Энергоаккумулирующая установка

Изобретение относится преимущественно к автономным системам и установкам энергообеспечения, использующим как различные виды топлива, так и возобновляемые источники энергии, например энергию солнца, и предназначены для обеспечения отопительным теплом, горячей водой, холодом и электроэнергией различных объектов, имеющих неравномерную энергетическую нагрузку. В энергоаккумулирующей установке, содержащей турбину, приемник рабочего тела, подключенный к выходу турбины, аккумулятор сжиженного рабочего тела, к которому подключен основной нагнетатель, установленный перед нагревающим теплообменником, включенным перед турбиной, согласно изобретению приемник рабочего тела выполнен в виде емкости, заполненной сорбентом рабочего тела, в которой размещен встроенный теплообменник, включенный между основным нагнетателем и нагревающим теплообменником, а установка дополнительно содержит, по меньшей мере, один компрессор и охлаждающий теплообменник, при этом компрессор включен между приемником рабочего тела и входом охлаждающего теплообменника, выход которого соединен с аккумулятором сжиженного рабочего тела. Изобретение позволяет обеспечить аккумулирование энергии различных источников энергии и выработку пиковой электроэнергии. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится преимущественно к автономным системам и установкам энергообеспечения, использующим как различные виды топлива, так и возобновляемые источники энергии, например энергию солнца, и предназначены для обеспечения отопительным теплом, горячей водой, холодом и электроэнергией различных объектов, имеющих неравномерную энергетическую нагрузку.

Известны энергоустановки, ветроустановки с электрогенераторами или приливные электростанции, преобразующие первичную энергию в электрическую, которая запасается в электроаккумуляторах и затем по необходимости подводится к различным потребителям электроэнергии. Применяются также различные энергоустановки, преобразующие тепловую (солнечную или геотермальную) энергию в электрическую энергию. Значительный потенциал имеют атомные энергоисточники, которые выгодно использовать при постоянной нагрузке, в то время как в энергосистеме существуют дневные пики и ночные провалы мощности. Как видно из приведенного перечисления особенностей работы различных энергогенерирующих систем, существует значительная разница во временных графиках выработки и потребления энергии. Таким образом, возникает задача создания энергоаккумулирующих установок и систем, способных обеспечивать потребителя различными видами энергии, вторичными энергоносителями и опресненной водой в требуемом по условиям потребления неравномерном режиме вне зависимости от графика расхода первичной энергии.

Энергетический потенциал атомных и возобновляемых источников энергии более чем на два порядка превышает потребность в энергии. Использование этого потенциала решит геополитические проблемы, связанные с неравномерностью размещения природных месторождений органического топлива, а также приведет к заметному восстановлению природного экологического потенциала и улучшению состояния окружающей среды.

Выравнивание графика нагрузок энергоисточников за счет применения традиционных накопителей электроэнергии или теплоаккумуляторов увеличивает стоимость производства энергии и усложняет регламент работы.

В частности, предложен способ работы ветроэлектростанции с водородным аккумулированием энергии, заключающийся в том, что воду разлагают на кислород и водород, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности создают замкнутый цикл, где воду нагнетают насосом в пароохладитель и электролизер, из которого водород и кислород как компоненты разложения воды собирают в резервуары для раздельного хранения, сжигают в камере сгорания, а продукты сгорания в виде перегретого водяного пара направляют в пароохладитель, где впрыскивают воду и охлаждают перегретый водяной пар, энергию которого посредством паровой турбины, генератора, конденсатора и электрокотла преобразуют в электрическую и тепловую энергию, а конденсат сливают в конденсатную емкость (заявка РФ на изобретение №99102865, дата публикации 2000.12.20). Недостатками данного решения являются высокая стоимость и низкая эффективность аккумулирования энергии, что связано с большими затратами на создание и эксплуатацию электролизеров (до 3000 долл. США/кВт) и систем хранения водорода и кислорода, а также относительно низкий кпд паротурбинного цикла.

