УНИВЕРСАЛЬНАЯ КОМПЛЕКСНАЯ ЭНЕРГОСИСТЕМА
ALL-PURPOSE COMPLEX POWER SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к автономным энергетическим устройствам и предназначено для стабильного обеспечения потребителей электричеством, холодом и теплом гарантированного уровня заданных технических показателей в широком температурном диапазоне атмосферного воздуха в полевых условиях при наличии заметного ветропотенциала.
Известна газотурбинная энергетическая установка (Патент РФ №2354838 от 19.11.2007 г.), содержащая газотурбинный двигатель с входом, механически сопряженный с ним электрогенератор и устройство для подвода охлажденного воздуха на вход 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.
Техническое решение позволяет повысить эффективность работы газотурбинной установки для получения электричества при эксплуатации ее в жаркий период года за счет подвода холодного воздуха на вход установки. Однако оно не позволяет обеспечить инфраструктуру холодом и теплом.
Известна «Комбинированная система для получения электричества, холода и тепла» (Патент РФ на полезную модель №90543 от 17.04.2009 г.), содержащая соединенную входом с атмосферой воздушную турбину с электрогенератором, на выходе которой установлен эжектор, вход которого газодинамически соединен с выходом накопителя воздуха, вход которого газодинамически соединен с выходом воздушного компрессора, приводом которого является ветродвигатель, технически связанный через энергоузел с воздушным компрессором, входом связанным с атмосферой.
Недостатком технического решения, выбранного в качестве аналога, является низкий уровень совместного к.п.д. эжектора и турбины, а также невозможность прямого получения тепла.
Наиболее близким к заявленной энергосистеме является «Ветроагрегатная система для получения электричества, холода и тепла» (Патент РФ на полезную модель №91743 от 25.11.2009 г.), выбранная в качестве прототипа. Система содержит турбину с электрогенератором, компрессор с ветродвигателем, накопитель воздуха, теплообменник с горячим и холодным контурами теплоносителей, энергоузел, потребитель тепла, потребитель холода, потребитель электроэнергии и регулировочный кран. При этом накопитель воздуха выполнен в виде гибкой оболочки. Привод выполнен в виде ветродвигателя и связан с компрессором через энергоузел. Компрессор газодинамически входом соединен с атмосферой, а выходом - через горячий контур теплообменника с входом накопителя воздуха. Турбина газодинамически входом соединена через регулировочный кран с выходом накопителя воздуха, а выходом - с входом потребителя холода. Холодный контур теплообменника подключен к потребителю тепла. Электрогенератор соединен с потребителем электроэнергии.
Техническое решение позволяет автономно обеспечить потребителя электричеством, холодом и теплом без затрат топлива. Однако непостоянство ветропотенциала по времени и ограниченность запасов сжатого воздуха в накопителе могу ограничивать время обеспечения подачи энергии в заданном количестве.
Технической задачей заявляемого решения является стабильное и эффективное обеспечение потребителей достаточным количеством электроэнергии, холодом и теплом при пониженном уровне ветропотенциала с дополнительным повышением потребительских свойств энергосистемы.
Поставленная задача решается тем, что универсальная комплексная энергосистема для получения электричества, холода и тепла, содержит ветродвигатель, агрегатированный с приводимым им через энергоузел компрессором, накопитель воздуха, теплообменник с горячим и холодным контурами, потребитель теплого воздуха, турбодетандер, агрегатированный с приводимым им электрогенератором и потребитель холодного воздуха. Где компрессор соединен газодинамически входом с атмосферой, а выходом - через горячий контур теплообменника с входом накопителя воздуха. Турбодетандер соединен газодинамически входом через запорный орган с выходом накопителя воздуха, а выходом с входом потребителя холодного воздуха. Вход и выход холодного контура теплообменника соединены между собой через потребитель теплого воздуха.
Согласно изобретению, энергосистема включает источник природного газа повышенного давления, потребитель природного газа, дополнительный компрессор с приводом и дополнительный турбодетандер с потребителем мощности. Где последний заключен в капсулу. Причем дополнительный компрессор газодинамически входом соединен с атмосферой, а выходом - через запорный орган с входом накопителя воздуха. Притом дополнительный турбодетандер газодинамически входом через запорные органы соединен с емкостью природного газа и с выходом накопителя воздуха, а выходом - через запорные органы с потребителем природного газа и со входом потребителя холодного воздуха.
