Установка для преобразования низкопотенциального тепла в электрическую энергию

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к установкам для преобразования низкопотенциальной энергии в электрическую. Установка для преобразования низкопотенциального тепла в электрическую энергию содержит корпус, термоэлектрические модули, соединенные с аккумуляторной батареей, термоэлектрические модули расположены за калорифером газотурбинной электростанции, состоящей из последовательно установленных компрессора, камеры сгорания, турбины, свободной турбины и электрогенератора и тепловой насос. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности преобразования низкопотенциального тепла в электрическую энергию и повысить КПД установки. 1 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к установкам для преобразования низкопотенциальной энергии в электрическую.

Известен термоэлектрический генератор, преобразующий тепло сжигания топлива, включающий камеру каталитического сжигания топлива, содержащую катализатор, термоэлектрические преобразователи, источник топлива, средства для смешения топлива с воздухом и средства для подачи горючей смеси в камеру каталитического сжигания, средства для предварительного нагревания катализатора до температуры каталитической реакции окисления топлива, например электрический нагреватель, и средства для его отключения после достижения температуры каталитической реакции, заключенные между двумя керамическими или металлическими пластинами, камера каталитического сжигания образована, по крайней мере, одним термоэлектрическим преобразователем и катализатор нанесен на высокотемпературную поверхность термоэлектрического преобразователя.

(Патент RU №2197054 МПК H 02 N 3/00, публикация 20.01.2003)

Недостатком генератора являются большие потери в связи с теплопроводностью термоэлементов, высокая температура горения, что снижает ресурс термоэлектрических модулей и требует частой замены, а также ограниченные функциональные возможности.

Аналогом также является теплоэлектрогенератор, включающий корпус-нагреватель с камерой горения и водяной рубашкой, блок вентилятора с двигателем, ротором, входным и выходным воздушными патрубками, размещенными термоэлектрическими модулями с возможностью подачи электроэнергии на двигатель блока вентилятора и внешние потребители, ротор снабжен плоскопараллельными дисками, отделенными от камеры горения герметичной разделительной стенкой с укрепленными на ней и на горизонтальных поверхностях камеры сгорания упомянутыми термоэлектрическими модулями, а со стороны ротора на герметической разделительной стенке выполнены теплосъемные пластины, расположенные в воздушных промежутках между плоскопараллельными дисками. Техническим результатом аналога является возможность получения от одного генератора трех энергоносителей - горячей воды, горячего воздуха, электроэнергии, повышение технологичности использования, упрощение запуска в работу, повышение экологичности и безопасности использования.

(Патент RU №2166702 МПК F 24 H 6/00, публикация 10.05.2001)

Также известен аналог - термоэлектрический генератор, содержащий узел нагревателя, узел охладителя и батареи термоэлементов, выполненные в виде модулей, которые собраны в блок, размещенный между узлами нагревателя и охладителя. Узел нагревателя может быть выполнен полым, что дает возможность устанавливать его на выхлопной трубе двигателя внутреннего сгорания или дизеля. Предложенная конструкция в сочетании с 4-компонентным материалом термоэлементов обеспечивает получение компактного генератора, который легко размещается как в корпусе судов в месте размещения выхлопной трубы, так и автомобиля. При этом в зависимости от мощности двигателя можно получить генератор с выходной мощностью 10-30 кВт и более и с КПД порядка 10%. Изобретение может быть использовано в ТЭГ, применяемых с целью утилизации отработавшего тепла ядерных реакторов, двигателей внутреннего сгорания (ДВС), дизельных и других тепловых двигателей.

(Патент RU №2191447 МПК Н 01 L 35/2, публикация 20.10.2002)

Недостатком этих аналогов являются ограниченные функциональные возможности в связи с использованием термоэлектрических модулей как основного источника электрической энергии.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является установка для преобразования низкопотенциального тепла в электрическую энергию, выполненная в виде системы выпуска двигателя внутреннего сгорания, которая содержит корпус, входной патрубок, сопло Лаваля, термоэлектрогенератор с радиаторами и термоэлементами, соединенный с аккумуляторной батареей, вихревую регулируемую трубу, кольцевые сопла Лаваля, в которых на расширяющихся конических поверхностях установлены направляющие, которые придают газовым потокам противоположные движения газов по траектории расширяющейся винтовой спирали, а термоэлектрогенератор соединен с аккумуляторной батареей при помощи диода. Холодные спаи термоэлементов термоэлектрогенератора охлаждаются потоком набегающего воздуха с помощью сопла Лаваля или жидкостью. Изобретение позволяет повысить эффективность системы, улучшить утилизацию бросовой тепловой энергии путем превращения ее части в электрическую для подзарядки аккумуляторной батареи, предотвратить разряд аккумуляторной батареи на термоэлектрогенератор.

