Система для получения электроэнергии, холодного и теплового воздуха

Полезная модель позволяет обеспечить эффективную непрерывную выработку электроэнергии, холодного и теплого воздуха регулируемой температуры в заданных количествах. Указанный технический результат достигается 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 накопительной емкостью. Воздушная турбина газодинамически входом соединена с атмосферой, а выходом - с низконапорным входом эжектора. Высоконапорный вход эжектора подключен к накопительной емкости. Система дополнительно содержит помещение, холодильник, детандер, соединенный механически с вторым электрогенератором, эжекторный смеситель с высоконапорным и низконапорным входами и запорнорегулирующие краны. Выход воздушного компрессора с накопительной емкостью и высоконапорный вход эжектора с помещением соединены через краны. Детандер входом через кран подключен к накопительной емкости, а выходом - к холодильнику. Высоконапорный вход эжекторного смесителя через кран подключен к выходу компрессора, а низконапорный вход - соединен с атмосферой. Выход эжектора и эжекторного смесителя подключены к помещению. При работе системы сжатый воздух подают из компрессора в накопительную емкость, а затем через краны, эжектор и детандер соответственно в помещение и холодильник. 1 н.п.и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемая полезная модель относится к автономным энергетическим устройствам и предназначена для получения электричества, холодного и теплого воздуха с высокими экологическими показателями, 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 воздуховоздушный теплообменник. Система вырабатывает электричество, холод и тепло.

Однако эта ветроагрегатная система

- не обеспечивает длительной выработки этих видов энергии из-за неравномерного по времени ветропотенциала и из-за ограниченного объема накопителя,

- не позволяет регулировать вырабатываемое тепло,

- 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 длительной выработки электроэнергии и холода из-за неравномерного по времени ветропотенциала,

- энергия охлажденного воздуха из эжектора теряется безвозвратно. Технической задачей заявляемого решения является эффективная длительная выработка электроэнергии, холодного и теплого воздуха регулируемой температуры в заданных количествах, преимущественно в сфере малой энергетики, что повышает потребительское качество системы при высоких экологических показателях 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 накопительной емкостью. 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, детандер, соединенный механически с вторым электрогенератором, эжекторный смеситель с высоконапорным и низконапорным входами и запорнорегулирующие краны.

Выход воздушного компрессора с накопительной емкостью и высоконапорный вход эжектора с помещением соединены через краны. Детандер входом через кран подключен к накопительной емкости, а выходом -к холодильнику. Высоконапорный вход эжекторного смесителя через кран подключен к выходу компрессора, а низконапорный вход - соединен с атмосферой. Выход эжектора и эжекторного смесителя подключены к помещению.

Дополнительное наличие помещения, холодильника, детандера и эжекторного смесителя позволяет решить задачу длительной выработки электроэнергии, холодного и теплого воздуха регулируемой температуры в заданных количествах.

Подключение выхода эжектора к помещению позволяет охлаждать воздух помещения до температуры заданного уровня.

Использование детандера с вторым 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, подключенного через кран к выходу компрессора, 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 воздухом от компрессора работающей газотурбинной установки.

Система может содержать в качестве привода компрессора электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания (в том числе газотурбинный двигатель), ветродвигатель, что расширяет потребительские качества системы.

Привод компрессора может быть выполнен комбинированным из ветродвигателя и электродвигателя или из ветродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, соединенных с компрессором муфтами свободного хода. Это 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.

Детандер может быть выполнен турбинным или поршневым, что расширяет потребительские качества системы.

Компрессор может быть выполнен центробежным, поршневым или винтовым что расширяет потребительские качества системы.

Поршневой компрессор может в качестве привода иметь электродвигатель-генератор и работать как в режиме сжатия воздуха, так и в режиме расширения сжатого воздуха, поступающего из накопительной емкости, когда электродвигатель-генератор работает в режиме электрогенератора. Это снижает стоимость основного комплектующего оборудования и может быть использовано в тех случаях, когда необходимо кратковременно получить избыток электричества.

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, холодного и теплого воздуха 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 входом соединен с атмосферой, а выходом с накопительной емкостью 8. Воздушная турбина 1 газодинамически входом соединена с атмосферой, а выходом - с низконапорным 5 входом эжектора. Высоконапорный 4 вход эжектора подключен к накопительной емкости 8. Система дополнительно содержит помещение 9, холодильник 10, детандер 11, соединенный механически с вторым электрогенератором 12, эжекторный смеситель 13 с высоконапорным 14 и низконапорным 15 входами и запорнорегулирующие краны 16, 17, 18 и 19.

Выход воздушного компрессора 6 подключен к накопительной емкости 8, а высоконапорный 4 вход эжектора - к помещению 9 соответственно через краны 16 и 18. Детандер 11 входом через кран 17 подключен к накопительной емкости 8, а выходом - к холодильнику 10. Высоконапорный вход 14 эжекторного смесителя через кран 19 подключен к выходу компрессора 6, а низконапорный вход 15 - соединен с атмосферой. Выход эжектора 3 и выход эжекторного смесителя 13 подключены к помещению 9.

Система (см. фиг.2) может содержать газотурбинную установку 20 с регулятором отбора воздуха 21 из компрессора установки 20 в накопительную емкость 8.

