BG113829A - Автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници - Google Patents

Abstract

Предназначена е за оптимизирано използване на енергията от възобновяеми енергоизточници. Главното й предимство е използването на "зелена" синергия на място - "зелена" генерация със "зелена" акумулация, като при работните процеси на изделието се отделят 0% въглеродни емисии. Системата, съгласно изобретението, е изключително оперативна и автоматизирана. Процесите на зареждане и разреждане могат да бъдат последователни, без да се губи време за подготовка на различните работни процеси. Много бързо може да бъде задействана (в една или обратна посока), което е безспорно предимство за баланса на електрическата мрежа. Важно функционално предимство на системата, че може да се мащабира, за да покрива енергийни нужди на място - за битово/индустриално електропотребление. Изграждането на системата, съгласно изобретението може да бъде направено чрез частично заравяне в земна маса или изграждане във височина, като не изисква големи свободни терени и представлява компактен начин за безопасно и дългосрочно съхранение на потенциална енергия на ниска цена

Description

Настоящото изобретение се отнася до автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници. Предназначена е за оптимизирано използване на енергията от възобновяеми енергоизточници и подобряване на енергийната ефективност като цяло.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Природосъобразна енерго-акумулация, чрез производство на зелен водород от вода, или на не природосъобразен водород, са начини за съхранение на енергия, които не срещаме в практиката поне по две причини.

Производство на зелен водород е нерентабилно за енергоакумулация, защото от физиката е известно, че нужната енергия за атомно разделяне на водната молекула (Н20=Н+Н+0) е винаги поголяма от енергията, която се получава при новоформиране на молекулата Н20 от атомите й.

Втората причина е, че атомите на водорода Н са най-малките познати в природата, съответно и водородната молекула Н2. Затова при съхранението и транспорта му винаги има утечка и опасност от взрив с кислорода от въздуха, поради което съхранението му е допустимо за кратко време при строги мерки за безопасност .

От патентен документ на Австралия AU2020222393(A1) е позната система за съхранение на възобновяема енергия, която използва водород като носител за съхранение. Системата съдържа модул за генериране на водород чрез електролиза на вода, където модулът за генериране на водород се захранва от един или повече възобновяеми енергийни източници. И модул за съхранение на водород компресиран водород. Системата съдържа и водородна горивна клетка за преобразуване на поне част от акумулирания водорода в електричество.

В патентен документ на САЩ US2021292917(А1) е разкрита система за производство и съхранение на водород, използваща слънчева енергия. Тя превръща слънчевата енергия в електрическа чрез слънчев панел, използвайки електрическата енергия за производство на водород в реактор за електролиза на водата. Полученият водород се съхранява под високо налягане в резервоар за водород във воден резервоар. Тази иновативна система предлага иновативно решение за съхранение на водорода в резервоар, потопен във вода. Но това я усложнява и оскъпява. Същевременно тя не безопасна, както и предходно разгледаната, защото водородът се съхранява под високо налягане, а и самият той взривоопасен. И затова подобни системи не са намерили разпространение в енергийната практика.

В патентен документ на Китай CN111219769(A), публикуван на 02.06.2020 г., е разкрита двурежимна система за захранване с енергия, състояща се от вятърен топлинен блок и фотоволтаичен блок. Вятърният топлинен блок включва вятърна турбина, компресор, дроселна клапа, изпарител и кондензатор. Турбината върти, през задвижващ вал, компресора. А той е свързан с изпарителя и кондензатора, чрез тръбопроводи за хладилен агент. Кондензаторът е съединен с изпарителя през тръбопроводите за хладилен агент и през дроселната клапа.

Фотоволтаичният блок се състои от фотоволтаични панели. Системата акумулира топлинна енергия, генерирана за сметка на слънцето и вятъра. Но топлинната енергия не е целесъобразно да служи за дългосрочна акумулация, защото струва скъпо топлоизолация и въпреки това винаги има загуби на топлина -енергия. А компресорните системи за топлина са скъпи и ненадеждни, защото оперират с високи налягания хладилния агент. Затова такива системи не са намерили приложения от енергийните инвеститори.

Най-разпространената, и отдавна позната, система за енергоакумулация е чрез помпено-генераторни водноелектрически централи, които сега покриват повече от 90% от глобално инсталирания капацитет за съхранение на енергия. Тези системи са подходящи, както за дълго-, така и за краткосрочното съхранение и са конкурентни по отношение на инвестиционните разходи. Но имат съществен недостатък, че може да се строят само на места със специфични релефни условия. А водата също има загуби при преноса и съхранението от течове и изпарения. А техните водни резервоари (горни и долни) с времето се заблатяват. В тях се развива анаеробен живот, гниене, при което се отделя метан, който е около 20 пъти поопасен за глобалното затопляне от С02.