Более экономичное решение предложено в патенте РФ на изобретение №2023387 (дата публикации 1994.11.30), в котором перед подачей углекислого газа в теплицу осуществляют его многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением в водоуглекислотных теплообменниках, аккумулирование сжиженного углекислого газа и его хранение, при этом после хранения осуществляют нагрев его в солнечном коллекторе для получения углекислотного пара, который направляют в углекислотную турбину с регулируемым давлением на выхлопе турбин - прототип. Недостатками данного решения являются относительно низкий кпд углекислотного цикла и необходимость подвода углекислоты от стороннего источника.

Цель изобретения - это создание энергоаккумулирующей установки, в которой устранены указанные выше недостатки.

Поставленная задача решается тем, что:

в энергоаккумулирующей установке, содержащей турбину, приемник рабочего тела, подключенный к выходу турбины, компрессор и охлаждающий теплообменник, соединенный с аккумулятором сжиженного рабочего тела, к которому подключен основной нагнетатель, установленный перед нагревающим теплообменником, включенным перед турбиной, компрессор соединен с приемником рабочего тела, выполненным в виде емкости, заполненной сорбентом рабочего тела, в которой размещен встроенный теплообменник, включенный между основным нагнетателем и нагревающим теплообменником.

- между компрессором и приемником рабочего тела включен охладитель;

- охладитель и охлаждающий теплообменник соединены с охлаждающей стороны с аккумулятором холода;

- приемник рабочего тела подключен к системе циркуляции внешнего теплоносителя с возможностью нагрева или охлаждения сорбента внутри приемника через герметичные теплообменные поверхности;

- вход в турбину соединен с трубопроводом, подключенным через регулируемый клапан и дополнительный нагнетатель с выходом из основного нагнетателя со стороны приемника рабочего тела;

- в качестве сорбента выбрано любое вещество из ряда: активированный уголь, цеолит, вода, спирт, ацетон, галогениды щелочных или щелочноземельных металлов, этаноламин, щелочи, нитраты или смесь перечисленных материалов;

- в качестве рабочего тела выбрано вещество с более низкой, чем у сорбента, точкой кипения из ряда: углеводороды, вода, спирты, эфиры, фторхлоруглероды, перфторуглероды, аммиак, диоксид углерода, или сочетание перечисленных материалов;

- выход нагревающего теплообменника соединен через регулируемый клапан с выходом из турбины, а вход нагревающего теплообменника через дополнительный регулируемый клапан подключен к выходу компрессора или одной из его ступеней;

- после охлаждающего теплообменника включен дроссель;

- теплообменные поверхности, размещенные внутри приемника рабочего тела, снабжены интенсификатором теплообмена, выбранным из ряда: сетка, ребро, насечка, перфорированная пластина или их комбинация;

- нагревающий теплообменник подключен к аккумулятору тепла;

- аккумулятор рабочего тела выполнен изотермическим и снабжен теплоизоляционным кожухом.

На чертеже дано схемное решение предложенной энергоаккумулирующей установки.

Энергоаккумулирующая установка содержит турбину 1, приемник рабочего тела 2, подключенный к выходу турбины, аккумулятор сжиженного рабочего тела 3, к которому подключен основной нагнетатель 4, установленный перед нагревающим теплообменником 5, включенным перед турбиной, приемник рабочего тела 2 выполнен в виде емкости, заполненной сорбентом рабочего тела, в которой размещен встроеннный теплообменник 5¹, включенный между основным нагнетателем и нагревающим теплообменником 5, а установка дополнительно содержит, по меньшей мере, один компрессор 6 и охлаждающий теплообменник 7, при этом компрессор 6 включен между приемником рабочего тела 2 и входом охлаждающего теплообменника 7, выход которого соединен с аккумулятором сжиженного рабочего тела 3.

