КОМПЛЕКСНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
COMPLEX POWER PLANT

Изобретение относится к области производства электроэнергии, кислорода, инертных газов, холода, пресной воды; накопления, хранения и регенерации энергии.
В настоящее время, несмотря на огромные успехи науки и техники, человечество все острее ощущает энергетический дефицит. Одним из наиболее востребованных видов энергии является электроэнергия. Она легко преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, с ее помощью получают холод). Электроэнергия экологически чистая, сравнительно безопасна, легко передается на большие расстояния. Промышленное производство электроэнергии осуществляется путем преобразования самых разнообразных видов энергии (ветряной, гидравлической, химической, солнечной, атомной, геотермальной) в механическую, которая затем преобразуется с помощью электрогенераторов в электрическую. Пожалуй, единственным недостатком электроэнергии является то, что до сего времени не известен способ накопления и хранения электроэнергии в чистом виде в больших количествах, необходимых для промышленной энергетики.
Потребление электроэнергии значительно меняется как в течение суток (максимальное - в утренние часы, минимальное - в ночное время), так и в зависимости от времени года (зимой увеличивается, летом уменьшается). Чтобы обеспечить надежное электроснабжение приходится создавать энергетические мощности в расчете на максимальное потребление, тогда как в остальное время эта мощности остаются невостребованными. Максимальное потребление может превышать минимальное в 3-5 раз. К тому же многие источники энергии (ветряная, солнечная, гидроприливная) весьма нестабильны во времени, хотя они наиболее предпочтительны с точки зрения экологии и ресурсов (они практически неиссякаемые, по крайней мере, на все предсказуемое время существования человечества). Но из-за отсутствия экономически целесообразного способа хранения механической и электрической энергии эти источники используются весьма ограниченно. Для хранения электроэнергии достаточно широко применяются электрохимические аккумуляторы. К сожалению, у этого способа есть существенный недостаток - малая удельная массовая энергоемкость. Серийный электрохимический аккумулятор, способный накопить 1 кВт·ч, весит примерно 20 кг. Для того чтобы сохранить энергию, вырабатываемую одним современным электрогенератором мощностью 1200 МВт за 10 вечерних и ночных часов (43200 кВт·ч), потребовались бы электрохимические аккумуляторы общим весом 864 т. Для их изготовления используются достаточно дорогие металлы (Pb, Ni, Li и др.). Даже с учетом новейших достижений в области нанотехнологий электрохимические аккумуляторы, из-за большой металлоемкости, все же не пригодны для накопления электроэнергии в объемах, сопоставимых с суточной выработкой электроэнергии на современных электростанциях. Вероятнее всего такие электрохимические аккумуляторы будут применяться в основном на легковых автомобилях (см. «Журнал автомобильных инженеров» №3 (50), 2008, стр.38-41).
В последние десятилетия интенсивно ведутся научно-исследовательские работы в области водородной энергетики (см. патент № RU 2179120 "Система экологически чистой водородной энергетики для транспортных средств и электромобильного транспорта"). В США и в Японии уже началось промышленное производство автомобилей, работающих на водородном топливе. Эта система предусматривает производство водорода путем электролиза воды, строительство атомных электростанций для производства электроэнергии, необходимой для электролиза воды, создание инфраструктуры для хранения, транспортирования и заправки автомобилей водородом и последующую регенерацию электроэнергии на автомобиле с помощью двигателя внутреннего сгорания (ДВС) или топливных элементов. У этой системы очень сомнительная перспектива. Ее низкую эффективность можно образно охарактеризовать, перефразируя известную поговорку: «носить водород в решете», подвергаясь опасности взрывов и пожаров.
