Способ и устройства накопления энергии с получением криогенных жидкостей, хранения энергии и ее высвобождения с использованием различных источников теплоты на стадии генерации

1. Способ накопления энергии с получением криогенных жидкостей, хранения энергии и ее высвобождения с использованием различных источников теплоты на стадии генерации, включающий этапы, на которых:
- атмосферный воздух очищают, как минимум, от механических примесей, воды и углекислого газа;
- очищенный атмосферный воздух сжимают в одну или несколько ступеней до давления, оптимального для выбранного цикла ожижения с понижением температуры воздуха на выходе каждой ступени сжатия до температуры, близкой к температуре окружающей среды;
- сжатый и охлажденный до температуры, близкой к температуре окружающей среды, воздух охлаждают приблизительно до температуры 100°К;
- охлаждённый приблизительно до температуры 100°К сжатый воздух под давлением через дроссельный клапан подают в фазовый сепаратор на разделение фаз;
- в газовом сепараторе осуществляют разделение охлажденного воздуха на газовую и жидкую фазы;
- из фазового сепаратора газовую фазу направляют в атмосферу после охлаждения входного сжатого потока воздуха после охладителя последней ступени сжатия, а жидкую фракцию направляют на стадию хранения в криогенный танк;
- жидкую фракцию хранят в криогенном танке в течение требуемого периода времени;
- при потребности в генерации энергии криогенную жидкость (жидкая фракция воздуха) сжимают криогенным насосом до давления от 35 до 256 атм;
- после чего сжатый жидкий воздух пропускают через, как минимум, один первый теплообменник, при прохождении через который он нагревается с отбором холода в систему накопления холода, далее воздух пропускают через, как минимум, один второй теплообменник, где его нагревают с подводом теплоты, отбираемой от источников тепла;
- перед расширением в турбодетандерах в одну или несколько ступеней, в случае использования нескольких ступеней, нагрев воздуха осуществляют перед каждой ступенью, при этом выхлоп из последней ступени расширения с использованием дополнительного рекуператора направляют на нагрев входящего на стадию генерации потока воздуха между последним теплообменником системы накопления холода и перед первым теплообменником подвода теплоты перед расширением, после передачи теплоты входному потоку воздуха экологически безопасный выхлоп в виде газообразного воздуха выбрасывают в атмосферу.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру воздуха на выходе каждой ступени сжатия снижают посредством отбора теплоты в аккумулятор теплоты.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что очищенный воздух сжимают до 150 атм.
4. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что сжатый и охлажденный до температуры, близкой к температуре окружающей среды, воздух охлаждают приблизительно до температуры 100°К с использованием холода, накопленного на стадии генерации, и обратным потоком газовой фазы из фазового сепаратора.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что очищенный воздух сжимают до 70 атм.
1
1
1
2
1
2
1
1
2
2
6. Способ по пп. 1 и 5, отличающийся тем, что охлажденный до температуры, близкой к температуре окружающей среды, воздух направляют в делитель потока, где часть воздуха (X) от начального расхода передают на охлаждение холодом, накопленным на стадии генерации, а оставшуюся часть (1-X) передают на охлаждение потоком, выходящим из турбодетандера, и газовой фазой сепаратора, после чего эту часть воздуха (1-X) от начального расхода передают на разделение во второй делитель потока, в котором часть от поступившего воздуха (Х) направляют на расширение в турбодетандере, затем смешивают на выходе из турбодетандера с газовым потоком из фазового сепаратора, после чего их смесь охлаждает поток (1-X-X), выходящий из второго делителя потока и поступающий во второй смеситель потоков, который смешивает потоки X и поток (1-X-X), откуда охлаждённый сжатый поток (1-X) с температурой около 100°К направляют через дроссель в фазовый сепаратор.
1
1
2
1
2
1
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что соотношение расходов X:(1-X) составляет около 0,6:0,4 от входящего потока в делитель, а соотношение расходов X:(1-X-X) составляет около 0,35:0,65 от входящего в делитель расхода (1-X).
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что очищенный воздух сжимают до 50 атм.
1
1
1
1
1
9. Способ по пп. 1 и 8, отличающийся тем, что охлажденный до температуры, близкой к температуре окружающей среды, воздух направляют в делитель потока, где часть воздуха (1-X) от начального расхода передают на охлаждение холодом, накопленным на стадии генерации, а часть воздуха X передают на косвенное охлаждение вспомогательным замкнутым смесевым контуром, включающим сжатие смеси, охлаждение до температуры окружающей среды, охлаждение до примерно 100°К обратным потоком смеси, расширение смеси через дроссель, охлаждение прямого потока смеси обратным и потока воздуха X, возврат смеси на сжатие для повторения смесевого вспомогательного цикла, затем после охлаждения два потока (1-X) и X смешивают, общий охлаждённый сжатый поток с температурой около 100°К направляют через дроссель в фазовый сепаратор.
1
1
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что соотношение расходов X:(1-X) составляет около 0,5:0,5 от входящего в делитель расхода.
