СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ХОЛОДНОГО И ТЕПЛОВОГО ВОЗДУХА

Предлагаемая полезная модель относится к автономным энергетическим устройствам и предназначена для получения электричества, холодного и теплого воздуха с высокими экологическими показателями, преимущественно в местах резкого колебания потребления энергии в течение суток.
Известна ветроагрегатная система (Патент РФ на полезную модель №91743 по заявке от 25.11.2009), содержащая турбину с электрогенератором, компрессор с ветроагрегатным приводом, накопитель воздуха и воздуховоздушный теплообменник. Система вырабатывает электричество, холод и тепло.
Однако эта ветроагрегатная система
- не обеспечивает длительной выработки этих видов энергии из-за неравномерного по времени ветропотенциала и из-за ограниченного объема накопителя,
- не позволяет регулировать вырабатываемое тепло,
- теплообменник имеет низкую тепловую эффективность и высокую стоимость.
Наиболее близким по существенным признакам с заявляемым техническим решением является комбинированная система (Патент РФ на полезную модель №90543 по заявке от 17.04.2009), содержащая воздушную турбину с электрогенератором, воздушный компрессор с ветроагрегатным приводом, накопительную емкость и эжектор. При этом воздушный компрессор связан выходом с накопительной емкостью, а входом с атмосферой. Высоконапорный вход эжектора связан с накопительной емкостью, а низконапорный вход - с выходом воздушной турбины.
В этой системе повышена надежность работы.
Однако при этом:
- ухудшены потребительские свойства системы из-за отсутствия источника тепловой энергии,
- не обеспечивается длительной выработки электроэнергии и холода из-за неравномерного по времени ветропотенциала,
- энергия охлажденного воздуха из эжектора теряется безвозвратно. Технической задачей заявляемого решения является эффективная длительная выработка электроэнергии, холодного и теплого воздуха регулируемой температуры в заданных количествах, преимущественно в сфере малой энергетики, что повышает потребительское качество системы при высоких экологических показателях для автономных потребителей.
Поставленная задача решается тем, что система для получения электроэнергии, холодного и теплого воздуха регулируемой температуры, содержит воздушную турбину, соединенную механически с электрогенератором, эжектор с высоконапорным и низконапорным входами, воздушный компрессор с приводом и накопительную емкость. Воздушный компрессор входом соединен с атмосферой, а выходом с накопительной емкостью. Воздушная турбина газодинамически входом соединена с атмосферой, а выходом - с низконапорным входом эжектора. Высоконапорный вход эжектора подключен к накопительной емкости.
Новым в полезной модели является то, что система дополнительно содержит помещение, холодильник, детандер, соединенный механически с вторым электрогенератором, эжекторный смеситель с высоконапорным и низконапорным входами и запорнорегулирующие краны.
Выход воздушного компрессора с накопительной емкостью и высоконапорный вход эжектора с помещением соединены через краны. Детандер входом через кран подключен к накопительной емкости, а выходом -к холодильнику. Высоконапорный вход эжекторного смесителя через кран подключен к выходу компрессора, а низконапорный вход - соединен с атмосферой. Выход эжектора и эжекторного смесителя подключены к помещению.
Дополнительное наличие помещения, холодильника, детандера и эжекторного смесителя позволяет решить задачу длительной выработки электроэнергии, холодного и теплого воздуха регулируемой температуры в заданных количествах.
Подключение выхода эжектора к помещению позволяет охлаждать воздух помещения до температуры заданного уровня.
Использование детандера с вторым электрогенератором позволяет снабжать холодильник холодным воздухом в требуемом количестве и нужной температуры, а также вырабатывать дополнительную электроэнергию.
Использование запорнорегулирующих кранов позволяет обеспечивать регулирование работы системы на разных режимах при потреблении различных видов энергии.
Использование эжекторного смесителя, подключенного через кран к выходу компрессора, позволяет подводить к помещению регулируемое тепло для поддержания заданной регулируемой краном температуры воздуха.
Развитие и уточнение приведенной выше совокупности существенных признаков дано далее.
