СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРООБЕСПЕЧЕНИЯ АГРЕГАТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
SYSTEMS OF INDEPENDENT ELECTRIC SUPPLY FOR UNITS OF THERMAL POWER PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для обеспечения электрической энергией устройств автоматики и исполнительных органов (насосов, электроклапанов и т.д.) и системы обеспечения безопасности теплоэнергетической установки в условиях отсутствия, дефицита или низкого качества электрической энергии от внешнего источника.
Под теплоэнергетической установкой здесь и далее понимается комплекс технических устройств, содержащий:
- устройство для сжигания или каталитического окисления твердого, жидкого или газообразного вида топлива с целью получения тепловой энергии (условное название устройства - котел);
- устройства для подачи топлива в камеру сгорания котла (например, топливный насос и газовая горелка);
- устройства для подачи и циркуляции теплоносителя в системе обогрева (питающий насос, циркуляционный насос);
- устройства для удаления отходящих газов и продуктов сгорания топлива (например, дымоотводная труба);
- устройства для использования созданного тепла (например, батареи отопления, калориферы и т.д.);
- система управления котлом и агрегатами, обеспечивающими его работу;
- система обеспечения безопасности и аварийного управления работой котла.
Известны способ работы автономной энергетической установки на возобновляемом источнике энергии, описанный в патенте РФ №2095913, система автономного электро- и теплоснабжения жилых и производственных помещений, описанная в патенте РФ №2535899, и система автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии, описанная в патенте РФ №2350847. Общими недостатками указанных аналогов являются:
- широкая номенклатура разнотипных устройств для утилизации энергии от возобновляемых источников (солнечных коллекторов, фотоэлементов, ветрогенераторов, микрогидроэлектростанции, тепловых насосов и т.д.);
- высокая стоимость закупки и эксплуатации применяемых устройств;
- генерация тепловой энергии с помощью маломощных источников, что требует для получения практически значимой тепловой и электрической мощности агрегирования большого количества таких источников;
- необходимость привлечения квалифицированного обслуживающего персонала;
- зависимость получаемых тепловой и электрической мощности от сезона и погодных условий;
- необходимость использования электроэнергии от дополнительного источника (в случае продолжительной пасмурной погоды или малого количества часов солнечного сияния зимой).
Следует отметить, что существует достаточно широкий класс практических задач, когда возможно создание достаточно мощного источника тепловой энергии на местных видах топлива, однако источник электрической энергии для обеспечения работы агрегатов такой теплоэнергетической установки либо не отвечает требованиям по качеству электропитания, либо вовсе отсутствует. В этой ситуации проблема обеспечения потребителей теплом становится либо неразрешимой, либо требует больших капитальных затрат на подвод линии электропередач и ее техническое обслуживание. В качестве примера можно привести котельную газораспределительной станции на отводе от магистрального газопровода, удаленного от населенных пунктов, когда недостатка в топливе нет, а линию электропередачи для обеспечения работы агрегатов и автоматики котла приходится тянуть за десятки километров.
Известно техническое решение, раскрытое в патенте РФ №119860 на полезную модель, в котором описан отопительный котел, содержащий изолированный корпус с размещенной в нижней его части топочной камерой с газовыми горелками, над которыми расположен теплообменник в виде совокупности металлических труб с отражательными пластинами и входом и выходом для воды, а также коллектор дымовых газов, отличающийся тем, что дополнительно оснащен термоэлектрическими преобразователями в виде батареи термопар, размещенных в топочной камере между газовыми горелками и теплообменником, выход которых через инвертор напряжения связан с электродвигателем нагнетающего насоса и озонатором, соединенным посредством воздуховода через нагнетательный насос с топочной камерой.
Недостатки технического решения по патенту РФ №119860 заключаются в следующем:
1. Термопары металлические высокотемпературные дают на выходе малую электрическую мощность;
2. Батарея термопар находится в топочной камере, что существенно снижает ремонтопригодность конструкции;
3. Высокая стоимость батареи металлических термопар;
4. Невозможность увеличить количество батарей из-за ограничений по геометрии топочной камеры.
