Микротеплоэлектроцентраль, работающая на возобновляемых источниках энергии
MICRO-COGENERATION UNIT OPERATING ON RENEWABLE ENERGY SOURCES

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах автономного комплексного энергоснабжения небольших объектов, главным образом, от возобновляемых источников энергии.
Микро-ТЭЦ, в настоящее время, как информирует Интернет, уже имеют тысячи пользователей. В выпускаемых и проектируемых конструкциях реализуются различные технические решения - от традиционного двигателя внутреннего сгорания (двигатель Отто), до паровых турбин и поршневых двигателей, а также двигателя Стирлинга. Осваивая производство данного оборудования, производители приводят аргументы как экономического, так и экологического характера: высокий (более 90%) совокупный КПД микро-ТЭЦ обеспечивает снижение затрат на энергоснабжение и объема вредных выбросов, в частности, углекислого газа в атмосферу.
Так, например, компания Senertec GmbH, входящая в Baxi Group, реализовала к настоящему времени около 150000 установок Dachs с двигателем внутреннего сгорания. Электрическая мощность - от 5 кВт, тепловая - от 12,5 до 20,5. Различные модели установок Dachs работают на природном, сжиженном газе, дизельном топливе. Имеется модель Dachs RS, созданная для работы на биодизельном топливе из рапсового масла. Микро-ТЭЦ (Mini-BHKW) Ecopover немецкой компании PoverPlus Technologies уже имеется на европейском рынке. Ее электрическая мощность варьируется в диапазоне от 1,3 до 4,7, тепловая - от 4,0 до 12,5 кВт. Суммарный КПД установки превышает 90%, топливом для нее служит природный или сжиженный газ.
Компанией Otag Vertribes выпущена пилотная партия напольной газовой микро-ТЭЦ Lion-Powerblock электрической мощностью 0.2-2,2, тепловой - 2,5-16,0 кВт. В ней применен паровой двухцилиндровый двигатель со сдвоенным свободно движущимся поршнем. Парогенератор аппарата состоит из наддувной горелки и стального змеевика; температура пара 350°С.
Компания МТТ Micro Turbine Technology BV (Нидерланды) создала установку EnerTwin на основе микротурбины, одновременно генерирующей 3 кВт электричества и 15 кВт тепла.
При всей оригинальности конструкций перечисленных микро-ТЭЦ они не могут быть использованы в системах автономного энергоснабжения от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), поскольку работают на традиционном топливе.
Известна комбинированная теплосиловая установка на базе двигателя Стирлинга, включающая в себя двигатель (например, двигатель Стирлинга или двигатель внутреннего сгорания) и электрогенератор, расположенные на одном валу, их систему охлаждения, состоящую из замкнутого контура с теплообменником-охладителем, через который проходит система внешнего теплоснабжения, она снабжена линией выработки пара, состоящей из парогенератора, пароперегревателя, с обратным клапаном между ними, и контуром охлаждения двигателя, соединенным с парогенератором перемычкой с регулирующим и обратным клапанами, включающим в себя пароводяной насос-подогреватель, пусковую байпасную линию с насосом и запорными клапанами, при этом линия выработки пара соединена с системой охлаждения двигателя через пароводяной насос-подогреватель, а магистраль отработанных газов сначала проходит через пароперегреватель, а затем через парогенератор (патент РФ №2164613 С1, F02G 1/043, F25B 9/14).
Известна автономная когенерационная энергоустановка, включающая в себя преобразователь прямого цикла (например, двигатель внутреннего сгорания или двигатель Стирлинга) с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, теплообменник-утилизатор тепла отработанных газов двигателя, через который проходит магистраль отработанных газов двигателя, систему внешнего теплоснабжения с потребителями тепла, отличающаяся тем, что снабжена единым замкнутым контуром передачи тепла от двигателя к потребителям тепла, состоящим из линии подачи горячей воды к внешним потребителям тепла, проходящей через рубашку охлаждения двигателя, теплообменник-утилизатор тепла отработанных газов двигателя, единый циркуляционный насос, и линии возврата охлажденной воды, идущей от потребителей тепла к рубашке охлаждения двигателя, при этом линия возврата охлажденной воды связана с теплообменником-утилизатором перемычкой с регулирующим клапаном, а после перемычки перед двигателем на линии возврата установлен второй регулирующий клапан (патент РФ №2162534, F02G 5/02, F02G 1/043, F02B 65/00).
