теплообменником-испарителем хладагента 17, а ее выход связан с турбиной дополнительного контура 18, которая связан общим валом с электрогенератором дополнительного контура 19. Турбина дополнительного контура 18 также связана с входом теплообменной поверхности теплообменника-испарителя хладагента 13.

Работа устройства для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии осуществляется следующим образом.

Первоначально солнечная энергия падает на фотоэлектрический генератор 1, где происходит процесс преобразования энергии солнечного света в электрическую. Затем через инвертор 2, с помощью которого постоянный ток преобразуется в переменный, полученная электроэнергия аккумулируется с помощью системы сжижения воздуха. Работа системы сжижения воздуха может осуществляться по циклу Линде с циркуляцией воздуха под давлением. При этом компрессор низкого давления 3 засасывает n кг воздуха и сжижает его до среднего давления (изотерма 1-2). После этого к сжатому до среднего давления воздуху присоединяется часть его, отработанная в предыдущем цикле (1-n) кг. Суммарное количество воздуха (n+1-n) сжимается в компрессоре высокого давления 4 до высокого давления (изотерма 2-3) и затем охлаждается в противоточном теплообменнике-холодильнике системы сжижения воздуха 5 за счет обратного тока воздуха (изобара 3-4). Охлажденный воздух дросселируется с помощью первого дроссельного вентиля 6 с высокого давления на среднее (изоэнтальпа 4-5), причем часть его (1-n) направляется в противоточный теплообменник-холодильник системы сжижения воздуха 5, где и охлаждает новую порцию воздуха (изобара 5-2), и затем засасывает вновь в компрессор высокого давления 4. Сжиженная часть n, проходя через второй дроссельный вентиль 8, дросселируется второй раз (изоэнтальпа 5-6), причем некоторая часть ее m (6-8) отводится как готовый продукт, другая же часть направляется в противоточный теплообменник-холодильник системы сжижения воздуха 5, охлаждает новую порцию воздуха (изобара 7-1) и затем засасывается в компрессор низкого давления 3.

Сжиженная часть воздуха т с помощью насоса системы хранения 10 отводится как готовый продукт в систему хранения сжиженного воздуха и хранится в резервуаре для хранения сжиженного воздуха 11. При этом аккумулирование энергии происходит в дневное время, то есть осуществляется через преобразование электроэнергии, полученной с помощью фотоэлектрического генератора 1, в энергию сжиженного воздуха. После накопления энергии и полной зарядки системы хранения сжиженного воздуха, она может быть использована, в необходимые моменты времени.

Для этого из системы хранения сжиженного воздуха сжиженный воздух подается в систему регазификации и выработки электроэнергии с помощью насоса системы регазификации и выработки электроэнергии 12, в котором происходит повышение давления, а затем сжиженный воздух с высоким давлением подается в первую теплообменную поверхность теплообменника-испарителя сжиженного воздуха 13, где происходит его регазифицикация, далее воздух подается на турбину системы регазификации и выработки электроэнергии 14, которая вращает вал, соединенный с электрогенератором системы регазификации и выработки электроэнергии 15, где происходит преобразование механической энергии в электроэнергию, которая в последующем используется потребителем.

Дополнительным источником, примененном в изобретении, который позволяет использовать энергию холода сжиженного воздуха является дополнительный контур системы регазификации и выработки электроэнергии, который может работать по циклу Ренкина или Брайтона, где низкопотенциальная энергия сжиженного воздуха используется в качестве теплоты отводимой в цикле тепловой машины. В качестве хладагента могут применяться такие вещества как метан, этан, криптон, аргон, неон и другие. Из второй теплообменной поверхности теплообменник-испаритель сжиженного воздуха 13 хладагент поступает в насос хладагента 16, где он сжимается, нагреваясь при этом, и поступает в теплообменник-испаритель хладагента 17, в котором полностью газифицируется за счет подвода теплоты от атмосферного воздуха. Газообразный хладагент поступает в турбину дополнительного контура 18, где происходит его расширение с выработкой механической энергии, которая преобразуется в электрическую энергию с помощью электрогенератор дополнительного контура 19, которая также может использоваться потребителем.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет повысить стабильность выработки энергии при использовании альтернативных и возобновляемых источников энергии, аккумулировать энергию, вырабатываемую ими, путем сжижения воздуха из окружающей среды без применения внешних источников энергии, при этом уменьшается негативное влияние системы аккумулирования на окружающую среду и повышается экологичность этого устройства.

Изобретение относится к способам и устройствам для сжижения газов, а также к системам аккумулирования энергии. Предлагается использовать систему сжижения воздуха, работа которой осуществляется по усовершенствованному циклу Линде с циркуляцией газа под давлением. Для повышения эффективности выработки электрической энергии предлагается использовать систему регазификации и выработки электроэнергии с дополнительным контуром, который может работать по циклу Ренкина или Брайтона. Применение предлагаемого устройства позволяет повысить стабильность выработки энергии при использовании альтернативных и возобновляемых источников энергии, аккумулировать энергию, вырабатываемую ими, путем сжижения воздуха из окружающей среды, при этом уменьшается негативное влияние системы аккумулирования на окружающую среду и повышается экологичность этого устройства. 2 ил.

Устройство для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии, содержащее солнечный фотоэлектрический генератор, инвертор, отличающееся тем, что устройство для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии снабжено системой сжижения воздуха, состоящей из компрессора низкого давления, компрессора высокого давления, теплообменника-холодильника системы сжижения воздуха, первого дроссельного вентиля, первого промежуточного резервуара, второго дроссельного вентиля, второго промежуточного резервуара; системой хранения сжиженного воздуха, состоящей из насоса системы хранения и резервуара для хранения сжиженного воздуха; системой регазификации и выработки электроэнергии, состоящей из насоса системы регазификации и выработки электроэнергии, теплообменника-испарителя сжиженного воздуха, турбины системы регазификации и выработки электроэнергии, электрогенератора системы регазификации и выработки электроэнергии, насос хладагента, теплообменник-испаритель хладагента, турбину дополнительного контура, электрогенератор дополнительного контура; в корпусе теплообменника-холодильника системы сжижения воздуха размещены три теплообменные поверхности, вход его первой теплообменной поверхности связан с первым промежуточным резервуаром, а ее выход связан с входом компрессора высокого давления, вход его второй теплообменной поверхности связан с выходом компрессора высокого давления, а ее выход с первым дроссельным вентилем, вход его третьей теплообменной поверхности связан с вторым промежуточным резервуаром, а ее выход связан с входом компрессора низкого давления; в корпусе теплообменника-испарителя сжиженного воздуха размещены две теплообменные поверхности, вход его первой теплообменной поверхности связан с насосом высокого давления, а ее выход связан с турбиной системы регазификации и выработки электроэнергии, вход второй теплообменной поверхности теплообменника-испарителя сжиженного воздуха связан с выходом турбины дополнительного контура, а ее выход связан с насосом хладагента, теплообменник-испаритель хладагента имеет одну теплообменную поверхность, вход этой поверхности связан по хладагенту с насосом хладагента, а ее выход связан с входом турбины дополнительного контура.