УСТРОЙСТВО АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к устройствам энергоснабжения и предназначено для автономного электро-, тепло- и горячего водоснабжения жилых, и/или производственных, и/или сельскохозяйственных помещений.
Известны автономные системы теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей, использующие в качестве источников тепла печи и котлы различной конструкции, для сжигания в них твердого, жидкого и газообразного топлива.
Известны автономные системы электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, в которых источниками электрической энергии являются бензоэлектрические или дизель-электрические агрегаты (см. книгу: Сульг П.А., "Бензоэлектрические и дизель-электрические агрегаты радиотрансляционных узлов и сельских предприятий связи", М., Связь, 1970).
Известны автономные системы комбинированной выработки электрической энергии и тепла. Основным элементом таких систем служит дизель-электрический агрегат, вырабатывающий электрическую энергию. Дизельный двигатель оборудован теплообменными аппаратами, с помощью которых тепло охлаждающей двигатель жидкости и тепло выхлопных газов двигателя используется для отопления потребителей (см. Антонов Ю.М. "Комбинированная выработка электроэнергии и теплоты на объектах сельского хозяйства". Тезисы докладов семинара: Проблемы развития и использования малой и возобновляемой энергетики в России", С-Петербург, 1997).
Недостатком таких систем является загрязнение окружающей среды выхлопными газами, высокая себестоимость производимой энергии, а также возможные сбои работы системы из-за плохого качества топлива или его отсутствия.
Известно устройство для отопления жилых или производственных зданий, включающее ветродвигатель с горизонтальной осью, генератор электрической энергии, объединенный с ветродвигателем в один агрегат, механизм для установки ветродвигателя на ветер, башню, на которой смонтирован ветродвигатель, обеспечивающую беспрепятственный поворот последнего на ветер вокруг вертикальной оси, электрический водонагреватель с аккумулятором тепла в виде теплоизолированной емкости для нагретой воды. Известен также электролизный вариант устройства, в котором нагрев теплоносителя системы отопления осуществлен за счет сгорания водорода, получаемого путем использования электроэнергии, вырабатываемой ветроэлектрогенератором (см. Большая Советская Энциклопедия, т.7.)
Недостатками указанного устройства являются: затраты на сооружение высокой башни, особенно большие в пределах городских территорий, где ветер из-за наличия домов, деревьев и других препятствий теряет свою скорость, переходя из прямолинейного движения в беспорядочное, сложность и трудоемкость в изготовлении механизма, обеспечивающего поворот ветроколеса на ветер
Известен и другой ветроэлектрический агрегат, который мог бы быть использован в устройстве для отопления, также содержащий ветродвигатель, электрогенератор и башню, но способный работать при любой направленности ветра. Это обладающий большим крутящим моментом ветроэлектрогенератор барабанного типа с вертикальной осью вращения (см. Журнал "Моделист конструктор" N 9, 1974 г.).
Недостатками такого ветроэлектрогенератора являются: необходимость сооружения башни, низкий коэффициент полезного действия ввиду тихоходности его ветроколеса и обусловленных последним потерь мощности в трансмиссии и редукторе.
Известно автономное устройство, содержащее ветроэлектрогенератор с вертикальной осью вращения, электрический водонагреватель и аккумулятор тепла, в котором ветроколесо установлено на крыше здания, а электрогенератор, ротор которого закреплен на одном валу с ветроколесом, установлен в верхнем помещении здания под его перекрытием (см. патент FR №2288234, МПК А1 F031 9/00, 1976 г.).
Недостатком такого конструктивного решения устройства является чрезмерно большой вес и металлоемкость электрогенератора, обусловленный тихоходностью ветроколеса с вертикальной осью вращения. Чтобы получить ЭДС от генератора, ротор которого имеет общий вал с ветроколесом, достаточную для целей изобретения, необходимо, чтобы и ротор, и статор генератора имели большое количество полюсов, что и определяет его размеры и вес.
Указанные энергосистемы, вырабатываемые установками на экологически чистых возобновляемых источниках энергии (ветра, солнца и т.д.) имеют нестабильность потока энергии в источнике (изменение силы ветра, климатические и сезонные колебания потока световой энергии) создают проблемы обеспечения качества подаваемой потребителю энергии. Для сглаживания колебаний генерируемой мощности, вызванных нестабильностью потока энергии в источнике, и согласования ее с режимом электропотребления, используются аккумуляторы энергии.
Известна автономная энергетическая установка на возобновляемом источнике энергии, включающая преобразователь энергии возобновляемого источника в электрическую, электроаккумуляторную батарею, тепловой аккумулятор, электротехническое устройство для перераспределения энергии между электрической аккумуляторной батарей и тепловым аккумулятором (патент РФ №2095913, МПК 6 H02J 15/00, F03D 9/02, H02J 7/35, 1997 г.).
Недостатком данной системы является недостаточная эффективность установки, связанная с наличием потерь энергии при двойном ее преобразовании: энергии возобновляемого источника - в электрическую энергию, электрической энергии - в тепловую энергию.
Известно устройство, содержащее работающий на газе термоэлектрогенератор; ветроэлектрический агрегат; электрический аккумулятор; аккумулятор теплоты. Ветроэлектрический агрегат соединен через автоматическое переключающее устройство с термоэлектрогенератором и с электрическим аккумулятором, соединенным с потребителем электрической энергии. Солнечная установка соединена с термоэлектрогенератором и аккумулятором теплоты, причем аккумулятор теплоты соединен с потребителем теплоты (см. патент РФ №2182986, МПК 7 F03D 9/00, 2002 г.). Данное решение принято за прототип.