Последние две установки отечественной разработки также работают на традиционном топливе, к тому же они имеют довольно сложную конструкцию, что требует квалифицированного обслуживания и поэтому создает определенные проблемы для рядовых пользователей.
Из всех известных энергоустановок с использованием возобновляемых энергоресурсов можно выделить СОЛНЕЧНУЮ МОДУЛЬНУЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ УСТАНОВКУ по патенту РФ №2032082, кл. F01K 13/00, 1995 г., которую можно принять за прототип. Здесь уместно привести ее Формулу изобретения:
«Солнечная модульная энергетическая установка, включающая последовательно соединенные в паросиловом контуре парогенератор с экономайзером, испарительной и пароперегревательной поверхностями теплообмена, турбину с генератором и конденсатором, а также систему подачи питательной воды с последовательно размещенными в ней регенеративным подогревателем низкого давления, дозатором и питательным насосом, при этом экономайзерная и испарительная поверхности теплообмена выполнены в виде параболоцилинрических модульных концентраторов, а пароперегревательная - с топливоподводом, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности и обеспечения автономного запуска, она дополнительно снабжена баком-сепаратором и подогревателем питательной воды, при этом последний выполнен в виде параболоцилиндрических модульных концентраторов с размещенными в них фотоэлектрическими преобразователями и подключен к системе подачи питательной воды параллельно подогревателю низкого давления, а бак-сепаратор размещен между испарительной и пароперегревательной поверхностями теплообмена и подключен входом к выходу из испарительной поверхности теплообмена, выходом по пару - к пароперегревательной поверхности теплообмена, а выходом по воде - к системе подачи питательной воды за деаэратором».
Уже из самой Формулы понятна вся сложность этой системы с солнечными концентраторами для генерации пара и работы фотоэлектрических преобразователей, теплообменниками, а в Описании упоминается и резервная система подачи топлива. И, наконец, в иллюстрации к нему приведена полная схема устройства с множеством сложных компонентов. Все это ставит под сомнение перспективность практической реализации такой установки, а отсутствие информации даже об ее опытных образцах за 20 лет со времени публикации изобретения только подтверждает это.
Задачей разработки микро-ТЭЦ предлагаемой конструкции является создание простой когенераторной установки, использующей возобновляемые источники энергии и работающей от ее накопителей - теплоаккумуляторов, позволяющих обеспечить стабильное комплексное энергоснабжение малых объектов самого различного назначения.
Эта задача решается тем, что с учетом свойств самых простых по устройству и практически не нуждающихся в обслуживании галечных теплоаккумуляторов сохранять температуру до 200 и более градусов, в качестве тепломеханического преобразователя разработана компактная паровая турбина с саморегулированием давления пара и частоты вращения в широком диапазоне нагрузок, с встроенным теплообменником и «безнасосным» устройством возврата конденсата в испарительную камеру. Одновременно использованы наиболее эффективные способы нагрева от ВИЭ теплоаккумулирующих материалов до требуемой температуры. Все это снимает потребность в традиционном топливе, предельно упрощает конструкцию установки, устраняет необходимость ее обслуживания квалифицированным персоналом, повышает надежность энергоснабжения и экономит средства на капитальные и эксплуатационные затраты.
Описание заявляемой микро-ТЭЦ поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1 показан вариант комплексной установки для автономного энергоснабжения, на фиг. 2 - паросиловой блок микро-ТЭЦ в разрезе, на фиг. 3 изображено устройство возврата конденсата (разрез А-А этого блока, фиг. 2).