Когато водните резервоари се ползват и за земеделско напояване, посочените неблагоприятни ефекти, частично се компенсиран, тъй като земеделските култури фотосинтезират и поглъщат С02. Такъв е случаят, описана в патентен документ на Тайван TW202119911(A1). Предложена е комбинирана система за съхранение на вода за напояване със съхранение на вода в горни резервоари, която се ползва и за съхранение на потенциална енергия. Изпомпването на вода в горните резервоари става енергия от слънчеви генератори. Тази система изисква определени релефни дадености и наличие на вода. Затова тя има ограничено приложение.

Има различни други системи за съхранение на енергия, като например, чрез промяна на агрегатното състояние на избрани вещества. Те преминават от твърдо в течно състояние и обратно, при което акумулират и освобождават енергия. Такова иновативно решение е известно от патентен документ на Китай WO2021109067(А1). Но то има сравнително малък капацитет и не се ползва за големи енергийни системи. Има подобни иновации, които се различават главно по използвания термопластичен материал.

В документът CN106705188А, публикуван на 24-05-2017, се отнася до оборудване за съхранение на твърда енергия извън пиковия ток. Оборудването разполага с топлоакумулатор, топлообменник и блок за управление; топлообменната единица и единицата за съхранение на топлина се управляват от контролната единица за обмен на топлина с крайния потребител, при което единицата за съхранение на топлина включва тяло за съхранение на топлина, комплект нагревателна единица и топлоизолационен слой; комплектът от нагревателни единици е разположен в тялото за съхранение на топлина за преобразуване на електрическата енергия извън пика в топлинна енергия и съхраняване на топлинната енергия в тялото за съхранение на топлина. Топлоизолационният слой е разположен по външната периферия на топлоакумулиращото тяло; топлообменният модул включва вентилатор, топлообменник, въздушен димоотвод и въздушна камера и извежда топлинната енергия в тялото за съхранение на топлина към потребителя чрез режим на топлообмен; и контролният блок включва захранващ шкаф, контролен шкаф, PLC и сензорен екран.

В US2023203967A1, публикуван на 29-06-2023, се отнася до Система за съхранение на енергия, която преобразува променлива възобновяема електроенергия (VRE) в непрекъсната топлина при над

1000° С. Прекъснатата електрическа енергия загрява твърда среда. Топлината от твърдата среда се доставя непрекъснато при поискване. Масив от тухли, включващ вътрешни радиационни кухини, се нагрява директно от топлинно излъчване. Кухините улесняват бързото, равномерно нагряване чрез повторно излъчване. Доставянето на топлина чрез течащ газ създава термоклин, който поддържа висока температура на изхода по време на изпразване. Газът тече през структурирани пътища в масива, доставяйки топлина, която може да се използва за процеси, включително калциниране, водородна електролиза, генериране на пара и производство на топлинна енергия и когенерация. В WO2022160004A1, публикуван на 04-08-2022, се отнася до Устройство за съхранение на енергия, включващо: тяло за съхранение на топлина, имащо канал за топлообменник и канал за нагревателен елемент, адаптиран да приема подвижен нагревателен елемент; и топлообменник, имащ вход и изход, при което поне част от топлообменника е разположена по продължение на канала. Осигурени са също методи за обратимо съхраняване и/или извличане на енергия, нагревателен елемент и масив за съхранение на енергия, включващ множество апарати за съхранение на енергия. Документът US11378282В2, публикуван на 05-07-2022, се отнася до Акумулатор на топлинна енергия, способен да приема, съхранява и освобождава топлинна енергия в диапазон от повече от една температура към/от най-малко един източник на топлинна енергия и/или поглъщател, като споменатият акумулатор на топлинна енергия включва: конфигурация от три или повече банки за съхранение на топлинна енергия, като всяка от споменатите банки за съхранение на топлинна енергия има работен температурен диапазон; най-малко една или повече от банките за съхранение на топлинна енергия съдържа материал за съхранение на топлинна енергия, включващ единичен материал или смес от материали.

