Геотермальный электрогенератор Российский патент 2024 года по МПК F24T50/00 F03G4/00 F03C2/02 

Изобретение относится к области генерации электричества, а именно к конструкциям генераторов, предназначенных для преобразования низкопотенциального тепла в электрическую энергию. Устройство может быть применимо для электрического энергоснабжения частных хозяйств либо промышленных объектов и может работать совместно с любым типом геотермальных зондов, применяемых для тепловых насосов отопления помещений, и рассчитанных на необходимую мощность.

Известна геотермальная электростанция (RU 44761, опубл. 27.03.2005 г.), имеющая пароводяной и бинарный циклы и содержащая в их составе скважину добычи, скважину нагнетания, насос нагнетания, насос циркуляции, турбину пароводяного цикла, турбину бинарного цикла, электрогенераторы пароводяного и бинарного циклов, пароперегреватель, охладитель хладагента, ресивер, сепаратор, испаритель (описание патента U1 геотермальная электростанция).

Известна Геотермальная электростанция (RU 2767421, опубл. 17.03.2022 г.), имеющая пароводяной и бинарный циклы и содержащая в их составе скважину добычи, скважину нагнетания, насос нагнетания, насос циркуляции, турбину пароводяного цикла, турбину бинарного цикла, электрогенераторы пароводяного и бинарного циклов, пароперегреватель, охладитель хладагента, ресивер, сепаратор, испаритель, отличающаяся тем, что она снабжена компрессором, установленным после охладителя перед конденсатором, выполненным с возможностью передачи теплоты сетевому теплоносителю, сетевым насосом, обеспечивающим циркуляцию сетевого теплоносителя для передачи теплоты от хладагента и сепарата в блок потребителей теплоты, теплоутилизатором, обеспечивающим передачу теплоты от сепарата сетевому теплоносителю для применения в блоке потребителей теплоты, блоком дегазации для удаления неконденсируемых газов из сконденсировавшегося в испарителе водяного пара и охлажденного в теплоутилизаторе сепарата, шламоотделителем, установленным перед сепаратором, обеспечивающим выделение взвесей из геотермального флюида и устраняющим потери теплоты с сепарата, сбрасываемого в скважину нагнетания, и при охлаждении хладагента в бинарном цикле, дросселем, установленным после конденсатора, использующим теплоту нагрева хладагента теплонасосного цикла за счет охлаждения хладагента бинарного цикла, и регулирующими задвижками, расположенными после блока потребителей теплоты и теплоутилизатора, при этом насос нагнетания выполнен с возможностью закачивания охлажденного сепарата и сконцентрированного водяного пара в скважину нагнетания.

Недостаток вышеописанных устройств в том, что они вызывают сложность их применения для электрического обеспечения частных домов и небольших сельскохозяйственных объектов ввиду наличия в составе конструкции требующих обслуживания элементов таких как сепаратор, шламоотделитель, а также необходимости организации скважин добычи и нагнетания, подразумевающим использование геотермального флюида.

Технический результат, на который направлено заявляемое изобретение, заключается в том, чтобы обеспечить генерацию электроэнергии за счет использования низкопотенциального тепла грунта, при обеспечении стабильного истечения рабочего газа в поршневую группу (двигатель) генератора, с возможностью регулировки отбираемой мощности и исключением необходимости дополнительного охлаждения рабочего тела после фазы передачи тепловой энергии в механическую (электрическую).

Технический результат достигается предлагаемым геотермальным электрогенератор, характеризующаяся тем, что он включает не менее двух сосудов высокого давления, каждый из которых помещен в отдельную тепловую рубашку и снабжен клапанной системой, причем тепловые рубашки каждого сосуда снабжены трехходовыми гидравлическими переключателями, посредством которых сосуды высокого давления подключены к двум тепловым контурам - нижнему и верхнему, оснащенными циркуляционными насосами, так же клапанная система каждого баллона включает в себя трехходовой клапан и редуктор давления исходящего газа, в свою очередь клапанная система соединена с поршневой группой с электрогенератором. Электрогенератор, включает постоянные магниты, зафиксированные на подвижном элементе плоскоспиральной поршневой пары, а на неподвижных платформах, присоединяемых к неподвижному элементу плоскоспиральной поршневой пары через дистанционные стойки, установлены ответные им магнитопроводы с выполненными на них катушками индуктивности, в свою очередь подвижный элемент плоскоспиральной поршневой пары связан с неподвижным через эксцентриковые оси посредством подшипниковых узлов. Клапанная система каждого баллона снабжена двухходовым клапаном.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на Фиг. 1 показана - схема генератора, на Фиг. 2 - укрупненная схема работы сосудов высокого давления и поршневой группы, на Фиг. 3 - поршневая группа генератора с электрогенератором, на Фиг. 4 и 5 - пример исполнения поршневой группы, где:

1 - верхний тепловой контур;

2 - нижний тепловой контур;

3, 4, 5, 6 - сосуды высокого давления (баллоны);

7 - плоскоспиральная поршневая группа с электрогенератором;

8 - трехходовой клапан;

9 - редуктор давления исходящего газа;

10 - двухходовой клапан;

11 - тепловая рубашка;

12 - трехходовые гидравлические переключатели;

13, 14 - неподвижная платформа;

15 - подшипниковые узлы;

16 - постоянные магниты;

17 - неподвижный элемент плоскоспиральной поршневой пары;

18 - входной патрубок;

19 - подвижный элемент плоскоспиральной поршневой пары;

20 - дистанционная стойка;

21 - ось эксцентрик с балансирами;

22 - магнитопроводы с катушками индуктивности;

23 - впускное отверстие;

24 - спираль подвижного элемента;

25 - спираль неподвижного элемента.

Предлагаемое изобретение включает, четыре сосуда 3, 4, 5 и 6 высокого давления (баллоны), каждый из которых помещен в отдельную тепловую рубашку 11 и снабжен клапанной системой, посредством которой, каждый отдельный сосуд может быль либо открыт для заполнения охлажденным ниже температуры собственного кипения рабочем телом, либо заперт, либо открыт для истечения испаряющегося рабочего тела из баллона в поршневую группу 7 генератора.

Тепловые рубашки 11 каждого сосуда снабжены трехходовыми гидравлическими переключателями 12, посредством которых подключены к двум тепловым контурам - нижнему 2 (геотермальный зонд с температурой теплоносителя от +4°С до +8°С для регионов России, либо иной температурой, в зависимости от географического положения) и верхнему 1 (размещенному над грунтом и имеющему температуру окружающей среды), прокачка теплоносителя в которых осуществляется отдельными циркуляционными насосами (на Фиг. не показаны). При этом, если температура окружающей среды ниже температуры грунта, то нижний тепловой контур 2 считается теплым, а верхний 1 - холодным; и наоборот - если температура окружающей среды выше температуры грунта, то верхний тепловой контур 1 считается теплым, а нижний 2 холодным.

Клапанная система каждого баллона включает в себя трехходовой клапан 8, редуктор давления 9 исходящего газа и может дополняться двухходовым клапаном 10.

Трехходовой клапан 8 клапанной системы имеет три положения:

Канал баллона или 3, или 4, или 5, или 6 полностью открыт минуя редуктор давления 9, для заполнения баллона жидким рабочим телом, охлажденным ниже температуры кипения;

Канал баллона или 3, или 4, или 5, или 6 открыт через редуктор давления 9, для истечения нагретого выше температуры кипения и переведенного в газовую фазу рабочего тела;

Баллон или 3, или 4, или 5, или 6 заперт, для нагрева, находящегося в баллоне рабочего тела, либо для охлаждения пустого баллона при подготовке его к заливке жидкого рабочего тела.

Редуктор давления 9 исходящего газа используется с целью регулировки передаваемой мощности от рабочего тела к поршневой группе 7 генератора, а также предохраняет поршневую группу 7 и закрывающий ее кожух от чрезмерного нарастания давления.

Двухходовой клапан 10 клапанной системы имеет два положения:

• Открыт - когда баллон или 3, или 4, или 5, или 6 в режиме истечения рабочего газа;

• Закрыт - во всех других режимах.

