Устройство для хранения и генерации низкоуглеродной электроэнергии

Настоящая полезная модель относится к области энергетики, а именно к вспомогательному оборудованию различных электростанций для накопления энергии.
В частности настоящая полезная модель может быть использована в качестве блочной установки для хранения электроэнергии вырабатываемой ветряной электростанцией.
В настоящее время климатическая повестка становится значимым фактором изменений в мировой экономике и энергетике. В качестве одной из приоритетных целей мировой экономики рассматриваются замедление процесса глобального потепления, а также развитие отраслей экономики при низком уровне выбросов парниковых газов (низкоуглеродная экономика). Российская Федерация присоединилась к Парижскому соглашению по климату, чем поддержала международные усилия по противодействию изменению климата, охране окружающей среды и рациональному природопользованию. Для достижения целей Парижского соглашения по климату Российская Федерация осуществляет государственную политику в области климата, направленную на сокращение и предотвращение антропогенных выбросов парниковых газов, в том числе за счет расширения сфер применения энергоносителей с низким углеродным следом и внедрения наилучших доступных технологий.
Поэтому вопросы поиска и перехода на альтернативные экологически чистые возобновляемые и низкоуглеродные источники энергоресурсов в РФ являются актуальными.
Спецификой стабильного энергоснабжения и одним из вариантов эффективной работы энергосетей является использование газотурбинных электростанций с аккумулированием сжатого воздуха. Установки по сохранению энергии сжатого воздуха в различных вариантах широко используются за границей (compressed-air energy storage - CAES). Такие установки аккумулируют энергию в виде давления воздуха, а затем используют такую энергию для выработки энергии в будущем. В сущности, цикл CAES представляет собой вариацию стандартного цикла выработки энергии газовой турбиной. В стандартном цикле выработки электроэнергии газовой электростанцией турбина физически соединена с воздушным компрессором. Таким образом, когда газ в турбине сгорает, примерно две трети энергии турбины возвращается в сжатие воздуха. При использовании установки CAES цикл сжатия протекает отдельно от циклов сжигания и выработки. Энергия, получаемая в непиковые периоды, или избыточная электроэнергия используется для предварительного сжатия воздуха, который храниться в подземной полости, как правило, в соляной полости. Когда установка CAES преобразует энергию, сжатый воздух из подземной полости отбирается и нагревается регенератором, а затем смешивается с топливом (природным газом) и расширяется в турбине для выработки энергии. Поскольку мощности турбины для приведения в действие воздушного компрессора более не требуется, турбина того же размера может вырабатывать в три раза больше энергии, используя меньше топлива на каждый генерируемый МВт (Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ) / Г.Г. Ольховский, В.А. Казарян, А.Я. Столяревский. - Москва: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина; Ижевск: Ин-т компьютерных исслед., 2011. Серия «Современные нефтегазовые технологии»; ISBN 978-5-4344-0001-5, стр. 63-70).
2
Недостатком воздушно-аккумулирующих газотурбинных электростанций является необходимость привязки станций к природным пустотам, в которых можно разместить емкость с воздухом, при этом при работе установки все равно сжигается углеводородное топливо и выделяется CO, что не является низкоуглеродным источником энергии.
Известна энергоаккумулирующая установка, содержащая турбину, приемник рабочего тела, подключенный к выходу турбины, компрессор и охлаждающий теплообменник, соединенный с аккумулятором сжиженного рабочего тела, к которому подключен основной нагнетатель, установленный перед нагревающим теплообменником, включенным перед турбиной, при этом компрессор соединен с приемником рабочего тела, выполненным в виде емкости, заполненной сорбентом рабочего тела, в которой размещен встроенный теплообменник, включенный между основным нагнетателем и нагревающим теплообменником. В качестве сорбента может быть выбрано любое вещество из ряда активированный уголь, цеолит, вода, спирт, ацетон, галогениды щелочных или щелочноземельных металлов, этаноламин, щелочи, нитраты или сочетание перечисленных материалов. В качестве рабочего тела может быть выбрано вещество с более низкой, чем у сорбента, точкой кипения из ряда углеводороды, вода, спирты, эфиры, фторхлоруглероды, перфторуглероды, аммиак, диоксид углерода или смесь перечисленных материалов (патент РФ №2273742, МПК F01K 25/06, публ. 2006 г.).
Недостатком известной энергоаккумулирующей установки является ее сложность и большие габаритные размеры, причем используемые рабочие тела не являются экологически чистыми и низкоуглеродными источниками энергии. Наличие адсорбента в приемнике рабочего тела увеличивает емкость, но при этом замедляется скорость выхода рабочего тела, что снижает удобство эксплуатации при резких перепадах потребляемой электрической мощности.
