АВТОНОМНАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SELF-CONTAINED COMBINED POWER PLANT

Изобретение относится к области автономных комбинированных энергетических установок, предназначенных для привода мобильных или стационарных машин, агрегатов и механизмов; для электроснабжения жилых, офисных и производственных помещений и обеспечения холодом холодильного оборудования. На заре зарождения энергетики использовались естественные природные источники - энергия ветра и рек. Эти источники экологически чистые и неиссякаемы. Они до сего времени достаточно широко используются для выработки электроэнергии в стационарных условиях. Для привода мобильных агрегатов и транспортных средств чрезвычайно широко применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Сегодня количество автомобилей с ДВС, находящихся в эксплуатации, приближается к миллиарду и продолжает быстро увеличиваться. Непрерывное увеличение количества ДВС породило ряд негативных последствий. Постоянно растущая потребность углеводородного топлива, запасы которого не восполняемые, приводит к обострению борьбы за сырьевые топливные ресурсы, вызывает напряженность международных отношений и даже военные конфликты. Безудержный рост цен на моторное топливо подрывает экономическую стабильность и угрожает глобальным кризисом. Большое количество вредных выбросов и выделяемого тепла при сгорании топлива привели в последние десятилетия к ухудшению экологической ситуации в крупных населенных пунктах и в целом на земле, вызывая глобальное потепление климата. Совершенно очевидна необходимость перехода к другим альтернативным видам энергетических установок.
Длительное время ведутся разработки электромобилей. Однако до сего времени не удается создать электрические аккумуляторы достаточной удельной энергоемкости и для их зарядки требуется продолжительное время. В последнее время в США и в Японии начато серийное производство так называемых гибридных (комбинированных) силовых установок (см. например журнал "Автостандарт" №4, 2005, стр.40-42). В них, так же как и в электромобилях, имеются электрические аккумуляторные батареи, тяговые электродвигатели, электропреобразователи для обеспечения требуемых параметров электропитания, контроллер-коммутатор для переключения потребителей тока; и в качестве второго источника энергии - ДВС с механической трансмиссией и электромотор-генератором или топливные элементы. Гибридные установки с ДВС могут только несколько увеличить периодичность зарядки аккумуляторных батарей, уменьшить расход углеводородного топлива и количество вредных выбросов, но в принципе не решают создавшихся проблем. В топливных элементах в качестве топлива используется водород, при окислении которого в присутствии катализатора образуется электрическое напряжение. Это напряжение используется как для питания тяговых электродвигателей, так и для подзарядки аккумуляторных батарей.
В США началась реализация федеральной программы по переходу на водородное топливо. В нашей стране также рассматривается возможность использования водорода в качестве альтернативы углеводородам. Например, опубликован патент №2179120 RU "Система экологической чистой водородной энергетики для транспортных средств и электромобильного транспорта". Для реализации этих программ требуется создание новой инфраструктуры для производства, хранения и транспортирования водорода, а также создание широкой сети заправочных водородных станций. Поскольку водород в чистом виде в природе не существует, то предлагается получать его из воды, что потребует огромного расхода электроэнергии. Мощности существующих электростанций не могут обеспечить возрастающих потребностей, поэтому для производства водорода предлагается построить сеть новых атомных электростанций. Следовательно, водород не является новым источником энергии, а только позволяет преобразовать электроэнергию и аккумулировать ее в более компактном виде, чем в известных электрохимических аккумуляторах. Кроме того, производство водорода, его хранение и транспортирование весьма пожароопасны. Еще одним существенным недостатком водородной энергетики является дороговизна топливных элементов из-за содержания в них драгоценных металлов.
