ВЕТРОАГРЕГАТНАЯ 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 (Патент РФ №2354838 от 10.05.2009 г. с приоритетом 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 потребность в топливе для функционирования установки, а также загрязнение окружающей среды вредными примесями выхлопных газов газотурбинного двигателя.
Технической задачей заявляемого решения является экологически чистая выработка электроэнергии, холода и тепла в отдаленных районах, в условиях отсутствия топлива и другого внешнего энергетического обеспечения.
Поставленная задача решается тем, что ветроагрегатная система для получения электричества, холода и тепла, содержит турбину, соединенную механически с электрогенератором, и компрессор с приводом.
Новым в полезной модели является то, что система дополнительно содержит накопитель воздуха, теплообменник с горячим контуром и холодным контуром с хладоагентом, 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.
Накопитель воздуха является аккумулятором энергии ветродвигателя в виде сжатого воздуха, он позволяет сглаживать неравномерности параметров, поступающего в нее воздуха и соответственно уменьшать колебания параметров энергии, выдаваемой системой, а также позволяет некоторое время работать турбине при неработающем ветродвигателе.
Использование накопителя воздуха в виде гибкой оболочки позволяет иметь большую емкость накопителя воздуха при малой его массе, а также существенно упрощает транспортировку и установку системы, а также снижает ее стоимость.
Теплообменник с горячим контуром и холодным контуром с хладоагентом позволяет передавать тепло подогретого в компрессоре воздуха потребителю тепла.
Использование энергоузла позволяет передавать компрессору мощность, вырабатываемую ветродвигателем.
Использование потребителей тепла, холода и электроэнергии позволяет передавать эти виды энергии внешним потребителям и инфраструктуре.
Использование регулировочного крана позволяет изменять расход воздуха в турбине в соответствии с изменениями в потребности электроэнергии.
Развитие и уточнение приведенной выше совокупности существенных признаков дано далее.
Ветроагрегатная система может содержать распределитель. Использование распределителя позволяет подавать воздух в компрессор либо из атмосферы, либо из потребителя холода. Это дает возможность, работая на экономически более выгодном режиме с холодным воздухом при входе в компрессор (замкнутый контур воздуха в системе) периодически заменять его воздухом из атмосферы.
Ветроагрегатная система может содержать эжектор. Использование эжектора (с высоконапорным и низконапорным входами) позволяет устанавливать в потребителе холода заданную температуру.
Хладоагентом холодного контура теплообменника может быть поток атмосферного ветра. Использование кинетической энергии ветра в качестве хладоагента теплообменника позволяет простейшим образом подводить тепловую энергию к потребителю тепла.
Ветроагрегатная система может содержать вентилятор. Использование вентилятора позволяет увеличить кинетическую энергию воздуха холодного контура теплообменника для увеличения количества тепловой энергии подаваемой потребителю тепла.
Энергоузел может быть выполнен в виде валопровода, простейшим образом соединяющего механически ветродвигатель и компрессор.
Энергоузел может содержать электродвигатель и дополнительный электрогенератор, при этом электродвигатель механически связан с компрессором, а дополнительный электрогенератор - с ветродвигателем. Это позволяет оптимизировать частоты вращения валов компрессора и ветродвигателя, что обеспечивает сочетание минимального габарита и высокой эффективности агрегатов.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача. Разработана конструкивная схема системы для экологически чистой выработки электроэнергии, холода и тепла в условиях отсутствия топлива, в отдаленных местах.
Настоящая полезная модель будет более понятна после рассмотрения последующего описания и работы ветроагрегатной системы для получения электричества, холода и тепла со ссылкой на прилагаемые схемы на фиг.1-5, где на фиг.1 изображена схема системы, на фиг.2-5 - варианты модернизации схемы системы.
Ветроагрегатная система для получения электричества, холода и тепла, содержит (фиг.1) турбину 1, соединенную механически с электрогенератором 2, и компрессор 3 с приводом 4.
В соответствии с полезной моделью ветроагрегатная система дополнительно включает накопитель воздуха 5, теплообменник 6 с горячим контуром 7 и холодным контуром 8 с хладоагентом, энергоузел 9, потребитель тепла 10, потребитель холода 11, потребитель электроэнергии 12 и регулировочный кран 13. При этом накопитель воздуха 5 выполнен в виде гибкой оболочки. Привод 4 выполнен в виде ветродвигателя и энергетически связан с компрессором 3 через энергоузел 9. Компрессор 3 газодинамически входом соединен с атмосферой, а выходом - через горячий контур 7 теплообменника 6 с входом накопителя воздуха 5. Турбина 1 газодинамически входом через регулировочный кран 13 соединена с выходом накопителя воздуха 5, а выходом - с входом потребителя холода 11. Холодный контур 8 теплообменника 6 подключен к потребителю тепла 10. Электрогенератор 2 соединен механически с турбиной 1 и электрически - с потребителем электроэнергии 12.
Компрессор 3 системы газодинамически через распределитель 14 может быть (фиг.2) входом соединен с атмосферой или с выходом потребителя холода 11.
Ветроагрегатная система (фиг.3) может дополнительно содержать эжектор 15, высоконапорный вход которого 16 соединен с выходом турбины 1, а низконапорный вход 17 - с атмосферой, при этом выход эжектора состыкован с входом потребителя холода 11.
Хладоагентом холодного контура 8 теплообменника 6 может быть (фиг.4) поток атмосферного ветра 18. При этом в холодном контуре 8 может быть установлен вентилятор 19.