Известна воздушно-аккумулирующая электростанция, состоящая из компрессора с электрическим двигателем, подземного хранилища сжатого воздуха, воздушной турбины с электрическим генератором и магистралей сжатого воздуха, при этом электростанция снабжена тепловым аккумулятором, соединенным посредством магистралей сжатого воздуха с выходом из компрессора и входом в турбину. Воздушно-аккумулирующая электростанция может иметь камеру сгорания для обеспечения передачи дополнительной энергии сжатому воздуху путем сжигания топлива перед подачей на воздушную турбину (заявка на изобретение РФ №2014154152, МПК F02C 6/14, публ. 2016 г.).
Недостатком известной воздушно-аккумулирующей электростанции является то, что станция должна быть размещена вблизи подходящих природных пустот, при этом есть сложности, связанные с обустройством подземного хранилища, строительством и эксплуатацией подземного хранилища сжатого воздуха. Недостатком является необходимость сжигания топлива, при котором выделяется большое количество углекислого газа, что негативно влияет на углеродный след.
Известен способ генерации электроэнергии на основе накопления энергии, использующий природную энергию, при этом используют электростанцию, работающую на природной энергии, для генерации электроэнергии и приводят в действие устройство сжатия воздуха, а затем используют устройство сжатия воздуха для получения сжатого воздуха в качестве аккумулирующей энергию среды с последующим хранением сжатого воздуха в устройстве для хранения воздуха, причем сжатый воздух полагают основным источником движущей силы или вспомогательным источником движущей силы для других электростанций.
Известна также система генерации электроэнергии на основе накопления и хранения энергии, использующая природную энергию, содержащая использующую природную энергию электростанцию на основе накопления энергии, при этом указанная электростанция, использующая природную энергию на основе накопления энергии, содержит устройство сжатия воздуха для образования сжатого воздуха в качестве аккумулирующей энергию среды, причем устройство сжатия воздуха присоединено к устройству для хранения воздуха, используемому для хранения сжатого воздуха, а указанное устройство для хранения воздуха дополнительно присоединено к другим электростанциям для подачи энергии с целью стабильной генерации электроэнергии и регулировки компенсации пиковой нагрузки (патент РФ №2583168, МПК F03D 9/00, публ. 2016 г.).
Известная система работает следующим образом.
Используют природную энергию для генерации электроэнергии, при этом используют электростанцию, работающую на природной энергии, для генерации электроэнергии и приводят в действие устройство сжатия воздуха, а затем используют устройство сжатия воздуха для получения сжатого воздуха в качестве аккумулирующей энергию среды с последующим хранением сжатого воздуха в устройстве для хранения воздуха, причем затем сжатый воздух полагают основным источником движущей силы или вспомогательным источником движущей силы для других электростанций.
По сути, в известном техническом решении электроэнергия, вырабатываемая на природных электростанциях, таких как гидроэлектростанция, ветроэлектростанция, солнечная электростанция, электростанция, использующая энергию приливов и отливов, и прочие, используется для работы компрессора, который сжимает воздух до давления 120-180 атмосфер и закачивает его в резервуары для хранения воздуха. По мере необходимости, эти резервуары подключаются с помощью трубопроводов к стоящей вертикально воздуховодной шахте, в суженной части которой стоит турбина ветрогенератора, вырабатывающая электроэнергию в сеть потребителям. Перед поступлением в воздуховодную шахту воздух предварительно нагревается.
Недостатком известной системы генерации электроэнергии, является недостаточная эффективность, вызванная тем, что воздушный поток, поступая из резервуара в вертикально стоящую воздуховодную шахту, тратит значительную часть своей кинетической энергии на совершение работы по подъему собственного веса на высоту воздуховодной шахты, а не на вращение турбины ветрогенератора. Это приводит к уменьшению КПД установки. Кроме того, использование ветрогенератора в качестве генерирующей электростанции приводит к большому расходу воздуха из пневмоаккумуляторов. При этом для хранения воздуха применяется недостаточно высокое давление 12-18 МПа (120-180 атмосфер, что в 2,5 раза ниже максимального промышленного давления сжатого воздуха, применяемого в промышленности (40 МПа). Поэтому построение системы хранения энергии большой емкости, которая могла бы генерировать энергию на протяжении нескольких часов, требует наличия большого количества резервуаров для хранения сжатого воздуха. Это приводит к увеличению габаритных размеров и стоимости системы хранения энергии.
Техническая задача, решаемая использованием настоящей полезной модели, состоит в уменьшении стоимости хранения энергии, увеличении КПД и мощности генератора, использующего в своей работе накопители сжатого воздуха.