В зависимости от выбранного рабочего тела (аммиак, диоксид углерода, углеводород и т.д.) сорбент, заполняющий приемник рабочего тела 2, может быть как твердым (например, активированный уголь, цеолит, хлорид щелочного металла и т.д.), так и жидким (вода, спирт, раствор этаноламина и др.), что может вызывать отличия в конструкции приемника рабочего тела 2. Например, в случае жидкого сорбента приемник 2 для снижения тепловых потерь в режиме десорбции может оснащаться аппаратом дефлегмации десорбируемого рабочего тела (не показан), который, в свою очередь, может быть снабжен узлом регенеративного теплообмена.

С целью уменьшения работы сжатия рабочего тела в режиме десорбции (накопления энергии) между компрессором 6 и приемником рабочего тела 2 включен охладитель 9, выполненный в данном примере реализации с возможностью охлаждать рабочее тело как на входе в компрессор 6, так и между его ступенями сжатия, обеспечивая тем самым промежуточное охлаждение.

Для снижения температуры рабочего тела и/или его конденсации охладитель 9 и охлаждающий теплообменник 7 могут быть соединены с охлаждающей стороны с аккумулятором холода 8, накопление холода в котором может осуществляться за счет низких температур окружающей среды или применения холодильных машин компрессионного или абсорбционного типа (не показаны). Рационально накапливать холод в виде бинарных ледяных смесей так называемого жидкого льда (смесь воды, спирта и ингибирующей коррозию присадки).

Для более эффективного осуществления процессов сорбции (в режиме выдачи пиковой энергии) и десорбции рабочего тела (в режиме накопления энергии) приемник рабочего тела 2 может быть подключен к системе циркуляции внешнего теплоносителя с возможностью нагрева или охлаждения сорбента внутри приемника через герметичные теплообменные поверхности. Таким внешним теплоносителем преимущественно выбирается вода, поскольку существуют экономичные технологии ее применения в качестве теплоносителя в требуемом диапазоне температур (5-180°С).

Кроме того, вход в турбину 1 может быть соединен с трубопроводом 10, снабженным регулируемым клапаном и дополнительным нагнетателем и подключенным к выходу из основного нагнетателя 4 со стороны приемника рабочего тела 2. Подключение к нагревающему теплообменнику 5 коммуникации подвода нагревающего теплоносителя позволит использовать не только в режиме выдачи пиковой энергии, но и в режиме накопления энергии, чтобы тепло, подводимое к теплообменннику 5 и использованное для нагрева рабочего тела, могло служить (путем подвода по трубопроводу 10 нагретого рабочего тела к его приемнику 2) для нагрева сорбента (через встроенные теплообменные поверхности) и десорбции рабочего тела из его приемника 2, заполненного сорбентом, насыщенным рабочим телом.

В качестве сорбента, как уже упоминалось выше, может быть выбрано любое вещество из ряда: активированный уголь, цеолит, вода, спирт, ацетон, галогениды щелочных или щелочноземельных металлов, этаноламин, щелочи, нитраты или сочетание перечисленных материалов.

В качестве рабочего тела целесообразно выбрать вещество с более низкой, чем у сорбента, точкой кипения из ряда: углеводороды, вода, спирты, эфиры, фторхлоруглероды, перфторуглероды, аммиак, диоксид углерода или смесь перечисленных материалов.

Для рационального использования вторичных тепловых ресурсов выход нагревающего теплообменника 5 соединен через регулируемый клапан 11³ с выходом из турбины 1, а вход нагревающего теплообменника 5 через дополнительный регулируемый клапан подключен к выходу компрессора 6 или одной из его ступеней (на чертеже дополнительный клапан и линия подключения не показаны).

С целью снижения давления паров рабочего тела в аккумуляторе рабочего тела 3 и соответствующего уменьшения расхода металла, в первую очередь, на изготовление оболочки аккумулятора рабочего тела 3 после охлаждающего теплообменника 7 включен дроссель 11.