Известны также комбинированные энергетические установки, в которых наряду с электрическими аккумуляторами используется, взамен топлива, инертный газ или воздух, хранящийся в криобаке в сжиженном состоянии при низких отрицательных температурах (Японский патент JP 3696945 В2 9079008 А). Сжиженный газ из криобака подается под давлением в теплообменник между этим рабочим газом и атмосферным воздухом (радиатор), где он за счет тепла окружающей среды испаряется и нагревается до температуры, близкой к температуре окружающего воздуха. Далее, этот сжатый газ подается в тяговый газовый двигатель (детандер), где газ, расширяясь, совершает механическую работу и совместно с тяговым электродвигателем приводит в действие рабочие механизмы. После детандера отработавший и охладившийся газ, пройдя через охладитель тягового электродвигателя, выбрасывается в атмосферу. Для применения таких энергетических установок не требуется создание новой инфраструктуры, поскольку промышленное производство, хранение и транспортирование сжиженных газов имеются во многих крупных городах. Недостатками такой энергоустановки являются относительно малая удельная мощность, большие размеры и масса теплообменника, необходимые для испарения сжиженного газа и его последующего нагрева. Еще один недостаток - большой расход газа и, как следствие, большие размеры и масса бака для хранения сжиженного газа, поскольку установка работает по разомкнутому циклу (газ после одноразового расширения в детандере выбрасывается в атмосферу).
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение удельной мощности комбинированной энергетической установки, относительное уменьшение размеров и массы криобака и теплообменника (радиатора), а также расширение ее функциональных возможностей посредством использования низкотемпературного газа в холодильном оборудовании. Установка по настоящему изобретению имеет криобак с сжиженным инертным газом или воздухом, теплообменник (радиатор), тяговый газовый двигатель (детандер), трансмиссию привода рабочих механизмов от детандера, электромотор-генератор с механическим приводом от детандера, блок электроаккумуляторов, тяговые электродвигатели привода рабочих механизмов, электропреобразователь, контроллер-коммутатор, отличающаяся тем, что
- внутри криобака имеются компрессор, газовый подогреватель сжиженного газа, соединенный с компрессором, теплообменник глубокого охлаждения отработавшего газа с дроссельным устройством на выходе;
- установка имеет электродвигатель привода компрессора и механический привод компрессора от детандера; теплообменник предварительного охлаждения отработавшего газа, соединенный термоизолированными трубопроводами с выходом детандера и с криобаком;
- электродвигатель привода компрессора, электромотор-генератор и тяговые электродвигатели имеют герметичные корпуса, которые подсоединены к трубопроводам сжатого газа между теплообменником предварительного охлаждения отработавшего газа и входом в детандер;
- трубопроводы сжатого газа имеют параллельные ответвления с теплообменниками холодильника и кондиционера.
От распложенных внутри криобака компрессора, газового подогревателя и теплообменника глубокого охлаждения отработавшего газа к сжиженному газу передается тепло, которое интенсифицирует испарение сжиженного газа. Дополнительный подвод тепла к сжатому газу в теплообменнике предварительного охлаждения отработавшего газа, а также в теплообменниках холодильника и кондиционера и от электрических машин, ускоряет нагрев и повышает температуру сжатого газа. Одновременно, отбор тепла от компрессора уменьшает затраты мощности на его привод, а охлаждение электрических машин снижает их электрическое сопротивление и повышает коэффициент полезного действия. Все это способствует повышению удельной мощности установки и позволяет уменьшить размеры и массу радиатора. Возврат в криобак отработавшего и охладившегося в детандере газа и его дополнительное охлаждение в теплообменниках предварительного и глубокого охлаждения, а также при истечении через дроссельное устройство обеспечивают частичное сжижение возвращенного газа. Благодаря такой рециркуляции уменьшается удельный расход сжиженного газа, что позволяет уменьшить размеры и массу криобака. Наличие холодильника и кондиционера, через теплообменники которых циркулирует низкотемпературный сжатый газ, расширяет функциональные возможности установки, позволяя получать не только механическую и электрическую энергию, но и холод. Причем на получение холода при наличии сжиженного газа в криобаке не требуется дополнительных затрат энергии. Напротив, чем больше потребление холода, тем больше тепла передается сжатому газу и тем большую работу газ совершает в детандере.
