Система автономного енергозабезпечення для генерування електричної і теплової енергії

Реферат: Система автономного енергозабезпечення для генерування електричної і теплової енергії включає установку для перетворення сонячної енергії в теплову, тепловий акумулятор, що зв'язаний зі споживачами теплової енергії, тепловий насос, який зв'язаний із тепловим акумулятором і колектором тепла Землі, блок генерування електричної енергії та блок керування системи, що зв'язаний із установкою для перетворення сонячної енергії в теплову, тепловим акумулятором, тепловим насосом і блоком генерування електричної енергії. В систему додатково введено двигун Стірлінга, який з'єднаний з блоком генерування електричної енергії, колектором тепла Землі, установкою для перетворення сонячної енергії, тепловим акумулятором і тепловим насосом. UA 83084 U (12) UA 83084 U UA 83084 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до технічних засобів генерування теплової і електричної енергії, зокрема до автономних енергоустановок для життєзабезпечення об'єктів, які не мають централізованого постачання електричної і теплової енергії. Відома енергетична установка [1], що може застосовуватися для автономного електричного та теплового забезпечення користувачів на об'єктах, де відсутня можливість надання теплової і електричної енергії від зовнішньої енергосистеми, і яка включає електричний генератор з приводом від двигуна внутрішнього згорання, що має систему теплообмінників, які забезпечують передачу теплоти охолоджуючої рідини двигуна і високотемпературних відпрацьованих газів в контур опалення. Недолік відомої установки [1] є в тому, що як первинне джерело енергії використовується двигун внутрішнього спалювання, який має невисокий коефіцієнт корисної дії, а також характеризується високою концентрацією шкідливих речовин у відпрацьованих газах. Ще одним недоліком відомої установки [1] є те, що вона не може тривалий час працювати в автономних умовах без поповнення запасів пального. Також відома комбінована система для одночасного отримання теплової і електричної енергії на базі водонагрівальної котельної установки [2], що може використовуватись для отримання тепла і електроенергії, яка включає: котел, насос та систему постачання тепла водогрійної котельні, двигун Стірлінга, що працює за рахунок тепла, яке підводиться від водогрійної котельні, та електрогенератор для отримання додаткової електричної енергії. Недоліком відомої системи [2] для отримання теплової і електричної енергії на базі водонагрівальної котельної установки є загальна ненадійність та можлива нестабільність роботи системи в зв'язку з залежністю від одного енергоносія, також димові гази, що використовуються для забезпечення роботи двигуна Стірлінга є токсичними і екологічно небезпечними. Найбільш близьким технічним рішенням до корисної моделі за технічною суттю (прототип) є система автономного електро- і теплозабезпечення житлових та промислових приміщень [3], яка містить вітрогенераторний пристрій для отримання електроенергії, що підключений до користувачів електричної енергії; установку для перетворення сонячної енергії в теплову, тепловий акумулятор і тепловий насос, які зв'язані з користувачами теплової енергії, акумулятор електричної енергії, інвертор; утилізатор теплоти фекальних вод; колектор тепла Землі і автоматичну систему управління. Недолік відомої системи [3] є в тому, що обидві системи, які застосовуються для отримання тепла, а саме сонячна система і тепловий насос є енергозалежним, тобто без електроенергії працювати не можуть. Крім того, для отримання електроенергії в системі використовується тільки вітрогенератор, тому працездатність системи в цілому буде нестабільною, оскільки робота вітрогенератора залежить від наявності та швидкості вітру. В основу корисної моделі поставлено задачу створення високоефективної системи автономного енергозабезпечення для генерування електричної і теплової енергії (далі система), яка повинна не наносити шкоди навколишньому середовищу, зокрема шляхом не допущення небезпечних вібрацій і шумів при роботі системи, та працювати на основі використання екологічно чистих первинних джерел енергії і забезпечувати високий рівень одержання і перетворення енергії як при сприятливих, так і несприятливих умовах її функціонування. Технічний результат корисної моделі полягає: - в підвищенні коефіцієнта корисної дії системи завдяки поєднанню в одному функціональному модулі теплового насоса і установки для перетворення сонячної енергії з двигуном Стерлінга, до якого підключено генератор електроенергії; - та забезпеченні безперебійної роботи системи за рахунок використання екологічно чистих первинних джерел енергії, а саме - енергії Землі і сонячного випромінювання. При цьому поєднання установки для перетворення сонячної енергії і теплового насоса з двигуном Стірлінга дозволяє забезпечити його більш ефективний термодинамічний режим роботи завдяки наявності його охолодження як від теплового колектора Землі, так і теплового насоса. Поставлена задача вирішується тим, що в систему автономного