Учитывая относительно невысокие коэффициенты теплоотдачи к некоторым из предложенных сорбентов, а также с целью уменьшения общих затрат на изготовление установки теплообменные поверхности, размещенные внутри приемника рабочего тела 2, могут быть снабжены интенсификатором теплообмена, выбранным из ряда: сетка, ребро, насечка, перфорированная пластина или их комбинация.

Принимая во внимание возможную неравномерность подвода тепловой энергии, например, при использовании возобновляемых источников, таких как солнечная энергия, нагревающий теплообменник 5 может быть подключен к аккумулятору тепла 12, который, в свою очередь, рационально выполнить в виде герметичной теплоизолированной емкости, заполненной теплоаккумулирующим веществом: жидким, например водой или маслом, или твердым, например солями и оксидами щелочных и щелочноземельных металлов, а также минералами с высокой теплоемкостью.

Как и аккумуляторы холода 8 и тепла 12, аккумулятор рабочего тела 3 может быть выполнен изотермическим и снабжен теплоизоляционным кожухом.

Работает данная энергоаккумулирующая установка следующим образом на двух основных режимах: пиковом и накопительном. В пиковом режиме рабочее тело, например диоксид углерода (CO₂), хранящийся в аккумуляторе сжиженного рабочего тела 3, например в изотермической типовой емкости при температуре -35°С и давлении 1.6 МПа, начинают подавать основным нагнетателем 4 с повышением давления до 4 МПа в нагревающий теплообменник 5 с предварительным прохождением через встроенный теплообменник 5' таким образом, что поступающий жидкий СО₂ внутри приемника 2 испаряют при температуре около 0°С за счет тепла, выделяемого при поглощении газообразного СО₂, поступающего в приемник 2 из турбины 1, в сорбенте, заполняющем приемник 2. Таким сорбентом, как показали экспериментальные исследования, целесообразно в данном примере исполнения выбрать гранулированный активированный уголь, например, типа СКТ-6. После испарения СО₂ в газообразном состоянии подают на перегрев до 100°С в нагревающем теплообменнике 5, в который подводят тепло, например, из теплового аккумулятора 12 или сбросное тепло теплового двигателя, или отработанный пар паровой турбины АЭС, или тепло возобновляемого источника энергии, например геотермального.

Нагретый СО₂ подают на вход турбины 1, где рабочее тело - СО₂ расширяют до давления 0.2 МПа и температуры -91°С, после чего СО₂ подают в приемник 2, где СО₂ поглощается размещенным внутри приемника 2 сорбентом. Тепло, выделяющееся при сорбции СО₂, отводят через теплообменные поверхности размещенного внутри приемника 2 встроенного теплообменника 5¹ за счет испарения потока жидкого СО₂, поступающего из основного нагнетателя 4, как описано выше. До поступления СО₂ из турбины 1 первую порцию жидкого СО₂, в момент начала пикового режима подаваемую во встроенный теплообменник 5¹ внутри приемника 2, испаряют за счет теплоемкости конструкций и сорбента, размещенных в приемнике 2. При отводе тепла от сорбента при относительно низких температурах ниже 0°С поглощающая способность активированного угля типа СКТ-6 позволяет сорбировать в приемнике 2 до 0.5 кг CO₂/1 кг сорбента в зависимости от величины противодавления турбины 1.

Режим накопления энергии ("зарядки") сводится к десорбции СО₂ из приемника 2, для чего в приемник 2 подводится тепло с помощью потока СО₂, нагретого сторонним источником тепла в нагревающем теплообменнике 5 и подаваемого в приемник 2 либо через встроенный теплообменник 5¹ с помощью трубопровода 10 через регулируемый клапан 11² с возвратом охлажденного в приемнике 2 потока СО₂ на повторный нагрев, для чего служит размещенный на линии трубопровода 10 дополнительный нагнетатель, либо в альтернативном варианте исполнения подаваемого через регулируемый клапан 11³ непосредственно на выход турбины 1, а затем внутрь приемника 2 для непосредственного контакта с нагреваемым сорбентом и возвращения вновь в компрессор 6 для прокачки потока CO₂, подаваемого затем по отдельной магистрали (не показана) на вход в нагревающий теплообменник 5 для повторного нагрева.