Последовательным подключением верхнего 1 и нижнего 2 теплового контура к каждой из четырех тепловых рубашек 11, температура сосуда высокого давления или 3, или 4, или 5, или 6, находящегося в тепловой рубашке 11, может быть установлена соответственно выше либо ниже уровня температуры кипения используемого рабочего тела, что, совместно с переключением клапанной системы, позволяет переключать каждый баллон или 3, или 4, или 5, или 6 в один из четырех режимов (Фиг. 2):

• Баллон 1 заполнен, заперт и нагревается вместе с рабочим телом выше температуры его кипения (Фиг. 2);

• Баллон 2 с рабочим телом нагреты выше температуры кипения последнего, рабочее тело пребывает в перегретом состоянии и интенсивно испаряется, баллон 2 открыт находится в режиме истечения испаряющегося рабочего тела, которое отправляется в рабочую камеру это где генератора через редуктор 9, ограничивающий его давление (Фиг. 2);

• Баллон 3 заперт и охлаждается до температуры ниже температуры кипения рабочего тела (Фиг. 2);

• Баллон 4 охлажден ниже температуры кипения и заполняется истекающим из рабочей камеры рабочим телом, температура которого была снижена при преобразовании внутренней энергии рабочего тела в кинетическую энергию генератора и дополнительно охлаждена стенками кожуха поршневой группы 7 (Фиг. 2).

Поршневая группа 7 генератора - служит рабочим органом, преобразующим внутреннюю энергию рабочего тела в кинетическую для дальнейшего ее преобразования в электроэнергию, и может быть исполнен в виде плоскоспиральной либо цилиндрической поршневой группы, обеспечивающей две фазы работы:

• Первая фаза: Изобарическое расширение рабочего тела - когда расширение рабочего газа в поршневой группе 7 выполняется при постоянном его поступлении через впускное отверстие 23 и тем самым сохраняется постоянное давление в заполняемой области;

• Вторая фаза: Адиабатическое расширение рабочего тела - рабочий газ отделен от подпитки через впускное отверстие 23, но продолжает скоротечно расширяться, передавая энергию электрогенератору. При этом, температура рабочего газа может быть опущена ниже температуры кипения и тем самым рабочее тело приведено в переохлажденное состояние.

Истекающее из поршневой группы 7 переохлажденное рабочее тело конденсируется на стенках его кожуха, имеющего теплообмен с окружающей средой либо с более холодным тепловым контуром, стекает в соответствующий сосуд высокого давления, охлажденный до температуры ниже температуры кипения рабочего тела и находящийся в режиме заполнения рабочим телом.

В случае, если фаза Адиабатического расширения рабочего тела рассчитана таким образом, что для охлаждения заполняемого баллона или 3, или 4, или 5, или 6 достаточно собственной массы рабочего тела без перегрева рабочего тела выше температуры кипения - то кожух поршневой группы 7 может выполненным теплоизолированным от внешней среды, холодный тепловой контур может быть исключен из схемы, а количество баллонов высокого давления применяемых в схеме снижено до 2-х штук, однако такое изменение не является обязательным, а зависит от показателей тепловых режимов конкретной модели геотермального электрогенератора и географического положения его применения.

В качестве рабочего тела могут быть применены газы либо легкоиспаряющиеся жидкости, температуры кипения которых находятся между температурами нижнего 2 и верхнего 1 тепловых контуров устройства.

Значение температуры кипения рабочего тела может быть скорректировано путем изменения давления рабочего газа внутри устройства.

Преобразование кинетической энергии поршневой группы 7 в электроэнергию может выполняться как отдельно установленным электрогенератором, связанным с поршневой группой 7 посредством механической передачи, так и электрогенератором, встроенным в элементы поршневой группы 7.

На Фиг. 3 приведен пример исполнения поршневой группы геотермального генератора с электрогенератором, где на подвижном элементе 19 (роторе) плоскоспиральной поршневой пары 7 зафиксированы четыре постоянных магнита 16, а посредством неподвижных платформ 13 и 14, присоединенных через дистанционные стойки 20 к неподвижному элементу 17 (статору) плоскоспиральной поршневой пары 7, установлены ответные им магнитопроводы с катушками индуктивности 22. Подвижный элемент 19 связан с неподвижным 17 посредством нескольких одинаковых эксцентриковых осей 21, обеспечивающих круговые движения подвижного элемента 19 без возможности его вращения вокруг собственной оси. Во время движения подвижного элемента 19, установленные на нем постоянные магниты 16 поочередно замыкают свои магнитные поля через ответные им ферритные магнитопроводы 22, тем самым вызывая ЭДС в катушках индуктивности выполненных на магнитопроводах 22, т.е. генерацию электричества.