В друг патентен документ на Китай CN112894789(А1) е представена вертикална автоматизирана гравитационна система на външна конструкция на сгради. Тя включва корпус, задвижващ мотор и изходящ вал. Външната конструкция е прикрепена за сграда и не винаги е конструктивно обосновано и допустимо нейното безопасно ползване. Още повече, че това ограничение не помага за енергийното й ползване в голям мащаб. Тя не интегрирана с фотоволтаични панели, които да подобрят нейната природосъобразнст и енергоефективност. Това интегрирано техническо решение е предвидено за енергоакумулация от три различни възобновяеми ресурси - именно на слънчева, на вятърна и на хидрокинетична енергия от речно течение.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Задачата на изобретението е да се обезпечи автоматизирана термична акумулираща система за енергия, генерирана от други източници (предимно възобновяеми) за автоматична оптимална работа в реално време, която благодарение на специфичната форма на нагревателите (7) и въздушните канали на системата за разреждане на термичнното ядро (17) да има уникална изходна характеристика, позволяваща към консуматора да се подава постоянна мощност, независеща от степента на разреждане на термичнния акумулатор.

Представената термична система не е само за съхранение на енергия, а е интелигентна система за съхранение на енергия и оптимално управление на енергийните потоци.

Задачата е решена чрез автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници, включваща термично ядро (17), високо температурни електрически нагреватели (7), вътрешна високоефективна топлоизолация (4), метален корпус (3), външна термоизолация (2), носеща метална конструкция (1), система за зареждане, състояща се от външен енергиен източник (20), електрическо табло за управление на нагревателите (19), и система за измерване на температурата на термичното ядро, (17), система за разреждане, състояща се от вентилатор (8), система от изолирани въздухопроводи (12), шибри за затваряне на акумулатора (14) и (15), три пътни входна и изходна клапи (9) и (11) и специалните въздушни канали с променливо сечение и разположение (6), Система за управление, състояща се от датчици, изпълнителни механизми и специално разработен софтуер за управление. Термичното ядро (17), както и другите технологични обвивки, изолации и корпуси са монтирани във форма на вертикална кула, поддържана механически от металната конструкция (1). Зареждащата система е електрическа с 10 степенна система за регулиране на подаващата мощност. Разреждането на термичния акумулатор се постига чрез принудителна въздушна циркулация през термичното ядро с помощта на вентилатора (8) и прецизното и регулиране с три пътните електронно управляеми клапи (9) и (11). Системата за управление (13) е на базата на програмируеми контролери (PLC). Термичното ядро (17) е съставено от различни по форма и подредба керамични блокове с висока топло емкост. Благодарение на организацията на входящите енергийни потоци в термичното ядро, зареждането с енергия е равномерно в целия обем на ядрото. Поради разреждащите въздушни канали с променливо напречно сечение (6) разреждането на термичното ядро също е равномерно за целия му обем, което позволява поддържането на множество стабилни режими на разреждане при различни мощности на консуматора. Термичното ядро (17), както и свързващите въздухопроводи (12) са ефективно изолирани с новосъздаден изолационен продукт с изключително ниска топлопроводност, което значително увеличава коефициентът на полезно действие на преобразуването на енергията. Системата за управление (12) регулира процеса на зареждане, като управлява мощността на зареждане в съответствие със зададена програма, както и процеса на разреждане в зависимост от мощността на консуматора (9). Системата позволява режим на работа при който зареждането и разреждането на термичния акумулатор може да се осъществява едновременно.

В едно предпочитано изпълнение на автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници, вътрешната топлоизолация може да представлява високоефективна комбинация на нитробетон, шамотни тухли и каменна вата.

В друго предпочитано изпълнение на автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници, системата за управление, състояща се от датчици, изпълнителни механизми се управлява от специално разработен софтуер за управление.

В друго предпочитано изпълнение на автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници системата за управление е на базата на програмируеми контролери (PLC), което я прави дистанционно управляема и програмируема.

Главното предимство на автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници, съгласно изобретението, е използването на зелена синергия на място зелена генерация със зелена акумулация.

Основно предимство на системата е, че тя оптимално интегрира енергоакумулация от различни възобновяеми ресурси. Може да бъде инсталирана при обекти с генерация на енергия от слънцето, вятъра или при генериране на хидрокинетична енергия от речно течение. Именно интеграцията на променливата ветрогенерация ежечасно с фотоволтаичното електро-производство само денем и постоянната хидрокинетична електрогенерация е основата на високата енергийна ефективност на системата, съгласно изобретението.