Устройство автономной комбинированной энергетической установки схематично показано на чертеже. Автономная комбинированная энергетическая установка состоит из:
- криобака 1 с предохранительными (выпускным и впускным) клапанами 2, заправочным устройством 3, компрессором 4, подогревателем 5 сжиженного газа, теплообменником 6 глубокого охлаждения отработавшего газа и дроссельным устройством 7;
- электродвигателя 8 и механического привода компрессора от детандера с муфтой включения 9;
- теплообменника 10 предварительного охлаждения отработавшего газа;
- детандера 11;
- электромотора-генератора 12 с механическим приводом от детандера и муфтой включения 13;
- одного или нескольких радиаторов 14;
- трубопроводов 15 сжатого газа;
- термоизолированных трубопроводов 16 отработавшего газа;
- крана 17 выпуска отработавшего газа;
- механической трансмиссии 18 с муфтой 19 подключения к детандеру;
- тяговых электродвигателей 20;
- рабочих механизмов 21 (например, ведущие колеса автомобиля);
- контроллера-коммутатора 22;
- электропреобразователя 23;
- блока электроаккумуляторных батарей 24.
Электродвигатели 8, 20 и электромотор-генератор 12 имеют герметичные корпуса и через них протекает сжатый газ. Трубопроводы 15 сжатого газа соединяют между собой выход компрессора 4, подогреватель 5 сжиженного газа, теплообменник 10 предварительного охлаждения отработавшего газа, корпуса электродвигателей 8, 20 и электромотор-генератор 12, радиатор(ы) 14, холодильник 25, кондиционер 26 и вход детандера 11. Трубопроводы 16 отработавшего газа соединяют выход детандера 11, теплообменники предварительного охлаждения 10 и глубокого охлаждения 6, дроссельное устройство 7, кран 17.
Автономная комбинированная энергетическая установка может работать в нескольких режимах. В основном режиме, когда аккумуляторные батареи 24 заряжены (например, от внешней электросети 27), и криобак 1 наполнен сжиженным газом через заправочное устройство 3, кран 17 должен быть закрыт, а дроссельное устройство 7 открыто. Для запуска установки включается электродвигатель 8 привода компрессора 4, а муфта 9 механического привода компрессора выключается. В компрессоре 4 происходит повышение давления и температуры газа. Выделяющееся при этом тепло способствует испарению сжиженного газа. В то же время отвод тепла от компрессора уменьшает затраты мощности на сжатие газа. Из компрессора 4 сжатый газ поступает в подогреватель 5 и дополнительно передает тепло сжиженному газу. В результате поглощения тепла при испарении сжиженного газа температура внутри криобака 1 поддерживается постоянной, близкой к температуре испарения сжиженного газа. Из подогревателя 5 сжатый охлажденный воздух поступает сначала в теплообменник 10 предварительного охлаждения отработавшего газа, а затем в радиатор(ы) 14, холодильник 25, кондиционер 26, в корпуса электродвигателей 8, 20 и электромотор-генератор 12, где он нагревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды или несколько более высокой. При этом происходит охлаждение электрических машин, а также камеры холодильника 25 и теплообменника кондиционера 26 без дополнительной затраты энергии. Напротив, охлаждение электрических машин снижает их электрическое сопротивление и повышает коэффициент полезного действия. Далее сжатый газ поступает в детандер 11, где он, расширяясь, совершает механическую работу, а его температура снижается. Поскольку газ поступает в компрессор с температурой, близкой к температуре испарения сжиженного газа (для воздуха около 80К), а в детандер - с температурой, близкой к температуре окружающего воздуха (порядка 250-300К) или более высокой, то мощность детандера 11 будет превышать мощность, затрачиваемую на привод компрессора 4. Отработавший и охладившийся газ по термоизолированному трубопроводу 16 поступает в теплообменник 10 предварительного охлаждения и далее внутрь криобака 1 через теплообменник 6 глубокого охлаждения и дроссельное устройство 7. При этом происходит дальнейшее охлаждение и частичное сжижение газа. Благодаря такой рециркуляции уменьшается удельный расход сжиженного газа. С помощью предохранительного клапана 2 в криобаке поддерживается постоянное давление. Мощность детандера 11 может передаваться либо непосредственно рабочим механизмам 21 через механическую трансмиссию 18 при включенной муфте 19, либо электромотору-генератору 12 при включенной муфте 13, либо одновременно рабочим механизмам и электромотору-генератору. Электроэнергия, вырабатываемая электромотором-генератором 12, подается через контроллер-коммутатор 22 в электропреобразователь 23 для формирования требуемых параметров электроэнергии (постоянного или переменного тока, величины напряжения, требуемой частоты и т.д.) и затем обратно через контроллер-коммутатор 22 к тяговым электродвигателям 20 и другим потребителям тока, в том числе для питания электромотора 8 привода компрессора и (или) зарядки электроаккумуляторных батарей 24. Когда мощность детандера недостаточна для привода рабочих механизмов 21 (например, при разгоне автомобиля, для движения на подъеме или с большой скоростью) дополнительно подключается питание тяговых электродвигаелей 20 от электроаккумуляторных батарей 24.