11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что смесь в смесевом контуре имеет следующий состав: 32% - метан, 15% - этан, 15% - пропан, 21% - I-пентан, 17% - азот.
12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что время, за которое производят накопление энергии, превышает время, в течение которого производят высвобождение запасенной энергии.
13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что генерацию энергии проводят в две ступени, при этом нагревают воздух перед турбодетандером потоком дымового газа газотурбинной установки перед выбросом в атмосферу, подачей топлива на выходе турбодетандера перед газотурбинной установкой.
14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для нагрева воздуха перед расширением на стадии генерации используют один из следующих источников теплоты: прямое сжигание топлива в воздухе в турбине, бросовая теплота промышленных предприятий, сжигание свалочного газа, отходящий газ газотурбинных установок, в том числе пиковых, отбор пара АЭС или ТЭС, теплофикационный контур АЭС или ТЭС.
2
2
2
15. Устройство, предназначенное для реализации заявленного способа по пп. 1 и 3, включает узел очистки воздуха от механических примесей и очистки от воды, узел удаления CO, N ступеней компрессора для сжатия очищенного воздуха, где N равно или более 1, N теплообменников, предназначенных для охлаждения сжатого воздуха, трехходовой теплообменник, систему накопления и передачи холода в цикл ожижения, дроссельный клапан, фазовый сепаратор, криогенный танк для сохранения энергии в периоды между накоплением энергии и ее высвобождением на стадии генерации, криогенный насос жидкого воздуха, как минимум, один теплообменник для испарения и отбора холода криогена в систему накопления холода, рекуператор теплоты выхлопа последней ступени турбодетандера, систему подвода теплоты, M теплообменников для подогрева воздуха перед его расширением в ступенях турбодетандера с использованием системы подвода теплоты, M ступеней турбодетандера, при этом узел очистки воздуха соединен с узлом удаления CO, выход узла удаления CO соединен с входом компрессора, выход которого соединен с входом теплообменника, выход которого соединен с первым входом трехходового теплообменника, второй вход которого соединен с выходом системы накопления и передачи холода в цикл ожижения, а третий вход соединен с выходом фазового сепаратора, вход которого через дроссельный клапан подключен к первому выходу трехходового теплообменника, второй выход которого соединен с входом системы накопления и передачи холода в цикл ожижения, а третий выход предназначен для вывода воздуха из криоблока, второй выход фазового сепаратора, предназначенный для вывода жидкого воздуха, соединен с криогенным танком, выход которого через криогенный насос соединен с теплообменником, предназначенным для испарения и отбора холода криогена в систему накопления холода, выход упомянутого теплообменника соединен с первым входом рекуператора теплоты выхлопа последней ступени турбодетандера, рекуператор параллельно подключен к системе подвода теплоты.
2
1
1
1
2
2
1
1
2
2
2
2
16. Устройство, предназначенное для реализации заявленного способа по пп. 1 и 6, включает узел очистки воздуха от механических примесей и очистки от воды, узел удаления CO, N ступеней компрессора для сжатия очищенного воздуха, N первых теплообменников, предназначенных для охлаждения сжатого воздуха, где N равно или более 1, систему накопления и передачи холода, фазовый сепаратор, турбодетандер, криогенный танк для сохранения энергии в периоды между накоплением энергии и ее высвобождением на стадии генерации, первый делитель потоков, второй теплообменник, предназначенный для охлаждения потока X с использованием холода, накопленного на стадии генерации в системе накопления и передачи холода, третий теплообменник, предназначенный для охлаждения потока (1- X) обратным потоком газовой фазы из фазового сепаратора и потока после детандирования, второй делитель потока, четвертый теплообменник, предназначенный для охлаждения потока (1- X- X) обратным газовым потоком из фазового сепаратора и потоком детандирования, первый смеситель газового потока, предназначенный для смешивания потоков из фазового сепаратора и выхода турбодетандера X, второй смеситель, предназначенный для смешивания потоков X и (1- X- X), дроссель, предназначенный для расширения охлаждённого потока (1-X) фазового сепаратора, пятый теплообменник, предназначенный для испарения и отбора холода криогена в систему накопления холода, рекуператор теплоты выхлопа последней ступени турбодетандера, систему подвода теплоты, M теплообменников для подогрева воздуха перед его расширением в ступенях турбодетандера с использованием системы подвода теплоты, M ступеней турбодетандера, при этом выход узла очистки воздуха от механических примесей и от воды соединен с входом узла удаления CO, выход которого соединен с входом компрессора для сжатия очищенного воздуха, соединенного выходом с входом первого теплообменника, выход первого теплообменника соединен с входом первого делителя потоков, первый выход которого соединен с входом второго теплообменника, второй выход первого делителя потоков соединен с первым входом третьего теплообменника, первый выход третьего теплообменника соединен с входом второго делителя потока, первый выход которого соединен с входом турбодетандера, второй выход предназначен для вывода воздуха из криоблока, третий выход соединен с первым входом четвертого теплообменника, второй вход которого соединен с выходом смесителя газового потока из фазового сепаратора и выхода турбодетандера X, первый вход второго смесителя соединен с выходом турбодетандера, второй вход второго смесителя газового потока соединен с первым выходом фазового сепаратора, второй выход фазового сепаратора соединен с входом криогенного танка, вход фазового сепаратора через дроссель соединен с выходом первого смесителя, первый вход которого соединен с выходом второго теплообменника, а второй вход соединен с выходом четвертого теплообменника, ко второму теплообменнику подключен параллельно контур теплоносителя системы накопления холода, выход криогенного танка через криогенный насос соединен с пятым теплообменником, выход пятого теплообменника соединен с первым входом рекуператора теплоты выхлопа последней ступени турбодетандера, рекуператор параллельно подключен к системе подвода теплоты.
