СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ В ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКЕ
METHOD TO GENERATE POWER IN HYBRID POWER PLANT

Изобретение относится преимущественно к способам преобразования энергии газообразного топлива (природный или синтез-газ, водород) в механическую (электрическую), преимущественно к транспортным энергетическим установкам и системам энергообеспечения на их основе, и предназначено для транспортных средств, снабженных электро- или гибридным приводом.
Известны способы преобразования энергии газообразного топлива (природный или синтез-газ, водород) в механическую (электрическую), в том числе в транспортных энергоустановках, преобразующих первичную энергию в электрическую, которая запасается в электроаккумуляторах и затем по необходимости служит приводом движителя транспортных средств. Значительный потенциал имеют гибридные энергоисточники, которые выгодно использовать при постоянной нагрузке, в то время как транспортное средство движется неравномерно, что требует изменения мощности. Из особенностей работы транспортных энергогенерирующих систем известна проблема увеличения эффективности энергоисточника при работе на переменной мощности. Таким образом, возникает задача создания способов преобразования энергии, энергоаккумулирующих установок и систем, способных обеспечивать высокую эффективность генерации энергии в требуемом по условиям потребления неравномерном режиме вне зависимости от графика выработки первичной энергии.
Известен также способ производства электрической энергии из природного газа, с использованием топливного элемента на твердом оксиде, содержащий стадии электрохимического окисления природного газа, прошедшего предварительное расширение и нагрев природного газа выходящим из топливного элемента потоком (заявка РФ на изобретение №2000107827, дата публикации 2002.01.20). Недостатком данного способа и устройства является низкий КПД.
В частности, предложен способ генерации энергии в гибридной силовой установке, содержащей первый накопитель энергии, работающий для поддержания рабочей мощности по меньшей мере одного мотора с фрикционной передачей; второй накопитель энергии, электрически соединенный с первым накопителем энергии и мотором с фрикционной передачей, при этом второй накопитель энергии работает для поддержания рабочей мощности по меньшей мере одного мотора с фрикционной передачей для пополнения мощности, взятой из первого накопителя энергии; и вспомогательную силовую установку, которая содержит топливный элемент и работает для заряда первого накопителя энергии (заявка РФ на изобретение №2007103167, дата публикации 2008.08.10 - прототип). Недостатком данного способа и устройства также является низкий КПД.
Задача изобретения - создать способ генерации энергии в гибридной энергоустановке, в котором повышены динамические и маневренные возможности генерации энергии и надежность работы топливного элемента, снижен расход топлива, улучшены экономические показатели энергоустановок и систем энергообеспечения.
Поставленная задача решается тем, что применяют способ генерации энергии в гибридной энергоустановке, в котором окислитель направляют в камеру сгорания теплового двигателя, в которую подают основное топливо, а также в топливный элемент, в который подают также вторичное топливо, при этом, по меньшей мере, часть продуктов, выходящих из топливного элемента, направляют в камеру сгорания теплового двигателя, а выходящий из него поток охлаждают путем нагрева основного или вторичного топлива или окислителя с извлечением водяного пара, который направляют в смеси с вторичным топливом в топливный элемент.
Кроме того,
- в топливном элементе проводят паровую конверсию вторичного топлива с образованием синтез-газа;
- вторичное топливо перед топливным элементом сжимают, испаряют или редуцируют;
- в качестве теплового двигателя используют двигатель внутреннего сгорания: газопоршневой, газотурбинный или дизельный двигатель; или двигатель Стирлинга;
- извлечение водяного пара из потока, выходящего из теплового двигателя, осуществляют путем цикла сорбции/десорбции или конденсации/испарения, в котором десорбцию или испарение ведут за счет тепловой энергии продуктов, выходящих из топливного элемента, или потока, выходящего из теплового двигателя;
- основное и вторичное топливо выбирают из ряда, содержащего водород, природный газ, синтез-газ, углеводороды, метанол, аммиак, этиловый спирт или их смеси;
- регулируют подачу топлива и/или окислителя в топливный элемент в зависимости от потребности в энергии или допустимой скорости разогрева топливного элемента;
- в качестве окислителя выбирают кислород или воздух.
Примером реализации изобретения служит способ генерации энергии, описанный ниже.
В излагаемом примере осуществления изобретения в качестве основного и вторичного топлива применяется природный газ, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам электрохимического окисления метана и других углеводородов, входящих в состав природного газа, с возможностью их предварительной паровой конверсии в топливном элементе с образованием, а затем частичным электрохимическим окислением синтез-газа и его последующим смешением в камере сгорания теплового двигателя транспортных или стационарных гибридных энергоустановок.
Способ осуществляется следующим образом.