Работа системы осуществляется следующим образом.

Перед началом работы запорнорегулирующие краны 17, 18 и 19 закрыты (фиг.1), а кран 16 открыт. Запускается привод 7 и компрессор 6 начинает подавать сжатый воздух в накопительную емкость 8. После того, как давление воздуха в накопительной емкости 8 достигает заданного уровня система готова к нормальному функционированию.

Для работы холодильника 10 открывается кран 17, сжатый воздух из накопительной емкости 8 с температурой, близкой к атмосферной, поступает в детандер 11, раскручивает его и приводимый им второй электрогенератор 12, охлаждается за счет расширения смеси и подается в холодильник 10. Регулирование температуры воздуха в холодильнике 10 производится краном 17, изменяющим расход воздуха, поступающего в холодильник 10.

Для охлаждения помещения 9 открывается кран 18 и сжатый воздух из накопительной емкости 8 через высоконапорный вход 4 поступает в эжектор 3 и подсасывает охлажденный в воздушной турбине 1 воздух, поступающий в нее из атмосферы. Происходит раскрутка воздушной турбины 1 и приводимого ей электрогенератора 2. Охлажденный воздух из эжектора 3 подается в помещение 9. Регулирование температуры воздуха в помещении 9 производится краном 18, изменяющим расход воздуха, поступающего в помещение 9.

Для подогрева воздуха в помещении 9 закрывается кран 18 и открывается кран 19. Горячий воздух из компрессора 6 через кран 19 поступает в высоконапорный вход 14 эжекторного смесителя 13. В эжекторный смеситель 13 через низконапорный вход 15 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 19, 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 16.

По схеме фиг.2 в накопительную емкость 8 через кран 21 может также поступать часть воздуха из компрессора газотурбинной установки (ГТУ) 20.

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, выработки электроэнергии и для обеспечения работы холодильника.

В системе используется компрессор, который вырабатывает 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. Воздушная турбина 1 имеет степень понижения полного давления 1.3. Эжектор 3 обеспечивает расход воздуха через турбину 1, равный 0.11 кг/с. При этих параметрах агрегатов системы воздушная турбина 1 с к.п.д, равным 0.5, обеспечивает мощность дополнительного электрогенератора, равную 0.9 кВт, и холодильную мощность для кондиционирования помещения 9, равную 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, как бы, 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 длительно, 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. Так, например, стоимость поршневого компрессора с расходом воздуха 300 л/мин и давлением 0,8 МПа не превышает 80 тысяч рублей в экологически чистом исполнении. Это выгодно отличается по стоимости от варианта применения лопаточного компрессора равно как и лопаточного детандера по отношению к поршневому детандеру.

Особенно следует подчеркнуть прогрессивную роль на рынке индивидуальных потребителей накопителя сжатого воздуха, объем которого определяется энергонуждами потребителя, а самое главное - стоимость накопителя с гибкой оболочкой составляет в среднем $0.2 дол./м³, т.е. при его объеме 5000 м ³ стоимость накопителя составит всего $1000. Это выгодно отличает по стоимости накопитель рассматриваемого типа от других накопителей энергии в гидроаккумуляторах, аккумуляторах автомобильного типа и др.

1. Система для получения электроэнергии, холодного и теплого воздуха, содержащая воздушную турбину, соединенную механически с электрогенератором, эжектор с высоконапорным и низконапорным входами, воздушный компрессор с приводом и накопительную емкость, при этом воздушный компрессор входом соединен с атмосферой, а выходом с накопительной емкостью, воздушная турбина входом газодинамически соединена с атмосферой, а выходом - с низконапорным входом эжектора, высоконапорный вход эжектора подключен к накопительной емкости, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит помещение, холодильник, детандер, соединенный механически со вторым электрогенератором, эжекторный смеситель с высоконапорным и низконапорным входами и запорно-регулирующие краны, причем выход воздушного компрессора с накопительной емкостью и высоконапорный вход эжектора с помещением соединены через краны, детандер входом через кран подключен к накопительной емкости, а выходом - к холодильнику, высоконапорный вход эжекторного смесителя через кран подключен к выходу компрессора, низконапорный вход соединен с атмосферой, а выход эжектора и эжекторного смесителя подключены к помещению.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит газотурбинную установку с регулятором отбора из компрессора установки воздуха в накопительную емкость.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что привод компрессора выполнен в виде электродвигателя.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что привод компрессора выполнен в виде двигателя внутреннего сгорания, в том числе в виде газотурбинного двигателя.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что привод компрессора выполнен в виде ветродвигателя.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что привод компрессора выполнен комбинированным из ветродвигателя и электродвигателя, соединенных с компрессором через муфты свободного хода.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что привод компрессора выполнен комбинированным из ветродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, соединенных с компрессором через муфты свободного хода.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что накопительная емкость выполнена в виде гибкой оболочки.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что детандер выполнен турбинным.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что детандер выполнен поршневым.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что компрессор выполнен центробежным.

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что компрессор выполнен винтовым.

13. Система по п.1, отличающаяся тем, что компрессор выполнен поршневым.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что привод компрессора выполнен в виде электродвигателя-генератора.