Гелиогеотермальный энергокомплекс
HELIOGEOTHERMAL POWER COMPLEX

Область техники.
Изобретение относится к системам и установкам энергообеспечения, использующим возобновляемые и невозобновляемые источники энергии, к гелиотехнике и может быть использовано для электроснабжения и теплоснабжения различных объектов, потребителей.
Уровень техники.
Известна установка гелиогеотермального теплоснабжения (SU 1537978, А1, Бюл. №3, опубл. 23.01.1990 г.) [1], позволяющая повысить термический коэффициент полезного действия за счет более полного использования солнечной энергии, энергетическую эффективность работы теплового насоса. Установка содержит два контура - солнечного коллектора и геотермального теплообменника, основной и промежуточный баки-аккумуляторы, тепловой насос. При снижении солнечной радиации температура воды в промежуточном баке-аккумуляторе уменьшается до некоторого уровня, при котором включается в работу установки тепловой насос, но температура воды превышает температуру геотермального флюида (вода геотермального коллектора) в контуре геотермального теплообменника, в испаритель теплового насоса подается смесь воды геотермального коллектора и воды из бака-аккумулятора. В нагнетательную скважину контура геотермального теплообменника и в бак-аккумулятор после испарителя теплового насоса также возвращается смесь воды из геотермального коллектора и воды из бака-аккумулятора, что позволяет использовать тепловой потенциал теплоносителей при снижении их температуры. Установка может работать в режимах теплоснабжения - солнечного, теплонасосного и солнечно-теплонасосного.
К недостаткам установки гелиогеотермального теплоснабжения можно отнести расход электроэнергии на приводы насосов контуров солнечного коллектора и геотермального теплообменника, на электродвигатель теплового насоса, а также невозможность обеспечения данной установкой электроэнергией потребителей.
Известна система теплоснабжения и горячего водоснабжения на основе возобновляемых источников энергии (RU 2445554, С1, Бюл. №8, опубл. 20.03.2012 г.) [2], включающая скважину-теплообменник для отбора низкопотенциального тепла горных пород, тепловой насос, пиковый электродоводчик, контуры горячего водоснабжения и низкотемпературного напольного отопления, а также контур с солнечными коллекторами и баком-аккумулятором. Контур с солнечными коллекторами эксплуатируется круглогодично для обеспечения потребителя горячей водой, а блок низкотемпературного напольного отопления с тепловым насосом и скважиной-теплообменником глубиной 100 - 200 м включается в эксплуатацию только в отопительный (зимний) период. В летний период часть горячей воды из бака-аккумулятора направляется в скважину для полного восстановления температуры в горной породе вокруг скважины, остывшей в отопительный период.
Недостатками системы являются отсутствие источника электроэнергии и как следствие высокие эксплуатационные затраты на работу электродвигателей насосов, компрессора теплового насоса, в особенности нагревателя воды для горячего водоснабжения в периоды отсутствия солнечной радиации.
Известна полезная модель - мобильный автономный источник энергии (RU 122712, U1, Бюл. №34, опубл. 10.12.2012 г.) [3], предназначенный для полноценного энергоснабжения как жилых и производственных помещений, не имеющих центрального энергоснабжения. Полезная модель контейнер, в котором установлены основной блок электрических аккумуляторов, связанный с ветроэлектрической установкой, линиями передачи электрической энергии, насос, система электроснабжения потребителя, автоматическая система управления, связанная линиями передачи электрической энергией и линиями передачи сигнала с блоком электрических аккумуляторов автоматической системы управления, а также с основным блоком электрических аккумуляторов и датчиком регулирования мощности теплового электрического нагревателя, инверторы, регулирующая арматура, обратные клапаны, трубопроводы, ввод обратной воды, вывод подаваемой горячей воды, связанные с системой теплоснабжения потребителя, бак нагрева воды с встроенным в него тепловым электрическим нагревателем, солнечно-воспринимающую поверхность, размещенную на крыше контейнера, дизельную электрическую генераторную установку.