Энергоузел 9 (фиг.5) может содержать электродвигатель 20 и дополнительный электрогенератор 21, при этом электродвигатель 20 механически связан с компрессором 3, а дополнительный электрогенератор 21 - с ветродвигателем 4.
Работа ветроагрегатной системы осуществляется следующим образом.
Воздух из атмосферы (см. фиг.1) поступает в компрессор 3, где повышается его температура и давление. Далее воздух проходит через горячий контур 7 теплообменника 6, где в холодном контуре 8 отдает тепло хладоагенту, идущему к потребителю тепла 10, и охлажденный поступает в накопитель воздуха 5. В накопителе воздуха 5 воздух дополнительно охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и, выходя из него, поступает через регулировочный кран 13, устанавливающий потребный расход воздуха в турбине 1, в турбину 1. В турбине 1 воздух расширяется, его давление понижается практически до давления окружающей среды, а температура - до величины, существенно меньшей температуры окружающей среды; перепад давлений в турбине 1 создает крутящий момент на ее валу, она начинает вращаться и образующаяся мощность передается механически связанному с ней электрогенератору 2, электрическая энергия которого поступает к потребителю электроэнергии 12. Холодный воздух из турбины 1 поступает к потребителю холода 11.
Для компрессора 3 потребную для его работы мощность вырабатывает, используя энергию ветра, ветродвигатель 4 и передает ее компрессору 3 через энергоузел 9.
В ветроагрегатной системе по схеме фиг.2 на вход компрессора 3 через распределитель 14 поступает холодный воздух из потребителя холода 11.
В ветроагрегатной системе по схеме фиг.3 холодный воздух из турбины 1 поступает в эжектор 15 через высоконапорный вход 16. В эжекторе 15 происходит смешение воздуха с атмосферным воздухом, подсасываемом из атмосферы через низконапорный вход 17; при этом температура смеси увеличивается до заданной величины, а расход ее увеличивается и смесь из эжектора 15 подается потребителю холода 11.
В ветроагрегатной системе по схеме фиг.4 хладоагентом холодного контура 8 теплообменника 6 является поток ветра 18, который отбирает тепло горячего контура 7 теплообменника 6 и отдает его потребителю тепла 10. При этом, для повышения эффективности работы холодного контура 8 в нем может быть установлен вентилятор 19.
В энергоузле 9 (фиг.5) механическая энергия ветродвигателя 4 передается дополнительному электрогенератору 21, вырабатываемая электроэнергия которого поступает к электродвигателю 20, мощность которого сообщается компрессору 3. При этом частоты вращения ветродвигателя и турбины могут быть разными.
3
В качестве примера рассмотрена работа ветроагрегатной системы для получения электричества, холода и тепла с накопителем воздуха объемом 5000 м/с и максимальным давлением 0.25 МПа при следующих, средних для периода эксплуатации, исходных данных:
1. Мощность воздушного компрессора - 5 кВт
2. Степень повышения полного давления воздуха в компрессоре - 1.8.
3. Степень понижения полного давления в турбине -1.76.
4. Температура окружающей среды - 288К
5. Коэффициент полезного действия компрессора - 0.7
6. Коэффициент полезного действия турбины - 0.6
7. Коэффициент термической эффективности теплообменника- 0.5
X
T
Результаты расчета показывают, что при подаче на вход компрессора 3 атмосферного воздуха и при заданных исходных данных в накопитель 5, а через него - в турбину 1 (фиг.1) поступает сжатый до 0.18 МПа воздух с расходом 0.066 кг/с.При этом электрогенератором 2 вырабатывается 1.74 кВт электричества, а в потребитель холода 11 поступает холодный воздух с минимальной температурой 262К и холодопроизводительностью 1.74 кВт (по отношению к температуре окружающей среды); помимо этого теплообменник выдает потребителю 2.5 кВт тепла с температурой 321К. Учитывая, что относительная (по отношению к электроэнергии) стоимость энергии холода К=2, а тепла - К=0.3 величина стоимости полезно выработанной ветроагрегатной системой суммарной энергии на 20% превышает стоимость механической энергии ветродвигателя; если же в компрессор 3 подавать холодный воздух из потребителя холода 11, то выигрыш составит 30% (при выработке электроэнергии 1.92 кВт).
Следует отметить, что использование накопителя воздуха в виде гибкой оболочки с максимальным давлением в ней 0.25 МПа позволяет ветроагрегатной системе применить накопитель воздуха существенно большего, против металлических резервуаров, объема (из-за относительно малой его массы), что дает возможность аккумулировать ветроэнергию в период высоких скоростей атмосферного ветра в виде энергии сжатого воздуха и использовать сжатый воздух по назначению вне зависимости от колебаний величины скорости ветра в атмосфере, в том числе и при штиле в атмосфере.
При этом ветроагрегатная система может состоять из нескольких ветроагрегатных модулей (ветроагрегат с компрессором), компрессоры которых имеют отдельные подводы к накопителю воздуха. Это позволяет обеспечивать необходимую мощность системы путем установки необходимого количества оптимальных модулей. Модули делаются оптимальной мощности и размеров, при которых упрощается технология изготовления и достигается минимальная цена одного киловатта установленной мощности.
Таким образом, с помощью предлагаемой ветроагрегатной системы можно абсолютно автономно без внешнего энергообеспечения и экологически чисто получать три потока энергии: электричество, холод и тепло.
Система представляет интерес для геологов, военных, различных отдаленных регионов с достаточным уровнем ветропотенциала.