Způsob výroby elektrické energie a zařízení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby elektrické energie a zařízení k provádění tohoto způsobu a řeší výrobu elektrické energie s využitím tepla získaného z nízkoteplotního zdroje. Nosným hnacím médiem pro pohon turbíny pohánějící elektrický generátor je přehřátá pára oxidu uhličitého, vypuzená ze sorbentů a ohřátá teplem přiváděným z vnějšího prostředí.

Dosavadní stav techniky

Je známo, že tepelnou energii z nízkoteplotních zdrojů lze využít. Pro ohřev budov nebo pro ohřev vody se používají tepelná čerpadla, jejichž nevýhodou je, že je nelze využít k výrobě elektrické energie.

Z dokumentu DE 10 233 230 je známo zařízení, využívající energie nízkoteplotního zdroje k výrobě elektřiny, a to s využitím kruhového termodynamického cyklu. Toto zařízení obsahuje zdroj tepla, např. sluneční kolektor, turbínu s generátorem elektrické energie, chladič a oběhové čerpadlo. Ve dne se teplonosné médium ve slunečním kolektoru zplyňuje, pára, procházející turbínou, spojenou s generátorem elektrické energie, je dále vedena do chladiče, kde kondenzuje účinkem vnějšího ochlazení, například půdou v půdním kolektoru, studniční vodou nebo vodou z řeky. Kondenzát je dále oběhovým čerpadlem veden zpět do slunečního kolektoru. V noci plní funkci zdroje tepla půdní kolektor, studna nebo řeka a funkci chladiče sluneční kolektor nebo jiný výměník tepla, vystavený účinkům povětmosti.

Nevýhodou tohoto zařízení je nedostatečná účinnost, neboť větší část absorbovaného tepla je odváděna bez využití mimo systém. Na podobném principu a se stejnými nevýhodami pracují též zařízení popsaná v následujících dokumentech: CN 1421646 A, JP 2091404 A, JP 5321612 A, RU 2182246 C, a JP 2042102 A.

Společnou nevýhodou všech tepelných čerpadel je, že pro zajištění jejich provozu je nutno do zařízení dodávat elektrickou nebo mechanickou energii.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody řeší způsob výroby elektrické energie a zařízení k provádění tohoto způsobu podle tohoto vynálezu, kdy je využívána energie páry oxidu uhličitého, původně rozpuštěného v rozpouštědle, ze kterého jsou páiy oxidu uhličitého uvolňovány působením tepla dodaného z nízkoteplotního zdroje. Konkrétně se jedná o způsob výroby elektrické energie v nejméně jednou turbínou poháněném elektrickém generátoru, kdy je využíváno desorpce oxidu uhličitého z bohatého sorbentů a absorpce oxidu uhličitého do hubeného sorbentů v uzavřeném cyklu. Podstatou způsobu je, že se účinkem tepla přiváděného z vnějšího prostředí vypuzuje z bohatého sorbentů oxid uhličitý, a to ve formě par, které se následně přivádějí na lopatky první turbíny, která je spojena s prvním elektrickým generátorem. Chudý sorbent, který vznikl z bohatého sorbentu uvolněním oxidu uhličitého se následně ochlazuje, načež se do něj absorbuje oxid uhličitý vystupující z první turbíny. Vzniklý bohatý sorbent se následně rozděluje na dva podíly, kde první podíl se vystavuje účinkům tepla uvolněného při absorpci plynného oxidu uhličitého do hubeného sorbentů v absorbéru a druhý podíl se vede do vypuzovače, kde se vystavuje účinkům tepla hubeného sorbentů vzniklého po uvolnění oxidu uhličitého z bohatého sorbentů ve vypuzovači. Poté se oba podíly bohatého sorbentů vstřikují do prostoru vypuzovače, kde se vystavují účinkům tepla přiváděného z externího prostředí, čímž se z bohatého sorbentů uvolňuje ve formě syté páry oxid uhličitý. Vzniklá pára oxidu uhličitého se přivádí na lopatky první turbíny, a tím se

- 1 CZ 302037 B6 cyklus uzavírá. Alternativně se tlak bohatého sorbentu zvyšuje čerpadlem. Dle další alternativy se teplota par oxidu uhličitého před jejich absorpcí v hubeném sorbentu dále snižuje směšovacím ejektorovým chlazením. Alternativně je rovněž podstatou, že se tlak hubeného sorbentu před absorpcí par oxidu uhličitého snižuje, s výhodou na lopatkách druhé turbíny pro pohon druhého elektrického generátoru. Dle další alternativy je podstatou, že se teplota hubeného sorbentu před absorpcí par oxidu uhličitého zvyšuje účinkem tepla uvolňovaného při absorpci oxidu uhličitého.

