АВТОНОМНАЯ ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩАЯ СИСТЕМА
AUTONOMOUS POWER GENERATION SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к области теплоэнергетики и преобразователей энергии прямого цикла, предназначено в качестве автономных энергоустановок при одновременном производстве электроэнергии и тепла, преимущественно для зданий и сооружений.
Уровень техники
Известна «Бытовая комбинированная тепловая и энергетическая система», содержащая двигатель «Стирлинг» с магистралями подвода горючего и окислителя, магистрали отвода отработанных газов, магистрали горячего водоснабжения, контур теплоносителя с магистралями и теплообменниками, генератор электрической энергии, механически связанный с приводом (Патент РФ №2294045, МПК H02J 9/06, оп. 20.02.2007 г.).
Недостатками аналога являются повышенные эксплуатационные затраты для производства электроэнергии и тепла, затраты на создание мощностей для покрытия пиковых нагрузок электрической энергии, недостаточная гибкость системы при перераспределении тепловой энергии между системой горячего водоснабжения и другими потребителями тепла, а также электрической энергии между потребителями различного типа, недостаточно высокий КПД использования теплового потенциала сжигаемого топлива.
Наиболее близким аналогом изобретения является «Автономная теплоэнергетическая система для одновременного производства электроэнергии и тепла», включающая в себя преобразователи энергии прямого цикла с магистралями подвода горючего и окислителя, магистрали отвода отработанных газов, магистрали горячего водоснабжения, контур теплоносителя с магистралями и теплообменниками, генератор электрической энергии, механически связанный с приводом (Патент РФ №2162533, МПК F02G 5/02, оп. 27.01.2001 г.).
Недостатками наиболее близкого аналога являются повышенные эксплуатационные затраты для производства электроэнергии и тепла, затраты на создание мощностей для покрытия пиковых нагрузок электрической энергии, недостаточная гибкость системы при перераспределении тепловой энергии между системой горячего водоснабжения и другими потребителями тепла, а также электрической энергии между потребителями различного типа, недостаточно высокий КПД использования теплового потенциала сжигаемого топлива.
Раскрытие изобретения
Создание системы, более экономичной и надежной, для энергоснабжения зданий и сооружений базируется на следующих фактах и предлагаемых технических решениях.
Отопление зданий и сооружений должно осуществляться от теплых полов, одновременно исполняющих функцию аккумулятора тепла. В этом случае снижается общая потребность зданий и сооружений в тепле, а относительно низкая температура обратного теплоносителя позволяет утилизировать тепло конденсации отработанных паров после электрогенератора и приводных механизмов.
Работа по выработке электроэнергии электрогенератором, по подаче рабочего тела на испарение, теплоносителя для отопления зданий и сооружений, воздуха на горелку и топлива осуществляется за счет насыщенного или слегка перегретого пара легкокипящей жидкости, способной выкипать при давлении 0,5-2 МПа и температуре до 200°C и конденсироваться при давлении 0,01-0,1 МПа и температуре 40-60°C.
Ежемесячный объем потребления электроэнергии в подавляющем числе случаев составляет 200-500 кВтч/месяц, 7-17 кВтч/сутки или в среднем 0,3-0,7 кВт/час на квартиру площадью 60-100 кв. метров.
Сложившийся среднечасовой объем потребления электроэнергии и расчетная среднечасовая потребность в тепле для самого холодного месяца года при отоплении от теплых полов находится в соотношении 9-12% электроэнергии и 88-91% тепла от среднесуточной потребности зданий и сооружений в энергоносителях, что позволяет при относительно низких рабочих температуре и давлении создать привод и электрогенератор с КПД преобразования тепловой энергии в электрическую на уровне 14-20%, что в два раза хуже, чем на ТЭЦ, но по балансу вырабатываемых энергоносителей оптимально отвечает автономным потребностям зданий и сооружений и, исключив недостатки централизованных систем энергоснабжения, становится на порядок дешевле в эксплуатации для потребителя.
В зданиях и сооружениях устанавливается постоянно работающий на 70-100% нагрузке автономный энергогенератор, номинальной мощностью 0,5-1 кВт/час по электроэнергии и 4,5-9 кВт/час по теплу с теплым полом в качестве аккумулятора тепла. Пиковые потребности в электроэнергии, включая момент включения мощных потребителей и в утреннее и вечернее время, покрываются частично за счет батареи аккумуляторов на 12 В емкостью по 120 А·ч, которые накапливают избыток электроэнергии во время отсутствия пиковых нагрузок.