Нагрев может также осуществляться за счет подключения приемника 2 к системе циркуляции внешнего теплоносителя, обозначенной на чертеже стрелками справа.

В результате нагрева сорбента, насыщенного рабочим телом - СО₂ внутри приемника 2, производят десорбцию CO₂ из рабочего объема приемника 2, откуда поток CO₂ подают сначала на охлаждение в охладитель 9, а затем на вход в компрессор 6. Между ступенями сжатия компрессора 6 также производят с помощью охладителя 9 снижение температуры сжимаемого потока СО₂.

Часть выходящего из компрессора 6 или отбираемого из одной из его ступеней потока CO₂ могут, как описано выше, направлять в нагревающий теплообменник 5, а затем внутрь приемника 2.

Основной поток CO₂, выходящий из компрессора 6 и сжатый до высокого давления, направляют в охлаждающий теплообменник 7, в котором при отводе тепла осуществляют конденсацию СО₂, после чего жидкий CO₂ накапливают в аккумуляторе сжиженного рабочего тела 3. С целью уменьшения давления в аккумуляторе 3 сжиженный СО₂ могут дросселировать в регулируемом дросселе 11. Хранение СО₂ в аккумуляторе 3 может таким образом осуществляться как при обычных, так и при криогенных температурах. И в том и в другом случае с целью уменьшения теплоподвода к СО₂, накапливаемому в аккумуляторе 3, последний выполнен изотермическим и снабжен теплоизоляционным кожухом. С целью уменьшения работы сжатия рабочего тела в компрессоре 6 конденсацию могут вести при температурах ниже комнатной (например, при 0°С), для чего охлаждающий теплообменник 7 и охладитель 9 по охлаждающей стороне подключают к аккумулятору холода 8, заряжаемому либо холодильной машиной либо также и за счет источников холода в окружающей среде (например, проточных водоемов в зимнее время года в средних и высоких широтах).

Пиковый и накопительный режим разнесены по времени суток таким образом, чтобы накопительный режим приходился на время провала нагрузки в сети, как правило, в ночные часы, а пиковый режим покрывал возрастающую нагрузку в сети, как правило, в утренние и вечерние часы. Это позволяет накапливать дешевую ночную энергию для выработки дорогой пиковой энергии.

Поскольку аккумулятор рабочего тела 3 может использоваться как источник жидкого СО₂, это позволяет при необходимости осуществлять производство холода при подаче жидкого СО₂ в отдельный испаритель (на чертеже не показан), подключенный по охлаждаемой стороне к потребителю холода, а по охлаждающей стороне выходящий в приемник рабочего тела 2.

Теплообменные поверхности внутри приемника 2 могут использоваться для отопительных нужд, поскольку при сорбции СО₂ в сорбенте выделяется значительное количество тепловой энергии, для чего необходимо и достаточно, чтобы давление СО₂, который подают в приемник 2, превышало его равновесное давление сорбции в сорбенте, размещенном внутри приемника 2, при необходимых по условиям отвода тепла температурах.

Предложенная энергоаккумулирующая установка по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:

- повышается мощность турбины и общая вырабатываемая пиковая энергия, поскольку требуемый расход тепловой энергии, подводимой в пиковом режиме от стороннего энергоисточника, составляет только 20-30% от тепла, подводимого к рабочему телу от стороннего источника в прототипном техническом решении;

- повышается надежность работы установки и снижается стоимость производства энергии за счет резкого (на несколько порядков) снижения подпитки рабочего тела в установку, подаваемого со стороны, что исключает также и зависимость от подвозки рабочего тела на площадку размещения установки;

- обеспечивается полная экологическая безопасность энергоаккумулирующей установки, поскольку рабочее тело не выбрасывается в окружающую среду;