Пример расчета Геотермального электрогенератора выглядит следующим образом:

В представленном на Фиг. 4 и 5 примере исполнения поршневой группы 7 генератора рабочий орган выполнен в виде плоскоспиральной поршневой пары с шагом спирали g=40мм и высотой стенки спирали h=50мм.

В качестве рабочего газа, для условия зимней эксплуатации генератора, когда температура геотермального зонда может быть принята +6°С, а температура холодного контура -5°С и ниже, выбираем n-Бутан с температурой кипения -0,5°С, давлением пара при кипении p=1 Бар, молярной массой μ=58,12 г/моль, плотностью пара при 0°С ρ=2,7 кг/м³ и показателем адиабаты (отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме) γ=1,095.

Рабочий газ поступает через впускное отверстие 23 и в начале изобарической фазы расширения занимает объем V0 равный

где S1 - минимальная площадь, ограниченная стенками спирали неподвижного 17 и подвижного 19 элементов плоскоспиральной поршневой пары, между ближайшими к центру впускного отверстия 23 точками их соприкосновения, h - высота стенки спирали.

По окончании изобарической фазы, т.е. непосредственно перед отсечением уже поступившего в поршневую группу 7 рабочего газа от вновь поступающего через впускное отверстие 23, изменение объема V1 рабочей зоны составит

где S1 - минимальная площадь, включающая площадь впускного отверстия 23 и ограниченная стенками спиралей неподвижного 17 и подвижного 19 элементов плоскоспиральной поршневой пары до ближайших точек их соприкосновения, S2 - максимальная площадь, включающая площадь впускного отверстия 23 и ограниченная стенками спиралей неподвижного 17 и подвижного 19 элементов плоскоспиральной поршневой пары до точек их соприкосновения непосредственно перед моментом отсечения уже поступившего в поршневую группу 7 рабочего газа от вновь поступающего через впускное отверстие 23, h - высота стенки спирали.

Адиабатическая фаза расширения рабочего газа, с целью максимального извлечения энергии и перевода газа в переохлажденное состояние, занимает не менее двух оборотов ротора. При этом объем V2, занимаемый рабочим газом в конце адиабатической фазы, можно определить, как:

где S3 - сумма двух площадей, ограниченных спиралями поршневой группы между точками их соприкосновения, непосредственно перед выходом рабочего газа из поршневой группы (выхлопом), h - высотой стенки спирали.

При изобарической фазе, энергия, переданная поршневой группе 7 за один оборот ротора, может быть определена как работа газа при изобарическом процессе:

где А1 - работа газа при изобарическом процессе, p - давление пара 1 Бар, - изменение объема газа внутри плоскоспиральной поршневой группы при изобарической фазе.

Последующие два оборота занимает Адиабатическая фаза, идет скоротечное расширение газа, поэтому можем считать, что процесс идет без обмена массой и температурой с внешней средой, при этом работа, совершаемая газом за 1 оборот будет равна:

где А2 - работа газа при адиабатическом расширении, начальная плотность пара, p - давление рабочего газа в начале адиабатической фазы 1 Бар, μ=58,12 г/моль молярная масса рабочего газа, R - универсальная газовая постоянная 8,31 Дж/(моль К), γ=1,095 показатель адиабаты рабочего газа, V1 и V2 - соответственно, объем рабочего газа в начале и в конце адиабатической фазы.

Суммарный переход энергии в кинетическую за один оборот ротора составит:

Достижимая частота вращения ротора зависит от точности исполнения эксцентриковых осей с балансирами, и на тестовых испытаниях находилась в пределах n=38-42 об/сек, исходя из чего, снимаемая мощность генератора может быть рассчитана как:

Исходя из уравнения (7) рассчитывается требуемая длина геозонда, определяемая согласно известным из уровня техники величине съема тепла для геозондов используемых с тепловыми насосами отопления частных домов, которая составляет от 20 до 50 Вт/п.м. и зависит от вида почв в местности, где планируется использование Геотермального электрогенератора. Таким образом, для обеспечения съема энергии мощностью 4 кВт, суммарная длина рабочей части геозонда должна составлять не менее 4000 Вт/ 20 Вт/п.м. = 200 погонных метров.