Решение поставленной технической задачи обеспечивается предлагаемой блочной конструкцией устройства для хранения и генерации электроэнергии.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Устройство для хранения и генерации низкоуглеродной электроэнергии включает закрепленные в едином контейнере средство для получение воздуха высокого давления, средство для хранения воздуха и средство для генерации электрической энергии, а также запорно-регулирующую и предохранительную трубопроводную арматуру, соединительные трубопроводы и блок управления, при этом в качестве средства для получения воздуха высокого давления используется поршневой многоступенчатый воздушный компрессор с рабочим давлением до 40 МПа с электрическим двигателем и блоком осушки сжатого воздуха, в качестве средства для хранения воздуха используются баллоны высокого давления с рабочим давлением до 40 МПа, а в качестве средства для генерации электроэнергии используется работающий на воздухе высокого давления поршневой детандер с электрогенератором.
Блок управления устройства выполнен с возможностью автоматизированного управления; алгоритмами запуска, заправки, хранения, генерации энергии, регулирования, а также аварийного удаленного мониторинга.
На фиг. 1 показана схема устройства для хранения и генерации низкоуглеродной электроэнергии; на фиг. 2 - показано устройство для хранения и генерации низкоуглеродной электроэнергии в контейнере, вид сверху.
Устройство для хранения и генерации низкоуглеродной электроэнергии (фиг. 1, 2) включает блок-контейнер 1, внутри которого закреплены компрессор 2 с электроприводом 3.
Контейнер 1 представляет собой металлическую сварную конструкцию, имеет несущее основание, устанавливаемое на площадку, каркас, крышку (на фиг. 2 условно не показана) и теплоизолированные стенки. В стенках контейнера предусмотрен кабельный ввод 4 (проход для питающего кабеля) для подачи энергии, кабельный ввод 5 (проход для отводящего кабеля) для выхода энергии, отверстие для входа атмосферного воздуха 6, отверстие для выхода воздуха 7. Контейнер имеет закладные приварные элементы для возможности крепления элементов устройства внутри контейнера крепежными деталями.
Компрессор 2 представляет собой многоступенчатый поршневой компрессор (предпочтительно 4-6 ступеней) для получения воздуха высокого давления с воздушным охлаждением. В качестве привода компрессора применяется (предпочтительно) асинхронный трехфазный электродвигатель 3, промышленной частоты 380 В 50 Гц, механически соединенный с компрессором через муфту. В конструкции компрессора также предусмотрены элементы для охлаждения и смазки (не показаны).
В контейнере установлен и закреплен блок осушки и очистки сжатого воздуха 8, который соединен металлическими трубопроводами с компрессором 2 на входе и с невозвратным клапаном 9 на выходе.
Блок осушки и очистки сжатого воздуха 8 представляет собой адсорбционный блок осушки (предпочтительно два попеременно работающих адсорбера) для получения воздуха с низким влагосодержанием (точка росы не выше минус 40°С) для гарантированного исключения выпадения влаги в трубопроводах. В конструкции блока осушки также предусмотрены элементы для очистки воздуха, продувки и переключения адсорберов (не показаны).
Невозвратный клапан 9 установлен и закреплен на трубопроводе высокого давления между блоком осушки и средством для хранения воздуха для предотвращения возможности утечки воздуха высокого давления обратно в компрессор при выключении компрессора.
В качестве средства для хранения воздуха преимущественно используются металлокомпозитные баллоны 11 с рабочим давлением до 40 МПа, которые закреплены в контейнере и соединены металлическими трубопроводами с входным и выходным коллекторами 10 и 15 соответственно. Баллоны могут иметь объем от 1 до 500 литров, количество баллонов от 1 до необходимого количества, в зависимости от мощности установки. На общем входном коллекторе 10 установлены манометр 12 для визуального контроля давления, предохранительный сбросной клапан 13 для сброса избыточного (выше рабочего) давления из баллонов, датчик давления 14 для дистанционного контроля давления.
На выходе воздуха из коллектора 15 закреплен и подключен металлическими трубопроводами регулирующий клапан 16 для обеспечения возможности снижения и поддержания требуемого постоянного давления воздуха (например, на уровне 15-25 МПа), подаваемого в средство для генерации энергии. Для контроля давления перед блоком генерации энергии установлен и закреплен датчик давления 17.
В качестве средства для генерации электроэнергии используется детандер 18, механически соединенный с генератором переменного тока 19. Детандер 18 - поршневого типа, с частотой вращения коленчатого вала до 1500 об/мин, работает (преимущественно) без смазки цилиндров маслом. Отсутствие масла в цилиндре исключает загрязнение воздуха маслом, и, следовательно, исключает загрязнение окружающей среды маслом при выходе воздуха из устройства. Детандер 18 конструктивно выполнен с возможностью вращения. Детандер 18 обеспечивает работу при высоком давлении (выше 15 МПа) и высоком перепаде давления (более 15 МПа). В конструкции детандера 18 также предусмотрены элементы для подогрева и смазки (не показаны). Непосредственно для выработки электроэнергии используется генератор 19, механически подключенный к детандеру через муфту. Генератор 19 при вращении вала с частотой от 500 до 1500 об/мин обеспечивает выработку электроэнергии напряжением 380 В промышленной частоты 50 Гц. Из генератора 19 по отводящему кабелю через кабельный ввод 5 в контейнере предусмотрен выход электроэнергии из устройства.