Изграждането на системата, съгласно изобретението, във височина не изисква големи свободни терени и представлява компактен начин за безопасно и дългосрочно съхранение на потенциална енергия на ниска цена. Това контрастира на фона на непрекъснато поскъпващата енергия в света и е безспорно инвестиционно предимство.

Важно функционално предимство на системата, че може да се мащабира, за да се ползва в населени места да покрива енергийни нужди на битово /индустриално електропотребление.

Предимства на системата са нейната гъвкавост и универсалност.

Системата, съгласно изобретението, е изключително оперативна и много бързо може да бъде задействана (в процес на генерация или в процес на зареждане) което е безспорно предимство за баланса на електрическата мрежа.

Важни природосъобразни и енергийни предимства на системата, съгласно изобретението, че минимизира разходите за електрогенерация, чрез балансиране на пиковете и падовете на електронатоварването в електрическата мрежа, което става напълно автоматично.

Функционално предимство на системата е, че работи автоматично по оптимален начин под интелигентното управление програмируемите си елементи.

ПОЯСНЕНИЕ НА ПРИЛОЖЕНАТА ФИГУРА

Фигурата представлява схематична илюстрация на автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници, съгласно изобретението.

ПРИМЕР ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Схемата на фигурата е примерно изпълнение на автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници, съгласно изобретението. С показаното не се ограничават видовете приложения на изобретението.

Автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници, включва термично ядро (17), високо температурни електрически нагреватели (7), вътрешна високоефективна топлоизолация (4), метален корпус (3), външна термоизолация (2), носеща метална конструкция (1), система за зареждане, състояща се от външен енергиен източник (20), електрическо табло за управление на нагревателите (19), и система за измерване на температурата на термичното ядро, (17), система за разреждане, състояща се от вентилатор (8), система от изолирани въздухопроводи (12), шибри за затваряне на акумулатора (14) и (15), три пътни входна и изходна клапи (9) и (11) и специалните въздушни канали с променливо сечение и разположение (6), Система за управление, състояща се от датчици, изпълнителни механизми и специално разработен софтуер за управление. Термичното ядро (17), както и другите технологични обвивки, изолации и корпуси са монтирани във форма на вертикална кула, поддържана механически от металната конструкция (1). Зареждащата система е електрическа с степенна система за регулиране на подаващата мощност. Разреждането на термичния акумулатор се постига чрез принудителна въздушна циркулация през термичното ядро с помощта на вентилатора (8) и прецизното и регулиране с три пътните електронно управляеми клапи (9) и (11). Системата за управление (13) е на базата на програмируеми контролери (PLC). Термичното ядро (17) е съставено от различни по форма и подредба керамични блокове с висока топло емкост. Благодарение на организацията на входящите енергийни потоци в термичното ядро, зареждането с енергия е равномерно в целия обем на ядрото. Поради разреждащите въздушни канали с променливо напречно сечение (6) разреждането на термичното ядро също е равномерно за целия му обем, което позволява поддържането на множество стабилни режими на разреждане при различни мощности на консуматора. Термичното ядро (17), както и свързващите въздухопроводи (12) са ефективно изолирани с новосъздаден изолационен продукт с изключително ниска топлопроводност, което значително увеличава коефициентът на полезно действие на преобразуването на енергията. Системата за управление (12) регулира процеса на зареждане, като управлява мощността на зареждане в съответствие със зададена програма, както и процеса на разреждане в зависимост от мощността на консуматора (9). Системата позволява режим на работа при който зареждането и разреждането на термичния акумулатор може да се осъществява едновременно.

ИЗПОЛЗВАНЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Термичната системата за енергия от възобновяеми източници, съгласно изобретението, може да работи като напълно автономна система.

Същевременно е свързана с енергийната мрежа с реверсивна апаратура и може автоматично да съхранява и излишна енергия в електромрежата.

Бюджетни варианти на системата, съгласно изобретението, могат да се изпълняват само с част от предвиденото в изобретението.

Ноу-хауто за системата, съгласно изобретението, е изрично описано в патентни претенции от 2 до 4 включително.

Отделно ноу-хау е експертната система, която я управлява в реално време, чието описание следва:

В зависимост от разнообразните условия на работа на системата разработихме различни алгоритми за работата й и по-специално под управлението на програмируеми контролери (PLC).