При такой схеме энергосистемы:
- включение в энергосистему источника природного газа повышенного давления и потребителя природного газа обеспечивает расширение потребительского качества энергосистемы при эффективном использовании природного газа в качестве энергоносителя;
- наличие в энергосистеме дополнительного компрессора с приводом, где компрессор газодинамически соединен входом с атмосферой, а выходом - через обратный клапан с входом накопителя воздуха обеспечивает наполнение накопителя воздухом в отсутствии должного ветропотенциала и запуск энергосистемы;
- наличие в энергосистеме дополнительного турбодетандера с потребителем мощности обеспечивает повышение потребительского качества энергосистемы за счет использования кроме электрогенератора других потребителей мощности;
- заключение турбодетандера с потребителем мощности в капсулу снижает уровень шума генерируемого турбодетандером и способствует охлаждению потребителя мощности, повышая его к.п.д.;
- соединение дополнительного турбодетандера газодинамически входом через запорные органы с емкостью природного газа и выходом накопителя воздуха, а выходом - через запорные органы с потребителем природного газа и входом потребителя холодного воздуха позволяет вырабатывать необходимый вид мощность для потребителя и обеспечивать потребителя холода дополнительным расходом холодного воздуха, а также обеспечивает потребитель возможностями дополнительного тепла и электроэнергии при использовании природного газа при его сжигании в генерирующем энергооборудовании.
Существенные признаки изобретения могут иметь дополнение и развитие:
- энергосистема может включать потребитель смеси природного газа с воздухом и эжектор, содержащий эжектирующее и эжектируемые сопла. Тогда дополнительный турбодетандер должен быть газодинамически соединен входом через запорный орган с атмосферой, а выходом - перед запорными органами потребителя природного газа и потребителя холодного воздуха через эжектируемое сопло эжектора и запорный орган с входом потребителя газовоздушной смеси. Причем эжектирующее сопло эжектора должно быть газодинамически соединено через запорный орган с источником природного газа повышенного давления. Это обеспечивает;
- турбодетандер, агрегатированный с электрогенератором, может быть заключен в дополнительную капсулу. Это позволяет снизить уровень шума генерируемого турбодетандером и способствует охлаждению электрогенератора, повышая его кпд;
- накопитель воздуха может быть выполнен в виде гибкой оболочки. Это обеспечивает размещение накопителя в любых заданных габаритах;
- гибкая оболочка может быть расположена внутри ограничивающей несущей конструкции. Это обеспечивает повышение прочности гибкой оболочки и ее ресурса;
- ограничивающая несущая конструкция может быть выполнена в виде сетчатой оболочки. Это снижает габариты и стоимость конструкции;
- накопитель воздуха может быть выполнен в виде естественной или искусственной полости в земле. Это снижает наружные габариты энергосистемы и повышает ресурс работы накопителя воздуха;
- привод дополнительного компрессора может быть выполнен в виде электродвигателя. Это позволяет при работе только ночью, за счет разности тарифов в оплате электроэнергии, повысить прибыльность использования энергосистемы;
- привод дополнительного компрессора может быть выполнен в виде поршневого двигателя внутреннего сгорания или газотурбинного двигателя. Это обеспечивает энергосистеме автономность и независимость от других источников электроэнергии;
- потребитель мощности дополнительного турбодетандера может быть выполнен в виде насоса, гидродинамически по входу, связанному с источником воды, а по выходу - с потребителем воды повышенного давления. Это позволяет повысить потребительское качество системы;
- потребитель мощности дополнительного турбодетандера может быть выполнен в виде дополнительного электрогенератора. Это позволяет при работе только днем повысить прибыльность использования энергосистемы за счет разности дневных и ночных тарифов в оплате электроэнергии;
- накопитель воздуха может быть расположен в водоеме под уровнем воды. Это снижает габариты энергосистемы и повышает надежность ее работы за счет исключения неблагоприятного внешнего воздействия на энергосистему пожаров, ураганов и других стихийных бедствий.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи. Достигается стабильное и эффективное обеспечение потребителей достаточным количеством электроэнергии, холодом и теплом при пониженном уровне ветропотенциала с дополнительным повышением потребительских свойств энергосистемы.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции энергосистемы и ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1-2, где:
на фиг.1 изображена общая схема универсальной комплексной энергосистемы;
на фиг.2 - развитие общей схемы энергосистемы.