Сущность настоящего изобретения заключается в том, что комплексная энергетическая станция, имеющая:
- двигатель, использующий предпочтительно неиссякаемый вид энергии и преобразующий этот вид энергии в механическую;
- электрогенератор, преобразующий эту механическую энергию в электрическую;
- повышающий электротрансформатор для передачи электроэнергии потребителям по высоковольтным линиям электропередач,
имеет еще:
- установку для сжижения и разделения воздуха с компрессором;
- криоемкость для хранения сжиженного инертного газа, выделенного из воздуха;
- жидкостный насос для нагнетания сжиженного инертного газа;
- холодильник, в котором холод создается посредством испарения сжиженного инертного газа;
- теплообменник и по меньшей мере два радиатора для нагрева испарившегося инертного газа;
- детандер для охлаждения нагретого инертного газа и частичной регенерации механической энергии, затраченной на привод компрессора;
- дополнительный электрогенератор;
- по меньшей мере четыре двухходовых крана-переключателя;
- сборник пресной воды и водяной насос; и что при этом:
- компрессор приводится в действие через трансмиссию от двигателя, а также для его привода может дополнительно использоваться энергия детандера;
- сжатый компрессором горячий воздух перед поступлением в установку для сжижения и разделения воздуха предварительно подается в теплообменник, где он охлаждается и одновременно подогревает инертный газ, нагнетаемый жидкостным насосом из криоемкости, а также через двухходовые краны-переключатели подается в попеременно переключаемые радиаторы для плавления льда, намерзающего на поверхностях радиаторов;
- сжиженный инертный газ из криоемкости подается под давлением с помощью жидкостного насоса параллельными потоками в системы охлаждения обмоток статоров электрогенераторов, в систему охлаждения обмоток электротрансформатора и в испаритель холодильника, где он испаряется; затем, через двухходовые краны-переключатели подается для нагрева в попеременно переключаемые радиаторы, на поверхностях которых при этом намерзает влага из атмосферного воздуха, и далее в системы охлаждения роторов электрогенераторов, затем в теплообменник и уже нагретым поступает в детандер, где он, охлаждаясь, совершает механическую работу, и затем вместе с атмосферным воздухом всасывается компрессором;
- детандер через трансмиссию может быть подключен к электрогенераторам и передавать им вырабатываемую механическую энергию, когда потребление электроэнергии возрастает и мощности двигателя оказывается недостаточно;
- пресная вода, образующаяся в результате плавления льда, намерзшего на поверхностях радиаторов при протекании через них холодного инертного газа, стекает с радиаторов, нагреваемых горячим сжатым воздухом, в сборник пресной воды, установленный под радиаторами, и с помощью водяного насоса откачивается в систему водоснабжения.
Техническими результатами изобретения являются:
- глобальное и комплексное решение энергетической проблемы, поскольку повсеместно имеются те или иные виды неиссякаемых источников энергии (ветряной, гидравлической, солнечной). Используя эти виды энергии наряду с другими, комплексные энергетические станции могут полностью обеспечить потребности человечества в электроэнергии и в других основных продуктах промышленного назначения (кислорода, сжиженных и сжатых инертных газов, пресной воды и холода для холодильного оборудования);
- решение экологической проблемы, поскольку по мере развития сети комплексных энергетических станций, использующих экологически чистые виды энергии, создается возможность сократить использование атомных и тепловых электростанций, а взамен ДВС транспортных средств, работающих на углеводородных топливах и являющихся основными источниками загрязнения атмосферы, использовать детандеры, вырабатывающие механическую энергии за счет эксергии холода экологически чистых инертных сжиженных газов (см., например, японский патент JP 3696945 В2 9079008 А «Силовая установка, использующая жидкий газ»),
- увеличение коэффициента использования мощности двигателя комплексной энергетической станции благодаря возможности перераспределения избыточной мощности двигателя (при снижении потребности электроэнергии) на привод компрессора для сжижения и разделения воздуха;
- повышение надежности электроснабжения благодаря возможности временного увеличения выработки электроэнергии за счет временного увеличения мощности детандера и передачи этой дополнительной мощности электрогенераторам при соответствующем увеличении подачи сжиженного инертного газа, накопленного в криоемкости в периоды малого потребления электроэнергии;
увеличение коэффициента полезного действия и мощностей электрогенераторов и электротрансформатора благодаря снижению электрического сопротивления их обмоток вследствие охлаждения сжиженным инертным газом.