Благодарение на натрупания опит, след многобройни компютърно симулирани тестове, както и от многото събрани данни и факти, структурирахме отделни бази данни и отделни бази факти. Системата следи и записва консумацията на енергия в реално време. На това основание тя си създава (самообучава се) конкретни правила и прогнози, с които оптимално се постига енергоакумулационният капацитет на системата.

Събраните и формирани бази с данни, факти, бази правила са неразделна част от алгоритмичното проектиране на техникотехнологична експертна система за автоматична работа в реално време на системата, съгласно изобретението.

Експертната система е изпълнена с помощта на обектно ориентиран алгоритмичен език, съдържащ собствен механизъм на умозаключенията за автоматично вземане и изпълнение на решения в реално време. Така изготвеният софтуер работи като изкуствен интелект, самостоятелно вземащ необходимите решения за оптимална работа на системата, съгласно изобретението.

Главна функция на експертната система е да минимизира разходите за електрогенерация, чрез балансиране на пиковете и падовете на електроконсумацията в електрическата мрежа, което става напълно автоматично, благодарение на програмируемите елементи.

Системата, съгласно изобретението, е съставена от познати части на пазара, които се изпълняват по известни технологии. Затова нейната индустриална приложимост и поддръжката й не представляват трудност.

Claims (4)

1. Автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници, включваща термично ядро (17), високо температурни електрически нагреватели (7), вътрешна високоефективна топлоизолация (4), метален корпус (3), външна термоизолация (2), носеща метална конструкция (1), система за зареждане, състояща се от външен енергиен източник (20), електрическо табло за управление на нагревателите (19), и система за измерване на температурата на термичното ядро, (17), система за разреждане, състояща се от вентилатор (8), система от изолирани въздухопроводи (12), шибри за затваряне на акумулатора (14) и (15), три пътни входна и изходна клапи (9) и (11) и специалните въздушни канали с променливо сечение и разположение (6), Система за управление, състояща се от датчици, изпълнителни механизми и специално разработен софтуер за управление. Термичното ядро (17), както и другите технологични обвивки, изолации и корпуси са монтирани във форма на вертикална кула, поддържана механически от металната конструкция (1). Зареждащата система е електрическа с 10 степенна система за регулиране на подаващата мощност. Разреждането на термичния акумулатор се постига чрез принудителна въздушна циркулация през термичното ядро с помощта на вентилатора (8) и прецизното и регулиране с три пътните електронно управляеми клапи (9) и (11). Системата за управление (13) е на базата на програмируеми контролери (PLC). Термичното ядро (17) е съставено от различни по форма и подредба керамични блокове с висока топло емкост. Благодарение на организацията на входящите енергийни потоци в термичното ядро, зареждането с енергия е равномерно в целия обем на ядрото. Поради разреждащите въздушни канали с променливо напречно сечение (6) разреждането на термичното ядро също е равномерно за целия му обем, което позволява поддържането на множество стабилни режими на разреждане при различни мощности на консуматора. Термичното ядро (17), както и свързващите въздухопроводи (12) са ефективно изолирани с новосъздаден изолационен продукт с изключително ниска топлопроводност, което значително увеличава коефициентът на полезно действие на преобразуването на енергията. Системата за управление (12) регулира процеса на зареждане, като управлява мощността на зареждане в съответствие със зададена програма, както и процеса на разреждане в зависимост от мощността на консуматора (9). Системата позволява режим на работа при който зареждането и разреждането на термичния акумулатор може да се осъществява едновременно. Задачата на изобретението е да се обезпечи автоматизирана термична акумулираща система за енергия, генерирана от други източници (предимно възобновяеми) за автоматична оптимална работа в реално време, която благодарение на специфичната форма на нагревателите (7) и въздушните канали на системата за разреждане на термичното ядро (17) да има уникална изходна характеристика, позволяваща към консуматора да се подава постоянна мощност, независеща от степента на разреждане на термичния акумулатор. Представената термична система не е само за съхранение на енергия, а е интелигентна система за съхранение на енергия и оптимално управление на енергийните потоци.

2. Автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници, съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че вътрешната топлоизолация представлява високоефективна комбинация на нитробетон, шамотни тухли и каменна вата.

3. Автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници, съгласно претенция 1 и 2, системата за управление, състояща се от датчици, изпълнителни механизми се управлява от специално разработен софтуер за управление.

4. Автоматизирана термична акумулираща система за енергия от възобновяеми източници, съгласно претенции от 1 до 3, характеризираща се с това, че системата за управление е на базата на програмируеми контролери (PLC), което я прави дистанционно управляема и програмируема.