Универсальная комплексная энергосистема для получения электричества, холода и тепла содержит (см. фиг.1) ветродвигатель 1, агрегатированный с приводимым им через энергоузел 2 компрессором 3, накопитель 4 воздуха, теплообменник 5 с горячим 6 и холодным 7 контурами, потребитель 8 теплого воздуха, турбодетандер 9, агрегатированный с приводимым им электрогенератором 10 и потребитель 11 холодного воздуха. Энергоузел 2 может быть выполнен в виде мультипликатора или электропреобразователя (не показано). Где компрессор 3 соединен газодинамически входом с атмосферой, а выходом - через горячий контур 6 теплообменника 5 с входом накопителя 4 воздуха. Турбодетандер 9 соединен газодинамически входом через запорный орган 12 с выходом накопителя 4 воздуха, а выходом с входом потребителя 11 холодного воздуха. Вход и выход холодного 7 контура теплообменника 5 соединены между собой через потребитель 8 теплого воздуха. Энергосистема включает источник 13 природного газа повышенного давления, потребитель 14 природного газа, дополнительный компрессор 15 с приводом 16 и дополнительный турбодетандер 17 с потребителем мощности 18. Где турбодетандер 17 и потребитель мощности 18 заключены в капсулу 19. Причем дополнительный компрессор 15 газодинамически входом соединен с атмосферой, а выходом - через обратный клапан 20 с входом накопителя 4 воздуха. Притом дополнительный турбодетандер 17 газодинамически входом через запорные органы 21 и 22 соединен с источником 13 природного газа и выходом накопителя 4 воздуха, а выходом - через запорные органы 23 и 24 с потребителем 14 природного газа и входом потребителя 11 холодного воздуха.
Энергосистема (см. фиг.2) может включать потребитель 25 смеси природного газа с воздухом и эжектор 26, содержащий эжектирующее и эжектируемые сопла (не показано). Где дополнительный турбодетандер 17 газодинамически соединен входом через запорный орган 27 с атмосферой, а выходом - перед запорными органами 23 и 24 потребителя 14 природного газа и потребителя 11 холодного воздуха через запорный орган 28 и эжектируемое сопло эжектора 26 с входом потребителя 25 смеси природного газа и воздуха. Причем эжектирующее сопло эжектора 26 газодинамически соединено через запорный орган 29 с источником 13 природного газа повышенного давления.
Турбодетандер 9, агрегатированный с электрогенератором 10, также может быть заключен в дополнительную капсулу 30.
Накопитель 4 воздуха может быть выполнен в виде гибкой оболочки. Гибкая оболочка накопителя 4 может быть расположена внутри ограничивающей несущей конструкции (не показано), например, в виде сетчатой оболочки.
Накопитель 4 воздуха может быть выполнен в виде естественной или искусственной полости в земле (не показано).
Привод 16 дополнительного компрессора 15 может быть выполнен в виде электродвигателя, поршневого двигателя внутреннего сгорания или газотурбинного двигателя.
Потребитель мощности 18 дополнительного турбодетандера 17 может быть выполнен в виде насоса, гидродинамически по входу, связанному с источником воды, а по выходу - с потребителем воды повышенного давления или в виде дополнительного электрогенератора.
Накопитель 4 воздуха может быть расположен в водоеме под уровнем воды (не показано).
Работа универсальной комплексной энергосистемы в основной комплектации (см. фиг.1) осуществляется следующим образом.
Воздух из атмосферы (при работе ветродвигателя 1 вместе с энергоузлом 2) поступает в компрессор 3, где повышаются его температура и давление. Далее воздух проходит через горячий контур 6 теплообменника 5, где в холодном контуре 7 отдает тепло хладагенту, идущему к потребителю тепла 8, и охлажденный поступает в накопитель воздуха 4. В накопителе воздуха 4 воздух дополнительно охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и, выходя из него, через запорный орган 12 поступает в турбодетандер 9. В турбодетандере 9 воздух расширяется, его давление понижается практически до давления окружающей среды, а температура - до величины, существенно меньшей температуры окружающей среды. Перепад давления воздуха в турбодетандере 9 создает крутящий момент на его валу. Он начинает вращаться и образующаяся мощность передается механически связанному с ним электрогенератору 10. Из турбодетандера 9 холодный воздух поступает к потребителю холодного воздуха 11. Сжатый воздух из накопителя 4 через запорный орган 22 может поступать в дополнительный турбодетандер 17, который генерируемую мощность передает потребителю 18, а получаемый холодный воздух из дополнительного турбодетандера 17 поступает через запорный орган 24 к потребителю 11 холодного воздуха при закрытых запорных органах 21 и 23.
При необходимости увеличения генерируемой энергии при недостаточном запасе сжатого воздуха в накопителе 4 производится закрытие запорных органов 22 и 24 с подключением энергосистемы к источнику 13 природного газа за счет открытия запорных органов 21 и 23. В этом варианте работы энергосистемы природный газ повышенного давления поступает в дополнительный турбодетандер 17 с обеспечением выработки им мощности для потребителя 18, а далее природный газ пониженного давления поступает в потребитель 14 природного газа. Размещение при этом дополнительного турбодетандера 17 с потребителем 18 мощности в капсуле дополнительно расширяет потребительское качество энергосистемы, повышая ее надежность за счет исключения возможности попадания природного газа в окружающую среду. В качестве потребителя 14 природного газа может быть различное энергогенерирующее оборудование по производству электричества, холода и тепла.