Система может дополнительно содержать газотурбинную установку с регулятором отбора воздуха из компрессора установки в накопительную емкость. Это позволяет непрерывно снабжать систему сжатым воздухом от компрессора работающей газотурбинной установки.
Система может содержать в качестве привода компрессора электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания (в том числе газотурбинный двигатель), ветродвигатель, что расширяет потребительские качества системы.
Привод компрессора может быть выполнен комбинированным из ветродвигателя и электродвигателя или из ветродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, соединенных с компрессором муфтами свободного хода. Это расширяет потребительские качества системы.
Накопительная емкость может быть выполнена в виде гибкой оболочки, что позволяет размещать ее внутри несущей конструкции произвольной формы, например, в земных пустотах.
Детандер может быть выполнен турбинным или поршневым, что расширяет потребительские качества системы.
Компрессор может быть выполнен центробежным, поршневым или винтовым что расширяет потребительские качества системы.
Поршневой компрессор может в качестве привода иметь электродвигатель-генератор и работать как в режиме сжатия воздуха, так и в режиме расширения сжатого воздуха, поступающего из накопительной емкости, когда электродвигатель-генератор работает в режиме электрогенератора. Это снижает стоимость основного комплектующего оборудования и может быть использовано в тех случаях, когда необходимо кратковременно получить избыток электричества.
Настоящая полезная модель будет более понятна после рассмотрения последующего описания системы для получения электричества, холодного и теплого воздуха со ссылкой на прилагаемые схемы на фиг.1-2, где на фиг.1 изображена схема основной системы, на фиг.2 - схема дополнительного варианта системы.
Система (см. фиг.1) для получения электроэнергии, холодного и теплого воздуха содержит воздушную турбину 1, соединенную механически с электрогенератором 2, эжектор 3 с высоконапорным 4 и низконапорным 5 входами, воздушный компрессор 6 с приводом 7 и накопительную емкость 8. Воздушный компрессор 6 входом соединен с атмосферой, а выходом с накопительной емкостью 8. Воздушная турбина 1 газодинамически входом соединена с атмосферой, а выходом - с низконапорным 5 входом эжектора. Высоконапорный 4 вход эжектора подключен к накопительной емкости 8. Система дополнительно содержит помещение 9, холодильник 10, детандер 11, соединенный механически с вторым электрогенератором 12, эжекторный смеситель 13 с высоконапорным 14 и низконапорным 15 входами и запорнорегулирующие краны 16, 17, 18 и 19.
Выход воздушного компрессора 6 подключен к накопительной емкости 8, а высоконапорный 4 вход эжектора - к помещению 9 соответственно через краны 16 и 18. Детандер 11 входом через кран 17 подключен к накопительной емкости 8, а выходом - к холодильнику 10. Высоконапорный вход 14 эжекторного смесителя через кран 19 подключен к выходу компрессора 6, а низконапорный вход 15 - соединен с атмосферой. Выход эжектора 3 и выход эжекторного смесителя 13 подключены к помещению 9.
Система (см. фиг.2) может содержать газотурбинную установку 20 с регулятором отбора воздуха 21 из компрессора установки 20 в накопительную емкость 8.
Работа системы осуществляется следующим образом.
Перед началом работы запорнорегулирующие краны 17, 18 и 19 закрыты (фиг.1), а кран 16 открыт. Запускается привод 7 и компрессор 6 начинает подавать сжатый воздух в накопительную емкость 8. После того, как давление воздуха в накопительной емкости 8 достигает заданного уровня система готова к нормальному функционированию.
Для работы холодильника 10 открывается кран 17, сжатый воздух из накопительной емкости 8 с температурой, близкой к атмосферной, поступает в детандер 11, раскручивает его и приводимый им второй электрогенератор 12, охлаждается за счет расширения смеси и подается в холодильник 10. Регулирование температуры воздуха в холодильнике 10 производится краном 17, изменяющим расход воздуха, поступающего в холодильник 10.
Для охлаждения помещения 9 открывается кран 18 и сжатый воздух из накопительной емкости 8 через высоконапорный вход 4 поступает в эжектор 3 и подсасывает охлажденный в воздушной турбине 1 воздух, поступающий в нее из атмосферы. Происходит раскрутка воздушной турбины 1 и приводимого ей электрогенератора 2. Охлажденный воздух из эжектора 3 подается в помещение 9. Регулирование температуры воздуха в помещении 9 производится краном 18, изменяющим расход воздуха, поступающего в помещение 9.