енергозабезпечення для генерування електричної і теплової енергії, яка включає установку для перетворення сонячної енергії в теплову, тепловий акумулятор, що зв'язаний зі споживачами теплової енергії, тепловий насос, який зв'язаний із тепловим акумулятором і колектором тепла Землі, блок генерування електричної енергії, який підключений до теплового насоса і зв'язаний зі споживачами електричної енергії, та блок її керування системи, що зв'язаний із установкою для перетворення сонячної енергії в теплову, тепловим акумулятором, тепловим насосом і блоком генерування електричної енергії, згідно з корисною моделлю, в систему додатково введено двигун Стірлінга, 1 UA 83084 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 який з'єднаний з блоком генерування електричної енергії, колектором тепла Землі, установкою для перетворення сонячної енергії в теплову, тепловим акумулятором і тепловим насосом. Для досягнення поставленої задачі корисної моделі в запропонованій системі блок генерування електричної енергії включає генератор електричної енергії, який приєднаний до вала двигуна Стірлінга, акумулятор електричної енергії, формувач змінної напруги, вихід якого з'єднаний зі споживачами електричної енергії і компресором теплового насоса. Також для досягнення поставленої задачі корисної моделі в запропонованій системі в тепловий акумулятор вбудований додатковий теплообмінник, який приєднаний до водяного або ґрунтового накопичувача енергії. Порівняно з прототипом [3] запропонована система відрізняється наявністю таких ознак: до складу системи введено двигун Стірлінга, який з'єднаний з блоком генерування електричної енергії, колектором тепла Землі, установкою для перетворення сонячної енергії в теплову, тепловим акумулятором і тепловим насосом. Ці ознаки є суттєвими і забезпечують досягнення поставленої задачі корисної моделі. Завдяки тому, що до складу системи введено двигун Стірлінга, який з'єднаний з блоком генерування електричної енергії, колектором тепла Землі, установкою для перетворення сонячної енергії, тепловим акумулятором і тепловим насосом забезпечується ефективне перетворення тепла двигуна Стірлінга та його охолодження, що дозволяє разом з блоком генерування електричної енергії отримувати електричну енергію необхідної потужності. Коефіцієнт перетворення теплової енергії в електричну в такій системі буде значним також завдяки низьким її втратам, крім того в запропонованій системі використовують теплову енергію, яку отримують від двох джерел, а саме від сонячного випромінювання і тепла Землі, що дозволяє її мати постійно, а відповідно система має можливість видавати неперервну електричну енергію для внутрішнього і зовнішнього споживання. Запропонована корисна модель пояснюється кресленням, на якому зображено структуру системи автономного енергозабезпечення для генерування електричної і теплової енергії. Система складається з теплового акумулятора 1, установки 2 для перетворення сонячної енергії в теплову, двигуна Стірлінга З, теплового насоса 4, колектора 5 тепла Землі, блока 6 генерування електричної енергії, випарника 7 теплового насоса, конденсатора 8 теплового насоса, компресора 9 теплового насоса, редуктора 10 теплового насоса, камери нагріву 11 двигуна Стірлінга, камери охолодження 12 двигуна Стерлінга, поршневої групи 13 двигуна Стірлінга, блока керування 14 системи, накопичувача тепла 15 в ґрунті або воді, теплообмінника 16, виходу 17 для підключення системи до споживача електроенергії і виходу 18 для підключення системи до споживача теплової енергії. В системі існує п'ять контурів циркуляції теплоносіїв. В першому контурі циркуляції теплоносія відбувається через установку 2 для перетворення сонячної енергії в теплову, перший теплообмінник теплового акумулятора 1 і перший теплообмінник камери нагріву 11 двигуна Стірлінга 3. В наслідок такої циркуляції теплоносія тепло, утворене установкою 2 при перетворенні сонячної енергії, передається через перші теплообмінники тепловому акумулятору 1 і камері нагріву 11 двигуна Стірлінга. В контурі може установлюватися циркуляційний насос, комутаційна арматура (на фіг. 1 не показані), яка при необхідності вручну або автоматично з допомогою блока 14 керування системи забезпечує циркуляцію теплоносія в першому контурі. Така циркуляція теплоносія в першому контурі проводиться при отриманні сонячної енергії установкою 2. Отримане тепло від установки 2 для перетворення сонячної енергії накопичене в тепловому акумуляторі 1 може використовуватися споживачем, що підключений до з'єднань 18 системи. В той же час отримане тепло від установки 2 в тепловій камері 11 використовується для нагріву двигуна Стірлінга 3, внаслідок чого поршнева група 13 двигуна Стірлінга приводиться в рух і через передаточний механізм обертає ротор генератора блока 6 генерування електричної енергії, що дозволяє отримувати на з'єднаннях виходу 17 системи електричну енергію для зовнішнього споживача. Одночасно електрична енергія з блока 6 подається на компресор 9 теплового насоса 4 для забезпечення його роботи. Тепловий насос 4 одержує тепло