Заявляемая микро-ТЭЦ представляет собой единый модуль, все элементы конструкции которого могут быть изготовлены в заводских условиях, что позволит освоить их массовое производство и облегчить монтаж на месте их установки. В таком варианте она представлена на фиг. 1. Корпус теплоаккумулятора 1 является одновременно основанием и ветротепловой установки (ВТУ) 2, и солнечного коллектора-нагревателя (СКН) 3. Внутри теплоаккумулятора в пространстве с максимальной температурой нагрева воздуха указанными первичными преобразователями расположен парогенератор 4 микро-ТЭЦ, состоящий из корпуса котла 5 (см. фиг. 2) с оребренной поверхностью, коническим либо сферическим днищем 6, буферной емкостью 7, пароперегревателем 8 в виде коаксиальной камеры между стенкой корпуса и внутренним теплоизолированным цилиндром 9, оснащенной кольцевым перепускным клапаном 10 (например, из кремнийорганического полимера). Котел 5 оснащен внешней теплоизолированной оболочкой 11 с рядом входных отверстий в ее верхней части и вентилятором 12 внизу. Над парогенератором 4 (вне теплоаккумулятора 1) расположен турбинный агрегат 13. Паровая турбина 14 оснащена датчиком 15 передаваемого крутящего момента (с конструкцией, например, сходной с известной предохранительной пружинно-кулачковой муфтой осевого типа), кинематически связанного с золотниковым устройством 16 в виде поворотного кольца с отверстиями и соосными с ними сопловыми элементами 17. Днище турбинного отсека также имеет коническую форму с кольцевым углублением в центральной части, где расположено «безнасосное» устройство возврата конденсата, сходное по конструкции с известным объемным дозатором. Оно состоит из кольца 18 с расположенными по окружности сквозными полостями и плотно прилегающими к нему торцевыми стенками со смещенными по кругу - верхними относительно нижних - отверстиями (см. фиг. 3). Это кольцо связано с турбиной 14 понижающей передачей (см. фиг. 2).
К валу турбины может быть подсоединен вентилятор (насос) 19 теплообменного контура с теплообменником - кольцевой камерой вокруг стенки турбинного агрегата 13 (см. фиг. 2). Для улучшения теплообмена эта стенка может иметь внешнее оребрение, например, в виде спирали внутри кольцевой камеры теплообменника, как показано на фиг. 2.
С валом также связан, например, ременной передачей электрический генератор 20. При необходимости более строгой стабилизации частоты вращения вала генератора вместо ременной передачи может быть использован один из известных вариаторов с автоматическим регулированием передаточного отношения.
Предпочтительными вариантами ВТУ 2 в составе заявляемой микро-ТЭЦ представляются известные ветротурбины с вертикальным валом, на котором можно установить осевой вентилятор внутри теплоаккумулятора, как показано на фиг. 1.
Панели СКН 3, расположенные на освещаемых солнцем стенках теплоаккумулятора, выполнены из листового металла со светопоглощающей внешней поверхностью. Она имеет селективное покрытие и прозрачное теплоизолирующее ограждение. Панели могут быть оснащены расположенными над ними светоотражающими козырьками 21 с зеркальной нижней поверхностью, являющимися, к тому же, и защитой панелей от атмосферных осадков. Угол наклона козырьков должен обеспечивать максимальное дополнительное солнечное облучение панелей в зимний период.
Остальная поверхность теплоаккумулятора, кожух теплообменника на корпусе турбинного агрегата 13, а также трубопроводы теплообменного контура имеют термоизоляционное покрытие, например, известными органосиликатными составами «Силтэк», «Броня», «Корунд» и т.п.
Для нормальной работы микро-ТЭЦ необходимо в верхней части внутреннего пространства теплоаккумулятора 1 иметь температуру воздуха не ниже 180°С. Такая температура создается ветротепловой установкой 2 и солнечным коллектором-нагревателем 3. При использовании экологически чистого воздухопроницаемого теплоаккумулирующего материала предельная температура его нагрева ограничивается только балансом между запасенным теплом, а также поступающим от первичных преобразователей энергии, и его расходом с учетом всех теплопотерь. При этом нагрев теплоаккумулирующего материала по всему его объему осуществляется принудительной - от ВТУ 2-й естественной - от СКН 3 - циркуляцией воздуха. Принудительная циркуляция нагревает материал, как в известной аэродинамической сушильной камере, только температура нагрева может намного превышать требуемую для испарения влаги, которой в теплоаккумуляторе 1 нет. А солнечные панели с их минимальными внешними теплопотерями только усилят при солнечном облучении этот нагрев. При наличии отражающих козырьков 21 этот эффект возрастает.