Выходящие из теплового двигателя 1 продукты сгорания подают на охлаждение в теплообменник 2, в котором производится нагрев природного газа 3 или воздуха. Затем продукты сгорания направляют в конденсатор и/или сорбционное устройство 4, в котором производят извлечение водяного пара 5 путем конденсации или сорбции. При необходимости конденсат испаряют при рабочем давлении топливного элемента или десорбируют из сорбента путем его нагрева продуктами сгорания при периодическом переключении сорбента в режим сорбции/десорбции. Водяной пар 5 смешивают с природным газом 3 в смесителе 9 и направляют в топливный элемент 6. В зависимости от режима работы в топливный элемент подают также воздух 7. В топливном элементе 6 происходит с образованием синтез-газа паровая или парокислородная конверсия природного газа с участием кислорода, который поступает через твердооксидный электролит. Поток, формирующийся за счет электрохимического окисления, образующегося в топливном элементе синтез-газа, направляют в камеру сгорания 8 теплового двигателя 1, в которую подают также природный газ 3 в качестве основного топлива и воздух 7 в качестве окислителя.
Топливо 3 (в описываемом примере - природный газ) перед камерой сгорания 8 и перед топливным элементом сжимают, испаряют или редуцируют в зависимости от давления и агрегатного состояния топлива, подаваемого из емкости природного газа. Регулируют подачу топлива 3 и/или воздуха 7 в топливный элемент 6 в зависимости от потребности в энергии или допустимой скорости разогрева топливного элемента, которая, в свою очередь, ограничена, в основном, термостойкостью керамических компонентов топливного элемента 6, относящегося к электрохимическим генераторам, в которых химическая энергия топлива 3 непосредственно преобразуется в электрическую энергию, а именно к высокотемпературным электрохимическим генераторам с твердооксидными топливными элементами (ТОТЭ), использующими в качестве топлива углеводородный газ (например, природный газ), а в качестве окислителя - кислород воздуха. Характерной особенностью таких топливных элементов является то, что большинство составляющих его частей, таких как батарея, конвертор, преобразующий природный газ в синтез-газ, образующий вместе с другими непрореагировавшими компонентами анодный газ, регенеративный теплообменник подогрева поступающего воздуха - катодного газа отходящими газами, детали, узлы и оборудование, образующие анодное и катодное пространства и каналы для природного газа и отходящих газов, обеспечивающие циркуляцию газов, электрическую коммутацию и электроизоляцию, крепление оборудования и др., работают в довольно узком диапазоне высоких температур порядка 1173-1273 К. Это обусловлено тем, что при минимальной температурной неоднородности (при температурах составных частей, близких к максимальной температуре эксплуатации, определяемой их термостойкостью) достигаются наилучшие электрические характеристики, наивысшая температура передаваемого на утилизатор тепла, а следовательно, наивысший КПД, а также уменьшаются термические напряжения в деталях и узлах и повышается их надежность.
Используемые в составных частях топливного элемента 6 материалы в значительной степени определяются типом топливного элемента и, в частности, для надежного соединения деталей и узлов между собой, особенно с требованием газоплотности и (или) электропроводности, необходима идентичность (близость) их материалов, так как в противном случае из-за высокого значения максимальной температуры эксплуатации, а следовательно, высокой разности максимальной и минимальной температуры эксплуатации, в этих соединениях возникают значительные термические напряжения, уменьшающие надежность. Особенно это относится к соединениям деталей и узлов из керамики ввиду их низкой пластичности и прочности при растяжении. В большинстве известных конструкций электрохимических генераторов с твердооксидными топливными элементами (ТОТЭ) в качестве электролита применяется оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия или скандия. Применение керамики в качестве конструкционных материалов топливного элемента обуславливает низкие массогабаритные характеристики теплообменного оборудования топливного элемента из-за низкой теплопроводности керамики и трудностей изготовления тонкостенных деталей и сложность монтажа деталей и узлов составных частей топливного элемента, особенно обеспечение газоплотности и (или) электропроводности монтажных соединений и их контроль, что связано с необходимостью применения высокотемпературных клеев (герметиков), требующих термообработки при температурах, превышающих максимальную температуру эксплуатации. В выполнении требований к режимам работы топливного элемента 6 наибольшие трудности возникают вследствие низких значений допустимых скоростей изменения температуры деталей и узлов топливного элемента из-за возникновения значительных термических напряжений вследствие низкой теплопроводности, разнотолщинности деталей и узлов и низкой прочности на растяжение, что ухудшает маневренные характеристики топливного элемента. В этой связи и проводят регулирование подачи топлива в топливный элемент таким образом, чтобы вне зависимости от режима работы теплового двигателя обеспечить максимально низкие температурные изменения в топливном элементе. При этом диапазон выдаваемой мощности гибридной энергоустановки может быть чрезвычайно широким, в том числе и в связи с применением в ее составе электроаккумуляторов, зарядка которых может производиться избыточной (по отношению к полезной) нагрузкой топливного элемента.
В качестве топлива могут применяться также водород, природный газ, синтез-газ, углеводороды, метанол, аммиак, этиловый спирт или их смеси. В качестве окислителя могут быть выбраны как кислород, так и воздух или их смеси.
В процессе реализации излагаемого способа генерации энергии могут использоваться возможности нагрева топливного элемента с помощью внешнего подвода тепла, например, продуктами сгорания теплового двигателя или за счет электроаккумуляторов.
Таким образом, указанный способ позволит повысить динамические и маневренные возможности генерации энергии, снизить расход топлива, повысить надежность работы топливного элемента, улучшить экономические показатели энергоустановок и систем энергообеспечения - задача изобретения.