Нагрев воды для горячего водоснабжения осуществляется за счет тепла продуктов сгорания.
Утилизация остаточного тепла продуктов сгорания после испарителя и пароперегревателя, включая конденсацию образующихся при горении паров воды, осуществляется путем прямого контакта циркулирующего теплоносителя с продуктами сгорания.
Избыток тепла в теплое время выводится в атмосферу через поверхность воздушного теплообменника.
Котел является герметичным аппаратом, работающим под избыточным давлением 100-200 мм водяного столба, что исключает необходимость строительства дымовой трубы и случайную загазованность зданий и сооружений. Забор воздуха для горения осуществляется снаружи зданий и сооружений.
Задачей изобретения является снижение эксплуатационных затрат для производства электроэнергии и тепла, затрат на создание мощностей для покрытия пиковых нагрузок электрической энергии, повышение гибкости системы при перераспределении тепловой энергии между системой горячего водоснабжения и другими потребителями тепла, а также электрической энергии между потребителями различного типа, повышение КПД использования теплового потенциала сжигаемого топлива.
Технические результаты изобретения:
- снижение эксплуатационных затрат для производства электроэнергии и тепла;
- снижение затрат на создание мощностей для покрытия пиковых нагрузок электрической энергии;
- повышение гибкости системы при перераспределении тепловой энергии между системой горячего водоснабжения и другими потребителями тепла, а также электрической энергии между потребителями различного типа;
- повышение КПД использования теплового потенциала сжигаемого топлива.
Технические результаты достигаются тем, что автономная энергогенерирующая система включает в себя котел с магистралями подвода горючего или топлива и окислителя, магистрали отвода отработанных газов, магистрали горячего водоснабжения, контур теплоносителя с магистралями и теплообменниками, генератор электрической энергии, механически связанный с приводом, контур рабочего тела, с магистралями, в котле также расположен накопитель циркулирующего теплоносителя, в котором находится змеевик, соединенный с входной и выходной магистралями системы горячего водоснабжения, выполненной с возможностью подачи холодной и выдачи горячей воды, гидрозатвор, выполненный с возможностью удаления избыточного теплоносителя из упомянутого накопителя, в котле также расположены испаритель и пароперегреватель контура рабочего тела, в нижней части котла расположен узел сжигания горючего с магистралью подачи горючего, магистралью подачи окислителя, горелкой, выполненный с возможностью пропорциональной подачи горючего и окислителя, при этом магистраль отвода отработанных газов включает дымовую трубу для отвода в атмосферу продуктов сгорания, секцию доохлаждения продуктов сгорания с оросителем и контактным устройством, на котором происходит наиболее интенсивный теплообмен продуктов сгорания и теплоносителя, канал с колпаком для пропускания барботированием продуктов сгорания через теплоноситель в упомянутом накопителе, контур теплоносителя включает магистрали отвода тепла из упомянутого накопителя в конструктивные элементы здания или сооружения (полы, стены), при этом магистрали теплоносителя снабжены входными и выходными вентилями, байпасом с регулирующим клапаном, а конденсатор является зоной пересечения контура теплоносителя и контура рабочего тела, в которой пар рабочего тела после совершения работы в приводах системы конденсируется в зоне теплообмена с теплоносителем, отдавшим тепло в конструктивные элементы здания или сооружения (полы, стены) и/или в воздух через воздушный охладитель, в который через трехходовой кран и магистраль поступает теплоноситель и из которого последний поступает в обратную магистраль, а воздух подается вентилятором, вращающимся при помощи привода, при этом система выполнена с возможностью преобразования энергии пара рабочего тела на приводе через генератор в электрическую энергию, которая может подаваться как в сеть потребителей постоянного тока, так в аккумулирующий блок и через инвертор в сеть потребителей переменного тока, электропривод вентилятора подачи окислителя соединен через выключатель с аккумулирующим блоком, подача горючего по магистрали осуществляется через регулирующий клапан, а регулирующие элементы системы могут быть объединены в подсистему управления.