Принципиальная схема комплексной энергетической станции представлена на фиг.1. На схеме показаны только те элементы, которые использованы для пояснения сущности изобретения. Например, на схеме не показаны плотина гидроэлектростанции или система зеркал и паровой котел солнечной электростанции и т.д. На фиг.2, описание которой будет изложено ниже, показана схема газовых потоков через радиаторы после переключения двухходовых кранов-переключателей во второе положение. На фиг.1 двигатель 1 комплексной энергетической станции соединен трансмиссией 2 с электрогенератором 3 и трансмиссией 4 с компрессором 5. Выход компрессора 5 соединен термоизолированным трубопроводом 6 со входом двухходового крана-переключателя 7 и термоизолированным трубопроводом 8 со входом для горячего воздуха в теплообменник 9, выход из которого соединен трубопроводом 10 со входом в установку 11 (например, см. принципиальную схему и техническую характеристику установки А-8-1 в каталоге «Криогенное оборудование», издание второе, исправленное и дополненное, ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1980, стр.16-17). Через двухходовый кран-переключатель 7 термоизолированный трубопровод 6 сообщается с термоизолированным трубопроводом 12, который в свою очередь соединен с коллектором радиатора 13. Второй коллектор радиатора 13 соединен трубопроводом 14 со входом двухходового крана-переключателя 15, который сообщает трубопровод 14 с трубопроводом 16, соединенным со входом в установку 11. По трубопроводу 17 из установки 11 отводится кислород высокого давления для внешнего потребления, а по трубопроводу 18 через редуктор давления 19 кислород высокого давления может подаваться на вход детандера 20 для увеличения его мощности. По трубопроводу 24 из установки 11 отводится газообразный азот для внешнего потребления, а по термоизолированному трубопроводу 25 сжиженный инертный газ отводится в криоемкость 26. Криоемкость 26 чрез предохранительный клапан 27 соединяется термоизолированным трубопроводом 28 со входом компрессора 5. По термоизолированному трубопроводу 29 из криоемкости 26 отводят сжиженный инертный газ для внешнего потребления. Другой выход из криоемкости 26 соединен термоизолированным трубопроводом 30 с жидкостным насосом 31. Жидкостный насос 31 соединен термоизолированными трубопроводами 32, 33, 34, 35 и 38а со входами систем охлаждения обмоток статора 36 дополнительного электрогенератора 23 и обмоток статора 37 электрогенератора 3, обмоток 38 электротрансформатора 39 и со входом испарителя 40 холодильника 41, а их выходы соединены соответственно трубопроводами 42, 43, 44 и 45 с трубопроводом 46, который соединен со входом двухходового крана-переключателя 47. Через двухходовый кран-переключатель 47 трубопровод 46 сообщается с трубопроводом 48, соединенным с коллектором радиатора 49. Второй коллектор радиатора 49 соединен трубопроводом 50 с двухходовым краном-переключателем 51, через который трубопровод 50 сообщается с трубопроводом 52, который соединен трубопроводом 53 со входом системы охлаждения ротора дополнительного электрогенератора 23 и трубопроводом 54 со входом системы охлаждения ротора электрогенератора 3. Выходы систем охлаждения ротора электрогенератора 3 и дополнительного электрогенератора 23 соединены трубопроводами 55, 56 и 57 со входом для подогреваемого инертного газа теплообменника 9, выход из которого соединен термоизолированным трубопроводом 58 со входом в детандер 20. Выход детандера 20 соединен термоизолированным трубопроводом 59 со входом в компрессор 5. Электрогенератор 3 соединен силовым кабелем 60 с электротрансформатором 39 (силовой кабель от дополнительного электрогенератора 23 к электротрансформатору не показан). От электротрансформатора 39 электроэнергия передается по высоковольтным линиям передач 61 внешним потребителям. Под радиаторами 13 и 49 имеется сборник 62 пресной воды, из которого водяным насосом 63 пресная вода откачивается в систему водоснабжения.