2
1
1
1
1
2
16. Устройство, предназначенное для реализации заявленного способа по пп. 1 и 9,включает узел очистки воздуха от механических примесей и от воды, узел удаления CO, по крайней мере одну ступень компрессора для сжатия очищенного воздуха, по крайней мере один первый теплообменник для охлаждения сжатого воздуха, первый делитель потоков, второй и третий теплообменники, предназначенные для охлаждения потока (1-X) с использованием холода, накопленного на стадии генерации в системе накопления и передачи холода, трехходовый теплообменник, предназначенный для охлаждения потока X вспомогательным смесевым циклом, компрессор, предназначенный для сжатия смеси, четвертый теплообменник, предназначенный для охлаждения смеси до температуры окружающей среды, первый дроссельный клапан, смеситель, в котором смешиваются потоки X и (1-X), второй дроссельный клапан, фазовый сепаратор, криогенный танк, четвертый теплообменник, при этом выход узла очистки воздуха от механических примесей и от воды соединен с входом узла удаления CO, выход которого соединен с входом компрессора, предназначенного для сжатия очищенного воздуха, выход указанного компрессора соединен с входом первого теплообменника, выход которого соединен с входом первого делителя потоков, первый выход первого делителя соединен с первым входом второго теплообменника, второй выход первого делителя соединен с первым входом трехходового теплообменника, первый выход которого соединен с первым входом смесителя, второй выход трехходового теплообменника соединен с входом компрессора, предназначенного для сжатия смеси, выход которого через четвертый теплообменник соединен с третьим входом трехходового теплообменника, третий выход трехходового теплообменника через первый дроссельный клапан соединен с вторым входом трехходового теплообменника, выход смесителя через второй дроссельный клапан соединен с фазовым сепаратором, первый выход которого соединен с входом криогенного танка, второй выход соединен с первым входом пятого теплообменника, первый выход четвертого теплообменника соединен с первым входом третьего теплообменника, через второй выход четвертого теплообменника выводится воздух из криоблока, выход криогенного танка через криогенный насос соединен с пятым теплообменником, выход пятого теплообменника соединен с первым входом рекуператора теплоты выхлопа последней ступени турбодетандера, рекуператор параллельно подключен к системе подвода теплоты.
17. Устройство по пп. 15, 16 и 17, отличающееся тем, что компрессор имеет N ступеней, где N=2, или N=3, или N=4.
18. Устройство по пп. 15, 16 и 17, отличающееся тем, что криогенный танк выполнен с вакуумной теплоизоляцией.
19. Устройство по пп. 15, 16 и 17, отличающееся тем, что турбодетандер имеет M ступеней, где M=2, или M=3, или M=4.
20. Устройство по пп. 15, 16 и 17, отличающееся тем, что устройство включает группу последовательных теплообменников.
21. Устройство по пп. 15, 16 и 17, отличающееся тем, что система накопления и передачи холода содержит теплый и холодные танки метанола, теплый и холодный танки пропана, теплообменники для косвенного подвода холода в цикл ожижения путем перекачки из холодной емкости в теплую метанола и пропана соответственно, теплообменники и для косвенного отбора холода от жидкого воздуха, подаваемого на генерацию путем перекачки из теплого танка в холодный танк пропана и метанола.
22. Устройство по пп. 15, 16 и 17, отличающееся тем, что система накопления и передачи теплоты включает горячий танк теплоносителя и тёплый танк теплоносителя, а также теплообменники для отбора теплоты процесса сжатия или от другого внешнего источника и теплообменники подвода теплоты перед расширением, при этом в качестве теплоносителя используют воду, или термальное масло, или расплав солей, насосное оборудование, установленное на входе в теплый танк теплоносителя и на выходе теплого танка теплоносителя для работы в цикле передачи и отбора теплоты соответственно.
23. Устройство по пп. 15, 16 и 17, отличающееся тем, что дополнительно включает стабилизатор генерируемой внешними источниками энергии мощности.
24. Устройство по п. 24, отличающееся тем, что в качестве стабилизатора генерируемой внешними источниками энергии мощности используют две Li-Ion батареи малой ёмкости.