К недостаткам мобильного автономного источника энергии можно отнести использование для нагрева воды системы теплоснабжения в период неудовлетворительной активности солнечного излучения и потоков ветра дизельной электрической генераторной установки, а не источника возобновляемой энергии, что сказывается на росте эксплуатационных затрат.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ комбинированного использования альтернативных источников энергии для отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения помещений [4] (RU 2622779, С1, Бюл. №17, опубл. 20.06.2017 г. прототип), в котором электрическая энергия, вырабатываемая гибридным солнечным коллектором (включает в себя фотоэлектрические модули и солнечный коллектор), поступает в преобразователь электрической энергии и используется инверторным парокомпрессорным тепловым насосом для кондиционирования и отопления помещения, бивалентным водонагревателем для подогрева воды при недостаточной тепловой мощности гибридного теплового коллектора. Избыточная электрическая энергия накапливается в электрическом аккумуляторе и используется для «дежурного» освещения. В теплое время теплохладоноситель инверторного парокомпрессорного теплового насоса подается в помещение для кондиционирования воздуха и обратно на инверторный парокомпрессорный тепловой насос, откуда полученное тепло посредством теплосъемных труб инверторного парокомпрессорного теплового насоса закачивается в аккумулятор тепла, представляющий собой петротермальную скважину, в которой на глубине ниже слоя годовых колебаний температуры методом гидравлического разрыва пласта созданы трещины и в которой для создания аккумулятора тепла закачано вещество (мирабилит (глауберова соль) или парафин) с температурой фазового перехода 20 - 43°С. В холодное время инверторный парокомпрессорный тепловой насос посредством теплохладоносителя теплосъемных труб подает тепло из аккумулятора тепла в помещение для отопления. Тепло теплоносителя гибридного солнечного коллектора поступает в бивалентный водонагреватель для подогрева воды в системе горячего водоснабжения и в абсорбционный тепловой насос для выработки холода в системе кондиционирования воздуха в помещении, и после отдачи тепла теплоноситель из абсорбционного теплового насоса и бивалентного водонагревателя возвращается на нагрев в гибридный солнечный коллектор.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности обеспечения электроэнергией потребителей, циркуляционных насосов теплоносителя, отсутствие источников энергии, позволяющих обеспечивать электроэнергией потребителей, в отсутствие солнечной радиации, опасность загрязнения почв мирабилитом, парафином.
Раскрытие изобретения.
Задача изобретения - бесперебойное обеспечение потребителя электроэнергией, тепловой энергией, повышение эффективности комплексного освоения геотермальных и гелиотермальных ресурсов, энергосбережение, повышение эффективности производства энергии.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение бесперебойности работы, увеличение экономической эффективности гелиогеотермального энергокомплекса, при возможности производства электроэнергии, тепловой энергии для реализации потребителю.
кип
к
Это достигается тем, что гелиогеотермальный энергокомплекс включает фотоэлектрические модули (солнечная электрическая станция) ФЭМ, подключенную в комплексе с дизель-генераторной установкой ДГУ и аккумуляторными батареями АКБ, теплового насоса ТН, солнечного вакуумного коллектора СВК. Питание нагрузки осуществляется от независимых источников электроснабжения - ФЭМ, АКБ и ДГУ, соединенных между собой блоком переключения (не показан), позволяющего производить автоматическое переключение между источниками питания нагрузки в условиях сниженной генерации электроэнергии фотоэлектрическими модулями, исчерпания накопленной электроэнергии аккумуляторных батарей или подключения ДГУ в условиях пикового потребления нагрузки. Электроэнергия, полученная от ФЭМ, ДГУ и АКБ, используется для работы ТН, насосов циркуляции теплоносителя ЦН, а также поступает потребителю. ТН осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе (например, озонобезопасный хладагенте R134a, температура кипения, t =1 - 3°С), которое забирает низкопотенциальную тепловую энергию в испарителе теплового насоса ИСТН и направляет ее потребителю через конденсатор теплового насоса КДТН, при температуре конденсации t=50 - 60°С, температуре выходящей горячей воды - 45 - 55°С. ИСТН получает тепловую энергию через теплообменник, ТО от геотермального теплоносителя - воды, закачивающейся в нагнетательную петротермальную скважину с температурой 10 - 12°С и откачивающейся из добычной скважины с температурой 20 - 22°С. Через ТО циркулирует теплоноситель - вода с температурой на выходе 16 - 18°С и на входе 6 - 8°С, используемый для теплоснабжения ДГУ, передачи тепла ТН и СВК.
За отопительный период при постоянной циркуляции воды через нагнетательную и добычную скважины происходит постепенное охлаждение горной породы, однако в межотопительный период происходит восстановление температурного поля вокруг скважин, за счет притока тепла от пород вне зоны теплосъема. Использование ТО, как промежуточного теплообменника между петротермальными скважинами и ИСТН, обуславливается коррозией, отложением солей и т.д. на поверхности теплообменного аппарата и как следствие снижением передачи тепла, температуры воды направляемой потребителям для теплоснабжения. Использование ТО позволит обеспечить быструю его замену для чистки/ремонта без остановки работы энергокомплекса.
