КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА, ХОЛОДА И ТЕПЛА

Предлагаемая полезная модель относится к автономным энергетическим устройствам и предназначена для экологически чистого обеспечения потребителей электричеством, холодом и теплом в местах отсутствия топлива и источников энергоснабжения.
Известна газотурбинная энергетическая установка (Патент РФ №2145386 от 23.12.1997 г.), содержащая газотурбинный двигатель с входом, механически сопряженный с ним электрогенератор и устройство для подвода охлажденного воздуха в газотурбинный двигатель, включающее автономный воздушный компрессор (АВК) с приводом, турбодетандер и теплообменник, где выход турбодетандера связан газодинамически с входом в газотурбинный двигатель, а вход - через теплообменник с выходом автономного компрессора.
Техническое решение позволяет повысить эффективность работы газотурбинной установки для получения электричества при эксплуатации ее в жаркий период за счет подвода холодного воздуха на вход установки. Однако оно не позволяет обеспечить инфраструктуру холодом и теплом.
Известна газотурбинная энергетическая установка (Положительное решение от 25.11.2008 г. по заявке №2007142364 от 19.11.2007 г.), которая содержит газотурбинный двигатель с входом, электрогенератор и устройство для подвода охлажденного воздуха в газотурбинный двигатель, включающее автономный воздушный компрессор с приводом, турбодетандер и теплообменник, где выход турбодетандера связан газодинамически с входом в газотурбинный двигатель, а вход - через теплообменник с выходом автономного компрессора. Устройство также снабжено дополнительным электрогенератором, механически связанным с турбодетандером, дополнительным теплообменником обратимого типа (камера - обогреваемое помещение или холодильная камера), соединенным входом с выходом турбодетандера, а выходом - с входом автономного компрессора отдельными магистралями с отсечными клапанами.
Техническое решение позволяет обеспечить потребителя электричеством, холодом и теплом. Недостатками этой установки является загрязнение окружающей среды вредными примесями выхлопных газов, а также потребность в топливе для функционирования установки.
Технической задачей заявляемого решения является экологически чистая выработка электроэнергии и холода, а также тепла в условиях отсутствия топлива и внешнего энергетического обеспечения.
Поставленная задача решается тем, что комбинированная система для получения электричества, холода и тепла содержит воздушную турбину, соединенную механически с электрогенератором, и воздушный компрессор с приводом.
В соответствии с полезной моделью система дополнительно включает эжектор с высоконапорным и низконапорным входами, накопительную емкость, ветродвигатель, энергоузел и потребитель электроэнергии. Привод выполнен в виде ветродвигателя и связан с воздушным компрессором через энергоузел. Воздушный компрессор входом соединен с атмосферой, а выходом - с накопительной емкостью. Высоконапорный вход эжектора подключен к накопительной емкости, а низконапорный вход - к выходу воздушной турбины. Электрогенератор соединен с потребителем электроэнергии.
Новым в полезной модели является то, что система дополнительно включает эжектор с высоконапорным и низконапорным входами, накопительную емкость, энергоузел и потребитель электроэнергии, при этом привод выполнен в виде ветродвигателя и связан с воздушным компрессором через энергоузел, воздушный компрессор входом соединен с атмосферой, а выходом - с накопительной емкостью, высоконапорный вход эжектора подключен к накопительной емкости, а низконапорный вход - к выходу воздушной турбины, кроме того, электрогенератор соединен с потребителем электроэнергии.
Использование эжектора с высоконапорным и низконапорным входами позволяет обеспечить выработку холодного воздуха воздушной турбиной.
Накопительная емкость является аккумулятором энергии ветродвигателя, она позволяет сглаживать неравномерности параметров поступающего в нее воздуха и соответственно уменьшать колебания параметров энергии, выдаваемой системой.
Использование энергоузла позволяет передавать мощность от ветродвигателя воздушному компрессору.
Использование потребителя электроэнергии позволяет передавать электрическую энергию потребителям, а также обеспечивать потребителей теплом.
Использование ветродвигателя позволяет создавать экологически чистую и дешевую энергию, необходимую для привода компрессора.
Развитие и уточнение приведенной выше совокупности существенных признаков дано далее.
Потребитель электроэнергии может включать распределитель, аккумулятор и электрообогреватель. При этом электрическая мощность от электрогенератора подается через распределитель во внешнюю сеть, аккумулятору или электрообогревателю, обеспечивая теплом потребителя.
Аккумулятор дает возможность накапливать электроэнергию в периоды неполного ее потребления.
Энергоузел может быть выполнен в виде валопровода, простейшим образом соединяющего механически ветродвигатель и воздушный компрессор.
Энергоузел может содержать электродвигатель и дополнительный электрогенератор, при этом электродвигатель механически связан с воздушным компрессором, а дополнительный электрогенератор - с ветродвигателем. Это позволяет оптимизировать частоты вращения валов воздушного компрессора и ветродвигателя, что обеспечивает сочетание минимального габарита и высокой эффективности агрегатов.