(Патент RU №2081337 МПК F 01 N 5/02, 3/04, публикация 10.06.97)

Недостатком прототипа является его ограниченные функциональные возможности.

Задачи изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение КПД, за счет применения термоэлектрических модулей и теплового насоса.

Поставленная задача достигается тем, что в установке для преобразования низкопотенциального тепла в электрическую энергию, содержащей корпус, термоэлектрические модули, соединенные с аккумуляторной батареей, в отличие от прототипа, устанавливают тепловой насос за термоэлектрическими модулями, а термоэлектрические модули расположены за калорифером газотурбинной электростанции, состоящей из последовательно установленных компрессора, камеры сгорания, турбины, свободной турбины и электрогенератора.

На чертеже приведена схема установки.

Сущность изобретения заключается в преобразовании энергии бросовых газов в полезную электрическую энергию при помощи термоэлектрических модулей и теплового насоса.

Установка включает в себя газотурбинную электростанцию, состоящую из компрессора 1, жестко соединенного с турбиной 2, камеры сгорания 3, свободной турбины 4, приводящей во вращение электрогенератор 5, калорифера 6 и термоэлектрических модулей 7, за которыми устанавливается тепловой насос 8.

Установка работает следующим образом. Воздух сжимается компрессором 1 и под давлением подается в камеру сгорания 3. Туда же, и тоже под давлением, впрыскивают горючее и поджигают его. Горячие газы выходят из камеры сгорания 3, вращают турбину 2 и свободную турбину 4. Турбина 2 в свою очередь через вал вращает компрессор 1, сжимающий воздух, а свободная турбина 4 приводит во вращение электрогенератор 5. Далее горячие газы отдают часть тепла калориферу 6, термоэлектрическим модулям 7 и тепловому насосу 8.

Газотурбинная электростанция, например ГТЭ 10-95, имеет полезную электрическую мощность 10 МВт и тепловую энергию 15 МВт. В итоге 83% энергии топлива, сгоревшего в двигателе, превращается в полезную энергию. Остальная энергия выбрасывается в выхлопную трубу и затрачивается на работу трения.

Для доказательства повышения КПД установки проведем расчеты.

Примем следующие параметры ГТУ:

Температура горячих газов Т_г=500°К;

Температура воздуха Т_х=300°К;

Расход газа G=70 кг/с.

Тогда теряемая мощность составит:

N=G·L=G·C_p·(T_г-T_х)=70·1100·(500-300)=15400000 Bт=15,4 МВт.

Принимая КПД термоэлементов 3%, получим электрическую мощность, снимаемую с термоэлектрических модулей 15,4·0,03=0,5 МВт.

Таким образом, с использованием термоэлектрических модулей КПД газотурбинной электростанции повышается на 2%.

При использовании теплового насоса оставшееся тепло, это 15,4-0,5=14,9 МВт, можно преобразовать в полезную энергию. Считая КПД теплового насоса 10%, получим 0,1·14,9=1,49 МВт.

Таким образом, с использованием теплового насоса КПД установки повышается на 6%.

Итак, полученное изобретение позволяет расширить функциональные возможности и повысить КПД за счет использования термоэлектрических модулей и теплового насоса как дополнительных источников энергии.

Установка для пребразования низкопотенциального тепла в электрическую энергию, содержащая корпус, термоэлектрические модули, соединенные с аккумуляторной батареей, отличающаяся тем, что содержит тепловой насос, расположенный за термоэлектрическими модулями, а термоэлектрические модули расположены за калорифером газотурбинной электростанции, состоящей из последовательно установленных компрессора, камеры сгорания, турбины, свободной турбины и электрогенератора.