В качестве сосудов высокого давления можно применить промышленные кислородные баллоны. Один кислородный баллон имеет рабочий объем 40л, собственную массу m_Б=67 кг и изготовлен из стали 45.

Для изменения температуры баллона с -5°С (баллон охлажден холодным тепловым контуром) на +5°С потребуется тепловая энергия, которую можно оценить по формуле:

Заполненность баллона жидким n-Бутаном примем 30 литров, остальной объем баллона останется для испарения газа при нагреве выше температуры кипения.

На испарение 30 л n-Бутана потребуется тепла:

При этом, объем общий объем образующегося пара составит:

Исходя из того, что на один оборот поршневой группы захватывается V1=433 см3 рабочего газа, и скорость вращения ротора составляет 40 об/сек, можем определить время, за которое должен быть испарен газ баллона №2 (Фиг. 2) и соответственно заполнен баллон №4 (Фиг. 2):

Таким образом, рабочего газа испаряющегося из баллона №2 (Фиг. 2) хватает на съем энергии мощностью 4 кВт в течении 6,8 минуты, после чего система клапанов открывает уже нагретый баллон №1, баллон №2 запирается и переходит в режим охлаждения холодным контуром, Охлажденный в предыдущем цикле баллон №3 открывается в режим заполнения сжиженным рабочим телом, а заполненный баллон №4 переключается в режим нагрева.

Помимо предварительных расчетов, для контроля системы могут быть использованы датчики температуры баллонов, давления газа и массы рабочего тела в баллоне, а давление газа, истекающего из баллона в поршневую группу, регулируется и стабилизируется редуктором давления 9.

Получаемая электрическая мощность от катушек электрогенератора может быть преобразована при помощи инвертора электричества в переменный ток необходимой частоты, выпрямлена системой диодов и накопителей и использована как источник постоянного тока.

Заявляемое изобретение, Геотермальный электрогенератор, может быть использовано как отдельными единицами в качестве источника электрообеспечения частных домов, так и совмещенными по несколько штук в батарею генераторов, для питания сельскохозяйственных и промышленных объектов.

Изобретение относится к возобновляемой энергетике, а именно к устройствам, предназначенным для преобразования низкопотенциального тепла в электрическую энергию. Геотермальный электрогенератор содержит циркуляционный насос и электрогенератор, Геотермальный электрогенератор включает не менее двух сосудов высокого давления, каждый из которых помещён в отдельную тепловую рубашку и снабжён клапанной системой. Тепловые рубашки каждого сосуда снабжены трёхходовыми гидравлическими переключателями, посредством которых сосуды высокого давления подключены к двум тепловым контурам – нижнему и верхнему, оснащенными циркуляционными насосами. Клапанная система каждого баллона включает в себя трёхходовой клапан и редуктор давления исходящего газа. Клапанная система соединена с поршневой группой с электрогенератором. Техническим результатом является обеспечение стабильного истечения рабочего газа в поршневую группу (двигатель) генератора, с возможностью регулировки отбираемой мощности и исключения необходимости дополнительного охлаждения рабочего тела после фазы передачи тепловой энергии в механическую (электрическую). 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Геотермальный электрогенератор, содержащий циркуляционный насос и электрогенератор, отличающийся тем, что геотермальный электрогенератор включает не менее двух сосудов высокого давления, каждый из которых помещён в отдельную тепловую рубашку и снабжён клапанной системой, причем тепловые рубашки каждого сосуда снабжены трёхходовыми гидравлическими переключателями, посредством которых сосуды высокого давления подключены к двум тепловым контурам – нижнему и верхнему, оснащенными циркуляционными насосами, также клапанная система каждого баллона включает в себя трёхходовой клапан и редуктор давления исходящего газа, в свою очередь, клапанная система соединена с поршневой группой с электрогенератором.

2. Геотермальный электрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что электрогенератор включает постоянные магниты, зафиксированные на подвижном элементе плоскоспиральной поршневой пары, а на неподвижных платформах, присоединяемых к неподвижному элементу плоскоспиральной поршневой пары через дистанционные стойки, установлены ответные им магнитопроводы с выполненными на них катушками индуктивности, в свою очередь, подвижный элемент плоскоспиральной поршневой пары связан с неподвижным через эксцентриковые оси посредством подшипниковых узлов.

3. Геотермальный электрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что клапанная система каждого баллона дополнительно снабжена двухходовым клапаном.