Настоящая полезная модель будет более понятна после рассмотрения последующего описания комбинированной системы для получения электричества, холода и тепла со ссылкой на прилагаемые схемы на фиг.1-3, где на фиг.1 изображена схема системы, на фиг.2 - схема потребителя электрической мощности, на фиг.3 - схема варианта энергоузла.
Комбинированная система для получения электричества, холода и тепла содержит (см. фиг.1) воздушную турбину 1, соединенную механически с электрогенератором 2, и воздушный компрессор 3 с приводом 4, выполненным в виде ветродвигателя. В соответствии с полезной моделью система дополнительно включает эжектор 5 с высоконапорным 6 и низконапорным 7 входами, накопительную емкость 8, энергоузел 9 и потребитель электроэнергии 10. Воздушный компрессор 3 входом соединен с атмосферой, а выходом - с накопительной емкостью 8 и через энергоузел 9 связан энергетически с ветродвигателем 4, а электрогенератор 2 связан с потребителем электроэнергии 10. Высоконапорный вход 6 эжектора 5 подключен к источнику 8 сжатого воздуха, а низконапорный вход 7 - к выходу воздушной турбины 1.
Потребитель электроэнергии 10 (фиг.2) может включать распределитель 11, аккумулятор 12 и электрообогреватель 13, при этом электрогенератор 2 электрически связан через распределитель 11 с аккумулятором 12, электрообогревателем 13 и внешней сетью.
Энергоузел 9 (фиг.3) может содержать электродвигатель 14 и дополнительный электрогенератор 15, при этом электродвигатель 14 механически связан с воздушным компрессором 3, а дополнительный электрогенератор 15 - с ветродвигателем 4.
Работа системы осуществляется следующим образом.
Воздух из накопительной емкости 8 (фиг.1) через высоконапорный вход 6 поступает в эжектор 5, где понижается его температура и давление, которое становится ниже атмосферного, что создает разряжение у низконапорного входа 7. Воздушная турбина 1, вход которой связан с атмосферой, а выход - с низконапорным входом 7 эжектора 5, вследствие образующегося перепада давлений начинает вращаться, отдавая образующуюся мощность электрогенератору 2.
Расход сжатого воздуха из накопительной емкости 8 компенсируется подачей сжатого воздуха в накопительную емкость 8 из воздушного компрессора 3, который через энергоузел 9 получает мощность от питаемого энергией ветра ветродвигателя 4.
В потребителе электроэнергии 10 (фиг.2) электрическая энергия из электрогенератора 2 поступает в распределитель 11, который направляет электрический ток во внешнюю сеть, в теплообогреватель 13 или аккумулятор 12.
В энергоузле 9 (фиг.3) механическая энергия ветродвигателя 4 передается дополнительному электрогенератору 15, вырабатываемая электроэнергия которого поступает к электродвигателю 14, мощность которого сообщается воздушному компрессору 3. При этом частоты вращения ветродвигателя и воздушной турбины могут быть разными.
В качестве примера рассмотрим результаты работы комбинированной системы для получения электричества, холода и тепла при следующих исходных данных:
1. Мощность воздушного компрессора - 8 кВт.
2. Давление воздуха за компрессором - 0.4 МПа.
3. Температура окружающей среды - 288К.
4. Коэффициент полезного действия компрессора - 0.8.
Результаты расчета показывают, что при заданных исходных данных в накопительную емкость 8, а через нее - на вход 6 эжектора (фиг.1) поступает сжатый до 0.4 МПа воздух с расходом 0.04 кг/с. При условии непрерывной работы компрессора 3 и при заданной температуре воздуха в накопительной емкости электрогенератором вырабатывается 1 кВт электричества, а из эжектора 5 выходит холодный воздух с холодопроизводительностью 1 кВт (по отношению к температуре окружающей среды). При этом скорость холодного воздуха на выходе из эжектора близка к 30 м/с, а расход этого воздуха равен 0.12 кг/с, так как турбина пропускает воздух из атмосферы с расходом 0.08 кг/с.
Очевидно, что получаемая электроэнергия может с помощью потребителя электроэнергии накапливаться в аккумуляторе 12, преобразовываться в тепло с помощью теплообогревателя 13 или поступать во внешнюю сеть.
Следует подчеркнуть, что наличие накопительной емкости позволяет аккумулировать ветроэнергию и использовать сжатый воздух по назначению вне зависимости от наличия или отсутствия ветра, что трудно обеспечить при выработке ветродвигателем с генератором электроэнергии.
В итоге работы комбинированной системы можно при заданных параметрах воздушного компрессора 3 получать 1 кВт электричества и 1 кВт холодного воздуха, причем при необходимости 1 кВт электричества можно преобразовать в 1 кВт тепла.
Таким образом, с помощью предлагаемой комбинированной системы можно абсолютно автономно и экологически чисто получать без использования топлива три потока энергии: электричество, холод и тепло.
Система представляет интерес для геологов, военных, различных отдаленных регионов с высоким уровнем ветропотенциала.