Технические результаты достигаются также тем, что в качестве горючего в системе используется газ.
Технические результаты достигаются также тем, что в качестве окислителя в системе используется воздух.
Технические результаты достигаются также тем, что в качестве теплоносителя используется вода.
Технические результаты достигаются также тем, что в качестве теплоносителя используется антифриз.
Технические результаты достигаются также тем, что в качестве привода в системе используется двигатель типа Стирлинг.
Технические результаты достигаются также тем, что в качестве привода вращающегося электрогенератора используется турбина или поршневой привод.
Технические результаты достигаются также тем, что в качестве привода возвратно-поступательного электрогенератора используется свободнопоршневая машина.
Технические результаты достигаются также тем, что подсистема управления автоматическая.
Осуществление изобретения
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 предоставлена схема автономной энергогенерирующей системы на газообразном топливе.
Автономная энергогенерирующая система включает в себя котел 1 с магистралями 2 и 3 подвода горючего 4 и окислителя 5 соответственно, с магистралями отвода продуктов сгорания 6, магистрали 7 и 8 горячего водоснабжения, контур теплоносителя 9 с магистралями и теплообменниками 10, генератор электрической энергии 11, механически связанный с приводом 12, контур 13 рабочего тела с магистралями, приводами насоса подачи рабочей жидкости на испарение 14, циркуляционного насоса 15 и (элементами управления) регулирующий клапан 16, в котле 1 также расположен накопитель 17 циркулирующего теплоносителя, в котором находится змеевик 18, который соединен с входной 7 и выходной 8 магистралями системы горячего водоснабжения, выполненной с возможностью подачи холодной и выдачи горячей воды, гидрозатвор 19, выполненный с возможностью удаления избыточного теплоносителя из накопителя 17, в котле 1 также расположен испаритель 20 и пароперегреватель 21 контура 13 рабочего тела, в нижней части котла 1 расположен узел сжигания топлива (горючего) с магистралью 2 подачи топлива 4 (горючего), магистралью 3 подачи воздуха (окислителя) 5, горелкой 22, выполненный с возможностью пропорциональной подачи горючего 4 и окислителя 5 (топлива 4 и воздуха 5), при этом магистраль отвода отработанных газов включает дымовую трубу 23 для отвода в атмосферу продуктов сгорания 6, секцию доохлаждения 24 продуктов сгорания 6 с оросителем 25 и контактным устройством 26, на котором обеспечивается наиболее интенсивный теплообмен продуктов сгорания 6 и теплоносителя, канал 27 с колпаком 28 для пропускания барботированием продуктов сгорания 6 через теплоноситель в накопителе 17, контур теплоносителя 9 включает магистрали отвода тепла с циркуляционным насосом 15, трехходовым краном 29 и теплообменниками 10 из накопителя 17 в конструктивные элементы здания или сооружения (полы, стены), при этом магистрали с теплообменниками 10 снабжены входными 30 и выходными 31 вентилями, байпас 32 с регулирующим клапаном 33, а конденсатор 34 является зоной пересечения контура теплоносителя 9 и контура рабочего тела 13, в которой пар рабочего тела после совершения работы в приводах системы конденсируется в зоне теплообмена с теплоносителем, отдавшим тепло в конструктивные элементы здания или сооружения (полы, стены) и/или в воздух через воздушный охладитель 35, в который через трехходовой кран 36 и магистраль 37 поступает теплоноситель и из которого последний поступает в обратную магистраль 38, а воздух подается вентилятором, вращающимся при помощи привода 39, при этом система выполнена с возможностью преобразования энергии пара рабочего тела на приводе 12 через генератор 11 в электрическую энергию, которая подается как в сеть потребителей постоянного тока 40, так в аккумулирующий блок 41 и через инвертор 42 в сеть потребителей переменного тока 43, электропривод 44 вентилятора 45 подачи окислителя (воздуха) 5 соединен через выключатель 46 с аккумулирующим блоком 41, подача горючего 4 по магистрали 2 осуществляется через регулирующий клапан 47, а регулирующие элементы системы могут быть объединены в подсистему управления, например автоматическую.
Все элементы автономной энергогенерирующей системы могут быть выполнены на имеющейся элементной базе с использованием отработанных технологий.