Известно техническое решение, раскрытое в патенте РФ №2197054 на изобретение «Термоэлектрический генератор», рассматриваемое нами в качестве ближайшего аналога. Термоэлектрический генератор работает на жидком или газообразном топливе и включает камеру каталитического сжигания топлива. Последняя содержит катализатор и термоэлектрические преобразователи, причем термоэлектрические преобразователи выполнены из множества термоэлементов, заключенных между двумя керамическими или металлическими пластинами. Камера каталитического сжигания образована, по крайней мере, одним термоэлектрическим преобразователем. Катализатор нанесен либо на высокотемпературную поверхность термоэлектрического преобразователя, либо на трехмерную структуру, расположенную на высокотемпературной поверхности термоэлектрического преобразователя и заполняющую внутреннее пространство камеры сжигания. Каталитическое сжигание топлива осуществляется на поверхности термоэлектрического преобразователя либо в непосредственной близости от нее. Для сжигания различных топлив подобраны оптимальные составы каталитических материалов, а также соотношение топливо/воздух таким образом, что температура в каталитической камере сжигания регулируется в пределах 105-600°C. Конструкция генератора выполнена компактной и позволяет осуществить непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую энергию.
Недостатки технического решения по патенту РФ №2197054 в следующем:
1. Существует ограничение по виду топлива (используется жидкое и газообразное);
2. Применяются драгоценные металлы;
3. Специальный канал сжигания топлива;
4. Отсутствует описание регулировки соотношения топливо/воздух.
Задачей настоящего изобретения является создание системы локальной электрической генерации для обеспечения работы теплоэнергетической установки мощностью свыше 20 кВт (тепловых).
Технические результаты заявляемого изобретения:
1. Утилизация тепловой энергии с целью производства электрической энергии;
2. Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую энергию без промежуточного преобразования в механическую, химическую или любой другой вид энергии;
3. Применение в качестве преобразователя тепла в электрическую энергию термоэлектрического преобразователя (ТЭП);
4. Унификация конструкторских решений по способам установки ТЭП на различных источниках тепла;
5. Обеспечение возможности наращивания суммарной электрической мощности ТЭП без демонтажа котла, трубопроводов и/или его агрегатов;
6. Обеспечение бесперебойности электроснабжения агрегатов и автоматики котла.
Заявляется термоэлектрический генератор, преобразующий тепловую энергию в электрическую посредством термоэлектрических преобразователей, включающий высокотемпературный и низкотемпературный источники тепла, тепловой сток во внешнюю среду, блок автоматики, отличающийся тем, что содержит высокотемпературные и/или низкотемпературные термоэлектрические преобразователи, горячие спаи которых приведены в тепловой контакт с высокотемпературными и низкотемпературными источниками тепла, соответственно, а холодные спаи - в тепловой контакт с внешней средой, электрические выходы термоэлектрических преобразователей подключены через коммутационный щит к входу одного или нескольких электрических аккумуляторов.
В термоэлектрический преобразователь между источником тепла и блоком термоэлементов введен медиатор с амортизирующими элементами в месте его соприкосновения с источником тепла и сменный 3D-адаптер для точного геометрического совмещения поверхностей источника тепла и блока термоэлементов.
Медиатор в термоэлектрическом преобразователе может быть изготовлен из металла или керамики.
В качестве амортизирующих элементов может быть использована резина техническая пористая листовая.
Изобретение поясняется иллюстрациями.
На Фиг. 1 показана общая блок-схема заявляемой системы, где:
1 - теплоэнергетическая система; 2 - высокотемпературный источник тепла; 3 - низкотемпературный источник тепла; 4 - устройства - преобразователи электрической энергии в механическую (ПЭМ); 5 - блок автоматики; 6 - высокотемпературный термоэлектрический преобразователь (ВТЭП); 7 - низкотемпературный термоэлектрический преобразователь (НТЭП); 8 - тепловой сток (тепловая нагрузка); 9 - коммутационный щит; 10 - электрический аккумулятор.
Теплоэнергетическая система 1 (ТЭС) содержит высокотемпературный источник тепла 2 (область сгорания топлива) и низкотемпературный источник тепла 3 (область транспорта теплоносителя). Динамика работы ТЭС обеспечивается различными устройствами - преобразователями электрической энергии в механическую энергию (ПЭМ) 4, электродвигателями, клапанами, регуляторами и т.д. ПЭМ 4 работают под управлением блока автоматики 5.