Для подогрева воздуха в помещении 9 закрывается кран 18 и открывается кран 19. Горячий воздух из компрессора 6 через кран 19 поступает в высоконапорный вход 14 эжекторного смесителя 13. В эжекторный смеситель 13 через низконапорный вход 15 подсасывается воздух из атмосферы, который смешиваясь с горячим воздухом образует подогретый воздух, поступающий в помещение 9. Регулирование температуры подогрева воздуха в помещении 9 производится краном 19, изменяющим расход воздуха, поступающего в помещение 9.
Система может работать в течение ограниченного времени и при неработающих приводе 7 и компрессоре 6, но при этом (после заполнения накопительной емкости 8) должен быть закрыт кран 16.
По схеме фиг.2 в накопительную емкость 8 через кран 21 может также поступать часть воздуха из компрессора газотурбинной установки (ГТУ) 20.
В качестве примера рассмотрим результаты работы системы для охлаждения помещения и выработки электроэнергии с приводом компрессора от электродвигателя. Компрессор 6 закачивает воздух в накопительную емкость 8 в ночное время (с 24 до 8 часов), когда действует ночной тариф стоимости электроэнергии, в четыре раза меньший дневного тарифа. В дневное время накопленный сжатый воздух используется для кондиционирования рабочего помещения, выработки электроэнергии и для обеспечения работы холодильника.
В системе используется компрессор, который вырабатывает сжатый воздух давлением 0.4 МПа с к.п.д. равным 0.7 и расходом 0.04 кг/с; приводом компрессора 6 является электродвигатель 7 мощностью 7 кВт. Воздушная турбина 1 имеет степень понижения полного давления 1.3. Эжектор 3 обеспечивает расход воздуха через турбину 1, равный 0.11 кг/с. При этих параметрах агрегатов системы воздушная турбина 1 с к.п.д, равным 0.5, обеспечивает мощность дополнительного электрогенератора, равную 0.9 кВт, и холодильную мощность для кондиционирования помещения 9, равную 0.9 кВт. Стоимость холодильной мощности в два раза превышает стоимость электроэнергии, поэтому суммарная полезная мощность по стоимости равна стоимости 2.7 кВт-ч электрической энергии. Стоимость затраченной мощности на привод компрессора равна стоимости 7/4=1.75 кВт-ч дневного тарифа. Таким образом, предлагаемая система в этом примере позволяет, как бы, уменьшить затраты электроэнергии на 0.95 кВт-ч за 1 час работы. При дневном тарифе стоимости электроэнергии 4 руб./кВт-ч и 8 часовой работе системы днем это позволяет уменьшить затраты на обеспечение электричеством и кондиционирование помещения более, чем на 900 руб. в месяц.
Предложенная система обладает расширенными потребительскими качествами. Она может работать как длительно, так и кратковременными включениями, обеспечивая потребителей холодом разного уровня, электричеством разного качества и теплом. Система имеет относительно малую стоимость из-за возможности применения в ней широко используемых в промышленности серийных агрегатов и отсутствия в комплектации системы дорогостоящих вновь проектируемых изделий. Так, например, стоимость поршневого компрессора с расходом воздуха 300 л/мин и давлением 0,8 МПа не превышает 80 тысяч рублей в экологически чистом исполнении. Это выгодно отличается по стоимости от варианта применения лопаточного компрессора равно как и лопаточного детандера по отношению к поршневому детандеру.
3
3
Особенно следует подчеркнуть прогрессивную роль на рынке индивидуальных потребителей накопителя сжатого воздуха, объем которого определяется энергонуждами потребителя, а самое главное - стоимость накопителя с гибкой оболочкой составляет в среднем $0.2 дол./м, т.е. при его объеме 5000 м стоимость накопителя составит всего $1000. Это выгодно отличает по стоимости накопитель рассматриваемого типа от других накопителей энергии в гидроаккумуляторах, аккумуляторах автомобильного типа и др.