Одновременно с компрессором 3 в накопитель 4 поступает воздух от дополнительного компрессора 15, приводимого в работу приводом 16.
При использовании в качестве потребителя мощности 18 водяного насоса повышается потребительское качество энергосистемы за счет обеспечения потребителя (не показано) водой повышенного давления, создаваемого водяным насосом.
Важное значение приобретает использование в качестве привода 16 электродвигателя, который может за счет разности тарифов ночного и дневного электричества, работая только ночью, создавать дополнительную прибыль пользователям комплексной энергосистемы, что будет рассмотрено в прилагаемом далее примере расчета.
Важное значение в уменьшении стоимости получаемой энергии, а также для обеспечения автономности энергосистемы, может играть использование в качестве привода 16 дополнительного компрессора 15 поршневого двигателя или газотурбинного двигателя. Это может иметь большое значение в тех случаях, когда недостаточен ветропотенциал при отсутствии посторонних источников электроэнергии. Привод 16 в виде поршневого двигателя, приводящего в работу дополнительный компрессор 15 с питанием от источника топлива может способствовать первоначальной закачке накопителя 4 сжатым воздухом.
к
к
т
т
В качестве примера расчета рассмотрим вполне реальные условия работы дополнительного компрессора 15 с приводом от электродвигателя мощностью 6 кВт, расходом воздуха G=0,06 кг/с и степенью повышения давления π=2,0 при мощности дополнительного турбодетандера до 12 кВт при расходе воздуха G=1,0 кг/с и степени понижения давления π=1,4.
При заданных условиях при работе дополнительного компрессора в течение 6 часов ночью будет израсходовано 36 кВт-часов электрической энергии с ее оплатой в 36 рублей (1 рубль за 1 кВт-час). При этом накоплено сжатого воздуха в количестве 1296 кг. Этот воздух при полном срабатывании (с учетом первоначально имеющегося запаса сжатого воздуха в накопителе 4) в дополнительном турбодетандере 14 сможет сгенерировать 4,3 кВт-час электроэнергии и такое же количество холода, что/равносильно как бы затрате 8,6 кВт-час электроэнергии, т.к. при генерации 1 кВт холодного воздуха в турбохолодильной машине затрачивается мощность в 2 кВт. Таким образом, будет условно полезно произведено в дополнительном турбодетандере энергии в 12,9 кВт-час (4,3+8,6). С учетом дневного тарифа в 4 руб. за 1 кВт-час стоимость 12,9 кВт-час составит 51,6 руб. Отсюда следует, что в идеальной постановке положительная разница в оплате стоимости электроэнергии составит при реализации настоящего изобретения 15,6 рублей (51,6-36) в сутки. При допущении об использовании только 80% полученного запаса сжатого воздуха эта разница составит чуть более 4 рублей.
В отдельных случаях, когда требуется снижение в 2,0-3,0 раза подачи природного газа к энергогенерирующему оборудованию без заметного снижения эффективности работы энергосистемы, целесообразно использовать ее в комплектации, представленной на фиг.2.
Работа универсальной комплексной энергосистемы в модернизированной комплектации (см. фиг.2) осуществляется следующим образом.
При закрытых запорных органах 21, 22, 23 и 24 и открытых запорных органах 27, 28 и 29 природный газ повышенного давления из источника 13 поступает в эжектор 26, снижая давление в эжектирующем сопле, которое связано с выходом дополнительного турбодетандера 17, вход которого через открытый запорный орган 27 связан с атмосферой. В результате понижения давления на выходе турбодетандера 17 в него поступает воздух из атмосферы, генерируя мощность, передаваемую потребителю 18. Воздух после турбодетандера 17 поступает в эжектируемое сопло эжектора 26 смешиваясь с природным газом, поступающим через эжектирующее сопло в эжектор 26, с поступлением смеси природного газа с воздухом в потребитель 25.
Таким образом, реализация представленного технического решения позволит решить поставленную задачу стабильного и эффективного обеспечения потребителей требуемым количеством электроэнергии, холода и тепла при пониженном уровне ветропотенциала с дополнительным повышением потребительских качеств.
Предлагаемая энергосистема может найти применение в местах и с повышенным уровнем ветропотенциала, а также в отдаленных районах при отсутствии источников электроэнергии, позволяя при высоких экологических показателях получать в требуемых количествах различные виды энергии: электричество, холод и тепло.