3
3
Комплексная энергетическая станция работает следующим образом. Перед запуском комплексной энергетической станции в эксплуатацию криоемкость 26 частично заполняют сжиженным инертным газом и включается двигатель 1, который приводит в действие через трансмиссию 2 электрогенератор 3 и через трансмиссию 4 компрессор 5. В зависимости от потребности электроэнергии мощность двигателя 1 перераспределяется в различных пропорциях между электрогенератором 3 и компрессором 5. В утренние часы, когда потребление электроэнергии возрастает, большая часть мощности двигателя 1 передается электрогенератору 3. В вечернее и ночное время, когда потребление электроэнергии уменьшается, увеличивается мощность, передаваемая компрессору 5. Таким образом обеспечивается полное использование мощности двигателя 1 вне зависимости от потребности электроэнергии. На входе в компрессор 5 атмосферный воздух 64 смешивается с холодным инертным газом, поступающим из трубопроводов 28 и 59 (см. пояснения далее). В результате этого смешивания в компрессор 5 поступает воздух с пониженной температурой, что способствует уменьшению удельной мощности, потребляемой компрессором 5, и повышению его коэффициента полезного действия. Горячий, в результате сжатия, воздух (с температурой более 100°С) поступает из компрессора 5 по термоизолированному трубопроводу 6 через двухходовый кран-переключатель 7 в трубопровод 12 и далее в радиатор 13, а также по термоизолированному трубопроводу 8 во вход для горячего воздуха теплообменника 9. Проходя через радиатор 13 и теплообменник 9 горячий воздуха нагревает поверхности радиатора 13 и инертный газ в теплообменнике 9, а сам при этом охлаждаются. Охлажденный воздух поступает из теплообменника 9 по трубопроводу 10 и из радиатора 13 по трубопроводам 14 и 16 через двухходовый кран-переключатель 15 в установку 11. Из установки 11 по трубопроводу 24 отводится газообразный азот и по трубопроводу 17 кислород высокого давления для внешнего потребления. При увеличении потребности электроэнергии кислород высокого давления (21,6 МПа) может подаваться по трубопроводу 18 через редуктор давления 19 на вход детандера 20 для увеличения его мощности, передаваемой через трансмиссию 21 дополнительному электрогенератору 23. По трубопроводу 25 сжиженный инертный газ из установки 11 поступает в криоемкость 26. Поскольку полностью исключить подвод тепла к сжиженному инертному газу в криоемкости 26 невозможно, то он будет частично испаряться, и в криоемкости 26 будет повышаться давление. Чтобы поддерживать в криоемкости 26 постоянное давление, испарившийся инертный газ стравливается через предохранительный клапан 27 по термоизолированному трубопроводу 28 на вход компрессора 5. Сжиженный инертный газ из криоемкости 26 подается под давлением с помощью жидкостного насоса 31 по термоизолированным трубопроводам 30, 32, 33, 34, 35 и 38а в системы охлаждения обмоток 36 статора дополнительного электрогенератора 23, обмоток статора 37 электрогенератора 3, в систему охлаждения обмоток 38 электротрансформатора 39 и в испаритель 40 холодильника 41. Благодаря охлаждению обмоток электрогенераторов и электротрансформатора сжиженным инертным газом (температура сжиженного азота около 80 К) снижается их электрическое сопротивление, повышается коэффициент полезного действия, а также обеспечивается возможность увеличения мощности электрогенераторов, уменьшения их удельных размеров и удельной массы электротрансформатора (мощности электрогенераторов и электротрансформаторов обычно ограничиваются из-за перегрева их обмоток). Под действием тепла, выделяющегося в обмотках статоров электрогенераторов, в обмотках электротрансформатора, и за счет тепла, отбираемого из камер холодильника 41, сжиженный инертный газ испаряется. Затем испарившийся инертный газ по трубопроводам 42, 43, 44, 45 и 46 поступает через двухходовый кран-переключатель 47 в трубопровод 48 и далее в радиатор 49. В радиаторе 49 испарившийся инертный газ нагревается за счет тепла окружающей атмосферы до температуры несколько ниже 0°С, с тем, чтобы на холодных поверхностях радиатора 49 намерзала влага из окружающего воздуха. Намерзающий лед будет ухудшать теплопередачу в радиаторе, поэтому через определенное время двухходовые краны-переключатели 7,15, 47 и 51 переключаются в положение, показанное на фиг.2. В этом случае в радиаторе 49 будет протекать, через двухходовый кран-переключатель 7 и термоизолированные трубопроводы 6 и 50, горячий воздух из компрессора 5, а в радиаторе 13 из трубопровода 46 через кран-переключатель 47 и трубопровод 14 - холодный инертный газ. На радиаторе 49 лед будет таять, а на радиаторе 13 намерзать. Благодаря такому попеременному переключению двухходовых кранов-переключателей обеспечивается необходимый коэффициент теплопередачи в радиаторах и получение пресной воды, которая