В сравнении с прототипом [4], где изобретение способно только обеспечивать теплоснабжение потребителя и вырабатывать электроэнергию для «дежурного» освещения, заявляемое изобретение имеет возможность бесперебойно производить как тепловую энергию для теплоснабжения, так и электроэнергию для реализации, что в целом повышает экономическую эффективность гелиогеотермального энергокомплекса. Также предусмотрена возможность обеспечивать теплоснаснабжение потребителя в случае поломки/неисправности ТН - напрямую от солнечного коллектора.
Описание чертежей.
На фиг. 1 представлена схема гелиогеотермального энергокомплекса.
Осуществление изобретения.
Изобретение содержит: фотоэлектрические модули (ФЭМ) - поз. 1 (см. фиг. 1), дизель-генераторную установку (ДГУ) - поз. 2, аккумуляторные батареи (АКБ) - поз. 3, тепловой насос (ТН) - поз. 4, солнечный вакуумный коллектор (СВК) - поз. 5, испаритель теплового насоса (ИСТН) - поз. 6, конденсатор теплового насоса (КДТН) - поз. 7, теплообменник (ТО) - поз. 8, циркуляционные насосы (ЦН) - поз. 9-13, потребитель - поз. 14 (см. фиг. 1).
Изобретение работает следующим образом.
Пример 1.
кип
к
Вода с температурой 10°С подается ЦН 9 в нагнетательную петротермальную скважину, нагревшись от горных пород, всасывается ЦН 10 с температурой 20°С и нагнетается в ТО, где нагревает воду линии ТО - ИСТН от 6 - 7° до 16°С. Из ТО воду ЦН 11 подает в ИСТН с температурой кипения R134a t=1°С и конденсации t=50°С. Из КДТН вода при температуре 45°С ЦН 12 направляется потребителю, а возвращается с температурой 30°С. В случае поломки/неисправности ТН насос ЦН 11 может подавать воду с температурой 16°С к ЦН 13 для нагрева воды в СВК до 45°С и направления ее потребителю и для теплоснабжения ДГУ. Коэффициент преобразования теплоты ТН равен 4,9. Электроэнергия, полученная от ФЭМ, ДГУ и АКБ, используется для работы ТН, насосов циркуляции теплоносителя ЦН, а также поступает потребителю.
Пример 2.
кип
к
Полученная электроэнергия от ФЭМ, ДГУ и АКБ используется по примеру 1, но вода с температурой 12°С подается ЦН 9 в нагнетательную петротермальную скважину, нагревшись от горных пород, всасывается ЦН 10 с температурой 22°С и нагнетается в ТО, где нагревает воду линии ТО - ИСТН от 8° до 18°С. Из ТО воду ЦН 11 подает в ИСТН с температурой кипения R134a t=3°С и конденсации t=60°С. Из КДТН вода при температуре 55°С ЦН 12 направляется потребителю, а возвращается с температурой 40°С. В случае поломки/неисправности ТН насос ЦН 11 может подавать воду с температурой 18°С к ЦН 13 для нагрева воды в СВК до 55°С и направления ее потребителю и для теплоснабжения ДГУ. Коэффициент преобразования теплоты ТН равен 3,775.
Пример 3.
кип
к
Полученная электроэнергия от ФЭМ, ДГУ и АКБ используется по примеру 1 и 2, но вода с температурой 25°С подается ЦН 9 в нагнетательную петротермальную скважину, нагревшись от горных пород, всасывается ЦН 10 с температурой 35°С и нагнетается в ТО, где нагревает воду линии ТО - ИСТН от 20° до 30°С. Из ТО воду ЦН 11 подает в ИСТН с температурой кипения R134a t = 15°С, конденсации t=78°С и температуре конца сжатия компрессором 88°С. Из КДТН вода при температуре 73 - 75°С ЦН 12 направляется потребителю, а возвращается с температурой 60°С. Однако температуры конденсации и конца сжатия превышают максимально допустимые рабочие температуры для работы компрессора ТН.
Пример 4.
кип
к
Полученная электроэнергия от ФЭМ, ДГУ и АКБ используется по примеру 1 - 3, но вода с температурой 8°С подается ЦН 9 в нагнетательную петротермальную скважину, нагревшись от горных пород, всасывается ЦН 10 с температурой 17-18°С и нагнетается в ТО, где нагревает воду линии ТО - ИСТН от 4° до 14°С. Из ТО воду ЦН 11 подает в ИСТН с температурой кипения R134a t = минус 1°С и конденсации t=45°С. Однако при данной температуре кипения возможно замерзание воды в испарителе ТН и его поломка.
Гелиогеотермальный энергокомплекс сможет бесперебойно обеспечивать потребителя тепловой и электрической энергией, снизить ее себестоимость, повысить эффективность производства энергии.
Изобретение может быть применено на стандартном оборудовании, при использовании существующих материалов и технических решений.