- с помощью тепловых аккумуляторов установки запасается любое требуемое количество энергии, достаточное для обеспечения стабильной бесперебойной работы установки даже в периоды перерыва в подводе тепловой энергии от стороннего источника;

- обеспечивается возможность применения данной установки для выработки пиковой электроэнергии и снабжения различных объектов тепловой энергией и холодом в режиме разуплотненного графика их потребления;

- технически просто и надежно обеспечивается возможность аккумулирования провальной ночной энергии, отпускаемой по сниженному тарифу;

- обеспечивается возможность эффективной утилизации сбросного тепла различных тепловых двигателей, а также расширяется возможность применения возобновляемых природных источников энергии, обладающих значительным ресурсным потенциалом и в то же время высокой неравномерностью поступления их энергии, а также дополнительного повышения эффективности установки в холодные климатические периоды;

- повышается надежность работы и снижается стоимость изготовления установки за счет умеренных по температуре и давлению параметров рабочего тела.

Дополнительным положительным свойством данной энергоаккумулирующей установки является возможность использования уже существующих материалов, технических решений и оборудования, необходимых для ее создания.

В частности, в качестве теплообменников целесообразно применить так называемые печатные сотовые теплообменники, предложенные фирмой Heatric /The Development of High Efficiency Heat Exchangers for Helium Gas Cooled Reactors, Stephen Dewson & Bernard Thonon. Presented at the 2003 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants. May 4-7, Congress Palais, Córdoba, Spain/, расход металла в которых в расчете на 1 МВт тепловой мощности составляет 0.2 т/МВт по сравнению с 12-15 т/МВт в традиционных кожухотрубчатых конструкциях.

1. Энергоаккумулирующая установка, содержащая турбину, приемник рабочего тела, подключенный к выходу турбины, компрессор и охлаждающий теплообменник, соединенный с аккумулятором сжиженного рабочего тела, к которому подключен основной нагнетатель, установленный перед нагревающим теплообменником, включенным перед турбиной, отличающаяся тем, что компрессор соединен с приемником рабочего тела, выполненным в виде емкости, заполненной сорбентом рабочего тела, в которой размещен встроенный теплообменник, включенный между основным нагнетателем и нагревающим теплообменником.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что между компрессором и приемником рабочего тела включен охладитель.

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что охладитель и охлаждающий теплообменник соединены с охлаждающей стороны с аккумулятором холода.

4. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что приемник рабочего тела подключен к системе циркуляции внешнего теплоносителя с возможностью нагрева или охлаждения сорбента внутри приемника через герметичные теплообменные поверхности.

5. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что вход в турбину соединен с трубопроводом, подключенным через регулируемый клапан и дополнительный нагнетатель с выходом из основного нагнетателя со стороны приемника рабочего тела или с выходом из турбины.

6. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве сорбента выбрано любое вещество из ряда активированный уголь, цеолит, вода, спирт, ацетон, галогениды щелочных или щелочноземельных металлов, этаноламин, щелочи, нитраты или сочетание перечисленных материалов.

7. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела выбрано вещество с более низкой, чем у сорбента, точкой кипения из ряда углеводороды, вода, спирты, эфиры, фторхлоруглероды, перфторуглероды, аммиак, диоксид углерода или смесь перечисленных материалов.

8. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что выход нагревающего теплообменника соединен через регулируемый клапан с выходом из турбины, а вход нагревающего теплообменника через дополнительный регулируемый клапан подключен к выходу компрессора или одной из его ступеней.

9. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что после охлаждающего теплообменника включен дроссель.

10. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что теплообменные поверхности, размещенные внутри приемника рабочего тела, снабжены интенсификатором теплообмена, выбранным из ряда сетка, ребро, насечка, перфорированная пластина или их комбинация.

11. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что нагревающий теплообменник подключен к аккумулятору тепла.

12. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что аккумулятор рабочего тела выполнен изотермическим и снабжен теплоизоляционным кожухом.