Такая «гибридная» система нагрева, использующая не единственный источник энергии, позволяет сократить перерывы в пополнении теплового ресурса аккумулятора, уменьшить его размеры при сохранении расчетной надежности энергоснабжения.
Ввод микро-ТЭЦ в рабочий режим производится включением вентилятора 12. Поток горячего воздуха нагревает стенки и днище 6 котла 5 до кипения воды - в ее строго определенном объеме, закрывающем только поверхность днища. Повышенным давлением образовавшегося пара часть жидкости перемещается в буферную емкость 7, сжимая в ней воздух до такого же давления. При этом уровень воды за ее пределами понижается и изменяющаяся площадь теплопередачи от днища 6 автоматически поддерживает этот баланс. По достижении минимального рабочего давления пара он, преодолевая силу обжима кольцевого клапана 10, проходит через отверстия внутреннего цилиндра 9 в пароперегреватель 8 и с увеличенной за счет его перегрева скоростью поступает в расположенные по кругу сопловые элементы 17. При этом в отсутствие нагрузки на генераторе 20 турбина 14 ускоренно набирает расчетные обороты. С появлением на ней возрастающей нагрузки ее втулка отжимает венец датчика 15, который через симметрично расположенные рычажные механизмы поворачивает кольцо золотникового устройства 16, увеличивая подачу пара в сопловые элементы 17. Таким образом, частота вращения турбинного вала поддерживается в заданных пределах.
При оптимальном соотношении скорости на выходе из сопловых элементов 17 потока пара и окружной скорости лопаток турбины 14 он, передав им свою кинетическую энергию, с минимальной скоростью попадает на охлаждаемую теплообменником стенку, превращаясь в конденсат (см. выноску на фиг. 2), который стекает по ней и далее - по конической поверхности днища корпуса турбинного агрегата 13 - к устройству возврата конденсата. Здесь через отверстия он заполняет полости вращающегося с малой скоростью кольца 18, плотно закрытые в этот момент нижней стенкой, а в следующий момент, когда кольцо повернуто на некоторый угол и заполненные конденсатом полости оказывается плотно закрытыми сверху, они проходят над нижними отверстиями и конденсат стекает в котел 5 по стенке емкости 7, охлаждая ее и предотвращая кипение в ней жидкости, чем поддерживается там режимное давление воздуха. Следует добавить, что предельно короткий контур обращения рабочего тела в условиях замкнутого пространства котла 5 и турбинного агрегата 13 исключают его потери и, следовательно, устраняют необходимость постоянного контроля и пополнения его объема.
Теплообменник турбинного агрегата 13 передает «сбросное» тепло для обогрева помещений. При умеренной температуре наружного воздуха он может работать в открытом контуре, обеспечивая тем самым усиленную вентиляцию помещений. С похолоданием этот контур можно частично либо полностью замкнуть. А в особо холодную погоду (либо при пониженном расходе электроэнергии) можно добавлять тепло непосредственно от теплоаккумулятора 1. В летнее же время можно использовать тепло от теплообменника турбинного агрегата для других нужд (горячее водоснабжение, сушка материалов, продуктов, пользование сауной, бассейном и т.п.).
Заявляемое устройство, представленное в описанном комплексе, отличается компактностью, простотой конструкции и удобством в эксплуатации, малым шумом как ветроустановки, так и турбины, полной экологической безопасностью, сравнительно низкими капитальными затратами. Все это должно обеспечить массовую востребованность таких установок в решении все более обостряющейся проблемы автономного энергообеспечения таких объектов, как индивидуальное жилье, мелкие сельскохозяйственные производства, промыслы, отдаленные оздоровительные учреждения или объекты экологического назначения и туризма, позволит решить жизненно важные инфраструктурные проблемы при освоении и заселении новых территорий, улучшит условия жизни в сохранившихся сельских поселениях.