Электрическая энергия для ПЭМ 4 и блока автоматики 5 вырабатывается из тепла, производимого при сжигании топлива, с помощью высокотемпературного ТЭП 6, а также из тепла нагретой воды с помощью низкотемпературного ТЭП 7. В качестве теплового стока (тепловой нагрузки) для ТЭП 6 и 7 выступает внешняя среда 8 (атмосферный воздух, питающая вода, почва, стены здания котельной и т.д.).
Через коммутационный щит 9 выработанная электрическая энергия поступает в аккумулятор 10, служащий источником электропитания для ПЭМ 4 и блока автоматики 5.
Для производства электроэнергии используются только беспламенные источники тепла. Беспламенными источниками тепла в теплоэнергетической системе являются:
- высокотемпературные источники, прилегающие к области сгорания топлива, такие как поверхности котла и дымохода;
- низкотемпературные источники, прилегающие к области транспорта теплоносителя, такие как поверхность магистрали нагретой воды, поверхность радиаторов отопления и т.д.
1
В качестве термоэлектрических преобразователей, использующих высокотемпературное тепло, применяются металлические модули Пельтье (термопары), а с низкотемпературными источниками тепла наиболее эффективно применение полупроводниковых модулей Пельтье (http://izobreteniya.net/modul-pelte-tec1-12706-harakteristiki/; http://alcx-exe.ru/radio/different-radio/peltier/ http://www.symmetron.ru/suppliers/kryotherm/append3.shtml; http://itc.ua/articles/moduli_pelte_v_pk_teoriya_i_praktika_41408/).
Независимо от способов реализации, модули Пельтье могут быть скомпонованы в конструктивно обособленные блоки (блоки ТЭП), адаптированные к максимальной утилизации тепла с поверхностей различной формы. Используется ТЭП, в котором между источником тепла и блоком термоэлементов введен медиатор, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, при этом медиатор имеет амортизирующие элементы в месте его соприкосновения с источником тепла, в него введен сменный 3D-адаптер для точного геометрического совмещения поверхностей источника тепла и блока термоэлементов. В качестве амортизирующих элементов может быть использована резина техническая пористая листовая. Использование такого ТЭП позволяет, во-первых, повысить эффективность блока термоэлементов за счет введения медиатора, обеспечивающего улучшение теплового контакта с источником тепла; во-вторых, продлить срок службы термоэлементов за счет минимизации вредных воздействий (перепадов температур, вибрации и механического резонанса). При этом:
- Работа ТЭП не зависит от вида топлива, применяемого для работы отопительного котла.
- В качестве источника энергии используется тепло котла и воды, нагреваемой котлом.
- Конструктивно ТЭП располагается вне объемов котла, что обеспечивает беспрепятственный доступ персонала для ремонта и обслуживания.
- Количество ТЭП, присоединяемых к водяной магистрали котла, ограничивается только производительностью котла.
Электрические выходы блоков ТЭП выполнены в виде разъемов, обеспечивающих возможность их последовательно-параллельного соединения с целью создания источников электрической энергии с необходимыми показателями выходного напряжения и мощности. Для выполнения этой задачи в систему введен коммутационный щит 9, задачами которого является:
- объединение в единую электрическую цепь всех источников производимой в системе электроэнергии;
- коммутация источников электроэнергии и их нагрузок в зависимости от режимов работы теплоэнергетической системы, включая ремонтно-профилактические работы, плановый и аварийный режимы сети;
- подключение электрической нагрузки к одному или нескольким буферным аккумуляторам;
- защита источников электроэнергии от перегрузки и короткого замыкания;
- индикация актуальной топологии сети и режимов ее работы, включая индикацию аварийных сигналов.
потр
pacc
Предположим, что теплоэнергетическая система производит некоторое количество тепла Q, часть из которого отдается потребителям тепла (Q), а другая часть рассеивается (Q), т.е.
потр
pacc
Q=Q+Q.
При утилизации рассеиваемой теплоты часть ее преобразуется в электрическую энергию
pacc
W=k*Q,
где k - коэффициент полезного действия блоков ТЭП.
max
max
Пусть W - максимально необходимая для функционирования ТЭС потребляемая мощность, очевидно, что W≤W, или
max
потр
W≤k(Q-Q).
После преобразований мы получим, что
max
потр
Q≥W/k+Q.
Таким образом, если производства тепла Q в системе достаточно, чтобы покрыть потребности в тепловой энергии и обеспечить лимит производства электрической энергии, то теплоэнергетическая система способна функционировать независимо от внешних источников электроснабжения.