від Землі внаслідок циркуляції теплоносія в другому контурі, який утворений шляхом послідовного з'єднання колектора 5 тепла Землі, вхідного теплообмінника випарника 7 теплового насоса 4 і теплообмінника охолоджуваної камери 12 двигуна Стерлінга 3. Тепловий насос 4 має третій (внутрішній) контур циркуляції теплоносія, який об'єднує вихідний теплообмінник випарника 7, компресор 9, вхідний теплообмінник конденсатора 8, редуктор 10. Охолодження двигуна Стірлінга 3 буде кращим, коли з другого контуру циркуляції теплоносія тепловий насос 4 відбере якомога більше тепла, оскільки в цьому випадку в охолоджуваній камері 12 двигуна Стірлінга 3 залишиться менше тепла від теплового колектора 5 Землі, що поліпшить умови його функціонування. Завдяки використанню в 2 UA 83084 U 5 10 15 20 25 30 35 тепловому насосі 4 компресора 9 створюється необхідний нагрів теплоносія у вхідному теплообміннику конденсатора 8. Отримане тепло від вхідного теплообмінника в конденсаторі 8 забирається четвертим контуром циркуляції теплоносія, який утворений вихідним теплообмінником конденсатора 8, другим вхідним теплообмінником теплового акумулятора 1 і другим теплообмінником теплової камери 11 двигуна Стірлінга. Таким чином, в системі відбувається перетворення енергії первинних джерел, а саме сонячного випромінювання і тепла Землі як для генерування теплової енергії, так і електричної енергії. Тобто система дозволить автономно функціонувати різним об'єктам споживання енергії, що не мають централізованого енергозабезпечення. Отримані надлишки тепла системою можливо завдяки п'ятому контуру циркуляції теплоносія, який утворений вихідним теплообмінником 16 теплового акумулятора 1 і теплообмінником накопичувача тепла 15, який можливо розташувати в ґрунті біля колектора 5 тепла Землі, а в деяких випадках може бути використано додаткове тепло для обігріву теплиці чи басейну. Також додатково в системі можливе застосування в наявних теплових контурах циркуляційних насосів та необхідної комутаційної арматури (на рисунку не показано), що дозволить підвищити ефективність її експлуатації. Використання в системі теплового і електричного акумулятора, що розташований в блоці 6 генерування електричної енергії, дозволяє забезпечити постійне безперебійне постачання споживачам електричної і теплової енергії. Також завдяки тому, що в системі застосовано блок її керування 14, який включає датчики температури, тиску, напруги і має виходи для приєднання до виконавчих механізмів складових її частин, забезпечується ефективна робота як окремих блоків, так і всієї системи в цілому. Отже запропонована система автономного енергозабезпечення для генерування електричної і теплової енергії забезпечує життєзабезпечення об'єктів, які не мають централізованого енергопостачання, і надійну їх роботу в складних умовах експлуатації. Система може використовуватися для забезпечення теплом, гарячою водою та електроенергією наземних екологічно безпечних об'єктів, наприклад жилих будівель, промислових або громадських споруд, окремих населених пунктів з низькими експлуатаційними затратами на енергозабезпечення з більшою ефективністю за рахунок підвищення її коефіцієнта корисної дії завдяки поєднанню в одному функціональному модулі теплового насоса 4 і установки 2 для перетворення сонячної енергії в теплову з двигуном Стірлінга. Таким чином, поставлена задача корисної моделі вирішується. Джерела інформації: 1. Пат. RU 2280777C1, F02G5/04; F02G5/00, 27.07.2006 2. Пат. RU 22611335C1, F01K7/12; F01K7/00, 29.09.2005 3. Пат. RU 2249125C1, F03D9/00; F03D9/02, 27.03.2005. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 1. Система автономного енергозабезпечення для генерування електричної і теплової енергії, яка включає установку для перетворення сонячної енергії в теплову, тепловий акумулятор, що зв'язаний зі споживачами теплової енергії, тепловий насос, який зв'язаний із тепловим акумулятором і колектором тепла Землі, блок генерування електричної енергії, який підключений до теплового насоса і зв'язаний зі споживачами електричної енергії, та блок керування системи, що зв'язаний із установкою для перетворення сонячної енергії в теплову, тепловим акумулятором, тепловим насосом і блоком генерування електричної енергії, яка відрізняється тим, що в систему додатково введено двигун Стірлінга, який з'єднаний з блоком генерування електричної енергії, колектором тепла Землі, установкою для перетворення сонячної енергії, тепловим акумулятором і тепловим насосом. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що блок генерування електричної енергії включає генератор електричної енергії, який приєднаний до вала двигуна Стірлінга, акумулятор електричної енергії, формувач змінної напруги, вихід якого з'єднаний зі споживачами електричної енергії і компресором теплового насоса. 3. Система за пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що в тепловий акумулятор вбудований додатковий теплообмінник, який приєднаний до водяного або ґрунтового накопичувача теплової енергії. 3 UA 83084 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4