Недостатком прототипа является необходимость использования газа в качестве одного из основных источников как тепловой, так и электрической энергии. Данное обстоятельство делает работу известного устройства зависимым от наличия данного вида топливного ресурса, создает проблемы, связанные с взрывоопасностью установки, а также с доставкой и хранением газового топлива и загрязнением окружающей среды. Кроме того, устройство сложно в управлении, что снижает надежность и эффективность его работы.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание экономичной и безопасной установки комплексного обеспечения электрической и тепловой энергией объектов любого назначения, повышение надежности и экономичности системы автономного энергоснабжения зданий и сооружений.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном устройстве автономного электро- и теплоснабжения помещений, содержащем ветрогенераторную установку для выработки электроэнергии, аккумулятор электрической энергии, подключенный к потребителям электроэнергии; устройство отопления; тепловой аккумулятор, связанный с потребителями тепловой энергии; автоматическое переключающее устройство, в соответствии с полезной моделью, устройство отопления выполнено в виде котла, ветрогенераторная установка соединена с тепловым аккумулятором через автоматическое переключающее устройство, соединенное через датчики электрической нагрузки с исполнительными механизмами, а аккумулятор электрической энергии подключен к потребителям электроэнергии через инвертор.
Устройство отопления работает на твердом топливе.
Тепловой аккумулятор выполнен в виде термоса.
Тепловой аккумулятор снабжен трубчатым электронагревателем, электрически связанным с ветрогенераторной установкой.
Ветрогенераторная установка выполнена с возможностью работы при минимальной силе ветра.
Технический результат, достигаемый в результате использования заявляемой полезной модели, заключается в повышении надежности, экономичности и эффективности работы системы автономного энергоснабжения помещений за счет использования простых и надежных в эксплуатации и обслуживании устройств, автоматизации процессов контроля и управления, оптимизации распределения нагрузки между элементами системы.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема.
Предлагаемое устройство для автономного электро-, тепло- и горячего водоснабжения жилых и производственных помещений содержит устройство отопления 1, например, выполненное в виде котла, работающего на всех видах твердого топлива. Устройство отопления 1 соединено с тепловым аккумулятором 2, выполненным, например, в виде герметичного термоса, соединенного с потребителями тепла 3 и горячего водоснабжения 4. Причем связь с потребителями тепла и горячего водоснабжения осуществляется посредством теплообменников 5, установленных в тепловом аккумуляторе (термосе) 2.
Ветрогенераторная установка 6 соединена с аккумулятором электрической энергии 7, который через инвертор 8, соединен с потребителями электрической энергии 9. Для снижения расходов на отопление от котла 1 и обеспечения дополнительной тепловой энергией в зимний период, а также снабжения потребителей горячей водой в летний сезон, ветрогенераторная установка 6 через автоматическое переключающее устройство 10 посредством установленного в тепловом аккумуляторе 2 трубчатого электронагревателя (ТЭН) 11 электрически соединена с аккумулятором 2. ТЭН 11 обеспечивает поставку дополнительной энергии и подогрев воды в тепловом аккумуляторе 2.
В системе теплоснабжения установлен насос 12 для нагнетания и обеспечения необходимого давления у потребителей тепловой энергии.
Работает устройство следующим образом.
Получаемое в результате сгорания топлива в котле 1 тепло поступает в тепловой аккумулятор 2. Тепловая энергия из аккумулятора 2 используется потребителями тепла 3 и горячего водоснабжения 4 за счет нагрева теплообменников 5, расположенных в тепловом аккумуляторе 2. Ветрогенераторная установка 6 вырабатывает электрическую энергию, которая поступает в аккумулятор электрической энергии 7, где постепенно накапливается для резервного использования, а из него через инвертор 8 поступает к потребителям 9.
При достижении полного уровня заряда аккумулятора 7 автоматическое переключающее устройство 10 отключает аккумулятор 7 от ветрогенераторной установки 6, и направляет излишки электроэнергии от последней на ТЭН 11 в тепловой аккумулятор 2. С помощью ТЭНа 11 производится нагрев теплоносителя в тепловом аккумуляторе 2, тем самым поддерживается необходимый уровень его температуры, что позволяет снизить или исключить совсем необходимость получения тепла от работы котла 1. При снижении уровня заряда аккумулятора 7 ниже допустимого уровня автоматическое переключающее устройство 10 подключает его к ветрогенераторной установке 6, и при необходимости подает сигнал о необходимости возобновления работы котла 1 или интенсивности горения его топлива.
Описанная выше работа устройства автономного электроснабжения и теплоснабжения потребителей показывает, что применение ветрогенераторной установки и отопительного устройства на твердом топливе позволяет повысить надежность, безопасность и эффективность работы системы автономного энергоснабжения помещений за счет автоматизации процессов контроля и управления, оптимизации распределения нагрузки между элементами системы.
Использование ТЭНа 11 позволяет получить дополнительный источник тепловой энергии и повышает эффективность работы системы автономного энергоснабжения. Использование автоматической системы управления, соединенной через датчики тепловой и электрической нагрузок с исполнительными механизмами, позволяет оптимизировать нагрузку между отдельными элементами системы, улучшает контроль за ее работой и повышает надежность системы автономного энергоснабжения. Подключение аккумулятора электрической энергии 7 через инвертор 8 к сети потребителей электроэнергии и использование аккумулятора электроэнергии в качестве источника электропитания автоматической системы управления позволяет повысить надежность системы и исключить сбои в энергоснабжении, обусловленные неблагоприятными погодными и климатическими условиями.