Автономная энергогенерирующая система работает следующим образом.
Система изготавливается с заряженным аккумуляторным блоком 41. Перед пуском системы на время, необходимое для безопасной работы системы при помощи выключателя 46, включается электропривод 44 вентилятора 45 для продувки окислителем (воздухом) 5 систем котла 1. Затем производится поджигание горючего 4 в среде окислителя 5 и регулярная их подача по магистралям 2 и 3 соответственно. При нагреве рабочее тело в контуре 13 может приводить в действие приводы насосов 14 и 15, привод 12 электрогенератора 11 и привод 39 воздушного охладителя 35. Приводом насоса 14 рабочее тело в виде жидкости подается на испарение на испаритель 20, а затем образовавшийся насыщенный пар рабочего тела перегревается в пароперегревателе 21. Отработанный пар рабочего тела с вышеуказанных механизмов привода конденсируется в конденсаторе 34 и вновь поступает на вход насоса подачи рабочей жидкости на испарение 14. При этом продукты сгорания 6 после частичного охлаждения на пароперегревателе 21 и испарителе 20, по каналу 27 с колпаком 28, пропускаются барботированием через теплоноситель в накопителе 17, затем доохлаждаются в секции доохлаждения 24 при помощи оросителя 25 и контактного устройства 26, на котором обеспечивается наиболее интенсивный теплообмен продуктов сгорания 6 и теплоносителя, и далее через дымовую трубу 23 отводятся в атмосферу. Скорость испарения и давление пара рабочей жидкости регулируется количеством сжигаемого топлива в зависимости от уровня зарядки аккумуляторов и мощности потребителей электрической и тепловой энергии. Окислитель (воздух) 5 на горелку 22 подается пропорционально объемам сжигаемого горючего 4.
Циркулирующий теплоноситель из накопителя 17, где поддерживается температура около 60°C, и частично от трехходового крана 29 насосом 15 подается в трубопроводы теплого пола 10, охлаждается и с температурой 25-30°C поступает в конденсатор 34, где нагревается за счет тепла конденсации отработанного пара рабочего тела, и затем через трехходовой кран 29 частично возвращается в котел 1 через ороситель 25 на дополнительный нагрев за счет тепла продуктов сгорания, а другая часть, более холодная, чем теплоноситель в накопителе 17, поступает вместе с горячим потоком из накопителя 17 на вход насоса 15. Трехходовой кран 29 обеспечивает температуру воздуха в помещениях здания и/или сооружения и условия конденсации отработанных паров рабочего тела. В связи с частичной конденсацией теплоносителя, образующейся при сгорании топлива, удаление лишнего теплоносителя из накопителя 17 обеспечивается сливом через гидрозатвор 19 в канализацию.
При отсутствии необходимости подавать тепло на отопление помещений здания и/или сооружения, например, в летний период, избыток тепла отводится в атмосферу через трехходовой кран 36 и воздушный охладитель 35. При помощи привода 39 вентилятора обеспечивается интенсивность сброса избытков тепла в атмосферу и температура теплоносителя в накопителе 17 котла 1.
Холодная вода для горячего водоснабжения нагревается в змеевике 18 накопителя 17 и нагретой поступает потребителю.
За счет вращения или передвижения свободного поршня в приводе 12 электрогенератор 11 приводится во вращательное или возвратно-поступательное движение и на его клеммах обеспечивается генерация тока напряжением 12-14 В. Вырабатываемая электроэнергия поступает потребителям постоянного тока (освещение, телефон, компьютер, телевизор и т.п.), а избыток - в аккумулирующий блок 41 и на клеммы инвертора 42, преобразующего постоянный ток в переменный напряжением 220 В. Во время пиковой потребности в электроэнергии для преобразования недостающая мощность снимается с клемм аккумулирующего блока 41 с одновременным увеличением топливоподачи в котел 1 до номинальной нагрузки. По мере снижения нагрузки и наполнения емкости аккумулирующего блока 41 снижается топливоподача в котел 1, что приводит к снижению давления пара рабочего тела и уменьшению скорости движения всех приводов.
Регулирующие элементы системы 16, 29, 30, 31, 33, 37, 46 и 47 могут быть объединены в подсистему управления, например автоматическую программируемую.