Для возможности автоматизированного управления алгоритмами запуска, заправки, хранения, генерации энергии, регулирования, а также аварийной работы и удаленного мониторинга в контейнере 1 закреплен блок управления 20, соединенный электрически с электроприводом 3, датчиками давления 14 и 17, регулирующим клапаном 16, а также генератором 19. Блок управления 20 содержит контроллер и вспомогательные элементы для обеспечения контроля за параметрами устройства, поддержания температуры и освещения, аварийной сигнализации, удаленного доступа, связи, резервного питания (не показаны).
Устройство для хранения и генерации низкоуглеродной электроэнергии работает следующим образом.
При эксплуатации электростанций, работающих на возобновляемых низкоуглеродных источниках энергии, таких как: солнечный свет, водные потоки, ветер, приливы и геотермальная теплота, в связи с неравномерностью выработки и потребления энергии периодически необходимо хранить избыточную энергию. Для этого на станции на подходящей площадке размещается контейнер 1 с оборудованием для хранения и генерации электроэнергии.
При наличии избыточной энергии от электростанции по электрическому кабелю, через вводный кабельный ввод 4, подается электрический ток, имеющий, например, промышленное напряжение 380 В 50 Гц. Питание поступает на электродвигатель 3 компрессора 2. Асинхронный электродвигатель, на который поступило питание, начинает вращаться и приводить в движение коленчатый вал поршневого компрессора. При вращении коленчатый вал компрессора приводит в движение шатуны и поршни, которые последовательно в нескольких ступенях сжимают воздух, поступающий из атмосферы через специальное отверстие 6 в контейнере.
Воздух в компрессоре сжимается до максимального давления до 40 МПа. Атмосферный воздух содержит естественную влагу, которая при сжатии может сконденсироваться в баллонах сжатого воздуха при снижении температуры и при длительном хранении. Для предотвращения попадания воды в сжатый воздух производится подготовка воздуха в блоке осушки и очистки сжатого воздуха 8.
В блоке осушки 8 воздух предварительно в фильтрах очищается от масла и механических частиц, а затем посредством адсорбента, размещенного в адсорбере, воздух осушается, как правило, предусматривается два адсорбера для обеспечения регенерации и непрерывной осушки воздуха.
Далее воздух через невозвратный клапан 9, предназначенный для исключения обратного потока при выключении компрессора, поступает в коллектор 10 и баллоны 11, где храниться при давлении до 40 МПа. При хранении воздуха в баллонах 11 контролируется датчиком 14 давление воздуха и передается в блок управления 20. Местный контроль может осуществляться обслуживающим персоналом по манометру 12. При нештатном повышении давления в баллонах 11 (например, при повышении температуры баллонов) по показаниям датчика 14 блок управления выключает электродвигатель 3 компрессора 2, если рост давления не прекращается, происходит срабатывание предохранительного клапана 13, он открывается и сбрасывает часть воздуха в атмосферу.
Для получения электроэнергии от блока управления 20 подается сигнал на открытие регулирующего клапана 16, который плавно по показаниям датчика давления 17 подает воздух из коллектора 15, давлением 15-20 МПа на поршневой детандер 18, в котором поршень под действием давления в цилиндре начинает толкать через шатун коленчатый вал и вращать коленчатый вал до частоты вращения 1500 об/мин, который приводит во вращение генератор 19, который через кабель подает электроэнергию потребителю.
Блок управления 20 позволяет потребителю дистанционно без присутствия обслуживающего персонала контролировать все параметры устройства, по датчику давления 14 может определять и передавать потребителю значение текущего запаса энергии, при выходе оборудования из строя обеспечивает безопасный вывод из работы, остановку и аварийную сигнализацию.
Техническая задача, решаемая использованием настоящей полезной модели, состоит в уменьшении стоимости хранения энергии, увеличении КПД и мощности генератора, использующего в своей работе накопители сжатого воздуха.
Устройство для хранения и генерации низкоуглеродной электроэнергии, учитывая отсутствие в составе узлов и элементов, выделяющих углекислый газ, позволяет обеспечить надежное, долговременное, компактное, удобное в эксплуатации, дешевое хранение и генерацию электрической энергии без загрязнения окружающей среды.