стекает в сборник 62 пресной воды, расположенный под радиаторами 13 и 49. Из сборника 62 пресная вода откачивается водяным насосом 63 в систему водоснабжения. Из радиатора 49 (на Фиг.1) или из радиатора 13 (на фиг.2) инертный газ с температурой менее 0°С (как отмечалось выше) через кран-переключатель 51 по трубопроводам 52, 53 и 54 (см. фиг.1) поступает в системы охлаждения роторов электрогенераторов 23 и 3, где он подогревается. Охладив роторы электрогенераторов 3 и 23, подогретый инертный газ по трубопроводам 55, 56 и 57 поступает в теплообменник 9, где он дополнительно нагревается горячим воздухом, поступающим по трубопроводам 6 и 8 из компрессора 5 (как отмечалось ранее, с температурой выше 100°С). Из теплообменника 9 нагретый инертный газ по термоизолированному трубопроводу 58 поступает в детандер 20, где он совершает работу и охлаждается. Отработавший и охладившийся инертный газ по трубопроводу 59 поступает на вход компрессора 5. Таким образом, детандер 20 частично регенерирует механическую энергию, затраченную на привод компрессора 5. Как следует из технической характеристики вышеупомянутой установки А-8-1, она потребляет мощность 0,219×8500=1861,5 кВт, что сопоставимо со средней мощностью современной ветряной энергоустановки. За 10 вечерних и ночных часов, когда потребление электроэнергии уменьшается и большая часть мощности двигателя 1 передается компрессору 5, установка А-8-1 способна выработать 85000 мгазообразного азота, 1000 м газообразного кислорода высокого давления (21,6 МПа) и 1200 кг сжиженного азота. Сжиженный инертный газ и кислород высокого давления, вырабатываемые установкой 11, обладают эксергией и, следовательно, пригодны для накопления, хранения и последующей регенерации механической и электрической энергии в промышленных объемах (см. учебник «Криогенные системы». Архаров А.М. и др., 2-е издание, переработанное и дополненное. - Издательство “Машиностроение”, 1988, стр.26). Так, например, если обычная солнечная электростанция не может работать в ночное время, а ветряная - при отсутствии ветра, то комплексная энергетическая станция может некоторое время продолжать функционировать, используя эксергию холода накопленного сжиженного газа и кислорода высокого давления. Для этого подача сжиженного инертного газа из криоемкости 26 с помощью жидкостного насоса 31 увеличивается и дополнительно через редуктор давления 19 по трубопроводу 18 в детандер 20 может подаваться из установки 11 кислород высокого давления. При этом большая часть мощности детандера 20 используется для привода электрогенератора 3 или 23. Таким же образом можно временно увеличить выработку электроэнергии в часы пикового потребления.
Как следует из вышеизложенного, для регенерации механической энергии с помощью детандера, сжиженный инертный газ необходимо испарить. Используя, в частности, для этого в составе комплексной энергетической станции испаритель 40 холодильника 41, можно попутно, без дополнительных затрат энергии, получать большое количество холода. При последующем нагреве инертного газа, за счет тепла окружающего воздуха, на поверхностях радиаторов 13 и 49 происходит, также без дополнительных затрат энергии, вымораживание влаги из атмосферного воздуха, после таяния которой получается пресная вода. Накопленный в криоемкости 26 сжиженный инертный газ может использоваться также для внешнего потребления, в частности, в качестве криоэксергента для силовых установок автомобилей и других подвижных объектов (см. вышеупомянутый японский патент JP 3696945 В2 9079008 А в реферативном журнале «Изобретения стран мира», выпуск 64 №9/2006, стр.51) как экологически чистый заменитель углеводородного топлива для транспортных средств. В этом случае значительно упрощается конструкция и уменьшается стоимость автомобиля, так как вместо ДВС, состоящего из многих десятков узлов и агрегатов, потребуется всего лишь простейший детандер.
Наиболее целесообразно строить комплексные энергетические станции с ветряными двигателями на островах и на морских платформах в районах с сильными и частыми ветрами. Еще более рационально оснащать комплексными энергетическими станциями с ветряными двигателями морские суда. Такие «парусники-рефрежераторы», плавая по бурным морям и океанам, будут без затрат топлива не только транспортировать грузы, в том числе и требующие охлаждения, но и вырабатывать кислород, инертные газы и пресную воду как во время плавания, так и во время стоянки на рейде в ожидании погрузо-разгрузочных работ. Комплексные энергетические станции можно не только строить вновь, но и дооборудовать установками для сжижения и разделения воздуха и криоемкостями любые действующие электростанции, что позволит в сравнительно короткий срок перевести, прежде всего, самый массовый легковой автомобильный транспорт на экологически чистую криоэнергетику.