Поскольку полностью исключить подвод тепла к криобаку 1 из окружающей среды невозможно, то установка предпочтительно должна работать безостановочно, пока в криобаке имеется сжиженный газ. Если компрессор 8 остановится, то давление газа во всей системе сравняется и детандер 11 также остановится. Из-за подвода тепла к криобаку от окружающей среды давление в системе будет повышаться до тех пор, пока не откроется предохранительный клапан 2. В этом случае газ будет бесполезно стравливаться в атмосферу. Чтобы исключить такие напрасные потери сжиженного газа в случае остановки компрессора 8 (например, при отсутствии энергии для его привода), автономную комбинированную энергетическую установку следует переводить в режим работы без компрессора. Для этого дроссельное устройство 7 должно быть закрыто, а кран 17 выпуска газа в атмосферу открыт. В результате газ будет выходить в атмосферу через детандер 11 под давлением, на которое отрегулирован выпускной клапан 2, и детандер может приводить в действие компрессор 4 при включенной муфте 9. Как только компрессор 4 выйдет на установившийся режим, дроссельное устройство 7 следует открыть, а кран 17 закрыть. Таким образом установка будет работать как на основном режиме, только с приводом компрессора 4 от детандера 11.
При отсутствии сжиженного газа и наличии электроэнергии установка может сама производить сжижение воздуха. Для этого дроссельное устройство 7 должно быть открыто, а кран 17 закрыт, компрессор 4 механически подключается к детандеру 11 через муфту 9 и приводится в действие электродвигателем 8 от внешнего источника 27. Механический привод электромотора-генератора 12 и рабочих механизмов 21 отключаются от детандера 11 с помощью муфт 13 и 19. В этом режиме первоначально, при отсутствии сжиженного газа, температура газа после сжатия в компрессоре 4 может быть выше температуры окружающей среды. При прохождении через радиатор(ы) 14 газ первоначально охлаждается. Далее газ охлаждается при расширении в детандере 11 и при прохождении через дроссель 7 и поступает в криобак 1. Затем уже охлажденный газ вновь поступает в компрессор 4 и таким образом многократно циркулирует по замкнутому кругу. После каждого круга температура газа снижается, пока не достигнет температуры сжижения.
Автономная комбинированная энергетическая установка может использоваться как силовая установка транспортного средства и как мобильная электрогенераторная установка. В стационарных условиях установка может использоваться для автономного электроснабжения жилых, офисных и производственных помещений, а также обеспечивать функционирование холодильного оборудования без дополнительного потребления электроэнергии.
Таким образом, для работы автономной комбинированной энергетической установки вместо углеводородного топлива требуется сжиженный инертный газ или воздух, производство которого имеется практически в любом достаточно крупном городе. Более того, существуют передвижные установки для сжижения инертных газов и воздуха. Вопросы транспортирования и хранения сжиженных газов также успешно решены. В промышленной эксплуатации имеются как железнодорожные, так и автомобильные цистерны для сжиженных газов. При работе автономной комбинированной энергетической установки не происходит никаких химических реакций и не выделяются ни вредные вещества, ни тепло. Следовательно, такая установка является абсолютно экологически чистой и не способствует глобальному потеплению климата. Напротив, такая установка поглощает тепло окружающей среды и локально охлаждает ее.