СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ХОЛОДНОГО И ТЕПЛОГО ВОЗДУХА

Предлагаемая полезная модель относится к автономным энергетическим устройствам и предназначена для экологически чистого обеспечения потребителей электричеством, холодным и теплым воздухом регулируемой температуры 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 воздухо-воздушный теплообменник. Система вырабатывает электричество, холод и тепло.
Однако эта ветроагрегатная система
- не обеспечивает постоянство выработки этих видов энергии из-за неравномерного по времени ветропотенциала,
- не позволяет регулировать подачу тепла,
- 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 постоянство выработки электроэнергии и холода из-за неравномерного по времени ветропотенциала,
- энергия охлажденного воздуха из эжектора теряется безвозвратно.
Технической задачей заявляемого решения является эффективная непрерывная выработка электроэнергии, холодного и теплого воздуха регулируемой температуры в заданных количествах, преимущественно в сфере малой энергетики, что повышает потребительское качество системы 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 накопительнойемкостью. 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, вторую воздушную турбину, соединенную механически со вторым электрогенератором, второй эжектор с высоконапорным и низконапорным входами, турбодетандер, соединенный механически с третьим электрогенераторм, эжекторный смеситель с высоконапорным и низконапорным входами и запорнорегулирующие краны. Выход воздушного компрессора и высоконапорный вход эжектора соединены через краны с накопительной емкостью. Выход эжектора через турбодетандер подключен к холодильнику. Высоконапорный вход второго эжектора через кран подключен к накопительной емкости, а выход эжектора - к помещению. Высоконапорный вход эжекторного смесителя подключен к выходу компрессора через кран, низконапорный вход - соединен с атмосферой. Выход эжекторного смесителя соединен с помещением.
Дополнительное наличие помещения, холодильника, турбодетандера и эжекторного смесителя позволяет решить задачу непрерывной выработки электроэнергии, холодного и теплого воздуха регулируемой температуры в заданных количествах.
Использование второй воздушной турбины со вторым электрогенератором позволяет получать дополнительную электроэнергию и понизить температуру воздуха, поступающего в помещение.
Использование второго эжектора позволяет охлаждать воздух помещения до температуры заданного уровня.
Использование турбодетандера с третьим 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 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 и нагретым воздухом от компрессора работающей газотурбинной установки.
Система может содержать в качестве привода компрессора электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания, газотурбинный двигатель, ветродвигатель, что 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.
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 и холодного воздуха заданной и регулируемой температуры, 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 входомсоединен с атмосферой, а выходом с накопительной емкостью 8. Воздушная турбина 1 газодинамически входом соединена с атмосферой, а выходом - с низконапорным входом 5 эжектора 3. Высоконапорный вход 4 эжектора 3 подключен к накопительной емкости 8. Система дополнительно содержит помещение 9, холодильник 10, вторую воздушную турбину 11, соединенную механически со вторым электрогенератором 12, второй эжектор 13 с высоконапорным 14 и низконапорным 15 входами, турбодетандер 16, соединенный механически с третьим электрогенераторм 17, эжекторный смеситель 18 с высоконапорным 19 и низконапорным 20 входами и запорнорегулирующие краны 21, 22, 23 и 24. Выход воздушного компрессора 6 и высоконапорный вход 4 эжектора 3 через краны 21 и 22 соответственно соединены с накопительной емкостью 8. Высоконапорный вход 14 второго эжектора 13 соединен с накопительной емкостью через кран 23. Низконапорный вход 15 второго эжектора 13 через вторую турбину 11 соединен с атмосферой. Выход эжектора 13 подключен к помещению 9. Выход эжектора 3 через турбодетандер 16 подключен к холодильнику 10. Высоконапорный вход 19 эжекторного смесителя 18 газодинамически через кран 24 соединен с выходом компрессора 6. Низконапорный вход 20 эжекторного смесителя 18 связан с атмосферой. Выход эжекторного смесителя 18 подключен к помещению 9.
Система (см. фиг.2) может содержать газотурбинную установку 25 с регулятором отбора воздуха 26 из компрессора установки в накопительную емкость 8.
Работа системы осуществляется следующим образом.
Перед началом работы запорнорегулирующие краны 22, 23 и 24 закрыты (фиг.1), а кран 21 открыт. Запускается привод 7 и компрессор 6 начинает подавать сжатый воздух в накопительную емкость 8. После того, как давление воздуха в накопительной емкости 8 достигнет заданного уровня система готова к нормальному функционированию.
Для работы холодильника 10 открывается кран 22, сжатый воздух из накопительной емкости 8 с температурой близкой к атмосферной поступает в высоконапорный вход 4 эжектора 3 и подсасывает через низконапорный вход 5 эжектора 3 воздух, поступающий в воздушную турбину 1 из атмосферы. Происходит раскрутка воздушной турбины 1 и приводимого ей электрогенератора 2, который вырабатывает электроэнергию. В эжекторе 3 сжатый воздух и воздух из турбины смешиваются, создавая суммарный расход смеси, при этом давление смеси становится ниже давления сжатого воздуха, но выше - атмосферного. Далее воздух поступает в турбодетандер 16, раскручивает его и приводимый им третий электрогенератор 17, охлаждается за счет расширения смеси и подается в холодильник 10. Регулирование температуры воздуха в холодильнике 10 производится краном 22, изменяющим расход воздуха, поступающего в холодильник 10.
Для охлаждения помещения 9 открывается кран 23 и сжатый воздух из накопительной емкости 8 через высоконапорный вход 14 поступает во второй эжектор 13 и подсасывает охлажденный во второй воздушной турбине 11 воздух, поступающий в нее из атмосферы. Происходит раскрутка воздушной турбины 11 и приводимого ей второго электрогенератора 12. Охлажденный воздух из эжектора 13 подается в помещение 9. Регулирование охлаждения воздуха в помещении 9 производится краном 23, изменяющим расход воздуха, поступающего в помещение 9.
Для подогрева воздуха в помещении 9 закрывается кран 23 и открывается кран 24. Горячий воздух из компрессора 6 через кран 24 поступает в высоконапорный вход 19 эжектора 18. В эжекторный смеситель 18 через низконапорный вход 20 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 24, 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 21.
По схеме фиг.2 в накопительную емкость 8 через кран 26 может также поступать часть воздуха, отобранная из компрессора газотурбинной установки (ГТУ) 25.
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 и выработки электроэнергии.
В системе используется компрессор, который производит 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. Вторая турбина 11 имеет степень понижения полного давления 1.3. Второй эжектор 13 обеспечивает расход воздуха через вторую турбину 11, равный 0.11 кг/с. При этих параметрах агрегатов системы вторая турбина 11 с к.п.д, равным 0.5,обеспечивает мощность дополнительного электрогенератора, равную 0.9 кВт, и холодильную мощность для кондиционирования помещения 9-0.9 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 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 непрерывно, 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.