Podstatou zařízení, které obsahuje absorbér, vypuzovač a nejméně jednu turbínu pohánějící elektrický generátor je, že vypuzovač je spojen s absorbérem rozvodem hubeného sorbentu, rozvodem bohatého sorbentu a rozvodem oxidu uhličitého. Vypuzovač obsahuje první výměník vypuzovače a druhý výměník vypuzovače. První výměník vypuzovače se nachází na straně přilehlé k připojení vypuzovače k rozvodu oxidu uhličitého a k připojení k rozvodu bohatého sorbentu. Druhý výměník vypuzovače se nachází na straně přilehlé k připojení k rozvodu hubeného sorbentu. Součástí absorbéru je první výměník absorbéru, který se nachází na straně přilehlé k připojení absorbéru k rozvodu oxidu uhličitého a k připojení absorbéru k rozvodu hubeného sorbentu. Současně je první výměník vypuzovače opatřen přívodem teplonosného média z vnějšího prostředí a odvodem teplonosného média do vnějšího prostředí. V rozvodu oxidu uhličitého je dále zařazena první turbína pro pohon prvního elektrického generátoru, jejíž vstupní potrubí je připojeno k vypuzovač i a jejíž výstupní potrubí je připojeno k absorbéru. Rozvod bohatého sorbentu je směrem k vypuzovači rozdělen na větev prvního podílu bohatého sorbentu a na větev druhého podílu bohatého sorbentu. Větev prvního podílu bohatého sorbentu obsahuje čtvrté potrubí bohatého sorbentu a šesté potrubí bohatého sorbentu, mezi kterými je zapojen první výměník absorbéru. V prostoru absorbéru dochází k sorpci CO₂, čímž vzniká bohatý sorbent, který se nasává čerpadlem do uzavřeného pracovního oběhu. Výstupní strana šestého potrubí je dále spojena s prvním vstupem vypuzovače a tím se sprchami, nacházejícími se uvnitř vypuzovače. Větev druhého podílu bohatého sorbentu obsahuje třetí potrubí bohatého sorbentu a páté potrubí bohatého sorbentu, mezi kterými je zapojen druhý výměník vypuzovače, přičemž výstupní strana pátého potrubí je spojena se druhým vstupem vypuzovače a tím se sprchami nacházejícími se uvnitř vypuzovače. Současně jsou vstupní strana čtvrtého potrubí bohatého sorbentu a vstupní strana třetího potrubí bohatého sorbentu spojeny přes regulační prvek průtoku, s výhodou přes trojcestný regulační ventil, s výstupem absorbéru. Alternativně je součástí rozvodu bohatého sorbentu čerpadlo, které se s výhodou nachází mezi výstupem absorbéru a regulačním prvkem průtoku. Dle další alternativy je součástí absorbéru ejektor, který je spojen jak s rozvodem hubeného sorbentu tak s rozvodem oxidu uhličitého. Alternativně je rovněž podstatou, že v rozvodu hubeného sorbentu je zapojena druhá turbína pro pohon druhého elektrického generátoru, která je prvním potrubím hubeného sorbentu připojena k vypuzovači a druhým a/nebo třetím potrubím hubeného sorbentu připojena k absorbéru. Podle další alternativy je v rozvodu hubeného sorbentu zapojen druhý výměník absorbéru, který se nachází uvnitř absorbéru, a to na straně přilehlé k připojení absorbéru k rozvodu bohatého sorbentu.

Výhodou řešení podle vynálezu je vzhledem k velké dostupnosti nízkoteplotních energetických zdrojů, kterými jsou například sluneční energie, díky skleníkovému efektu akumulovaná v atmosféře a tepelná energie, akumulovaná půdou a vodou, vysoká energetická výtěžnost, a to přesto, že pracuje v nízkém teplotním rozsahu teplot, asi 65 °C, a s limitní horní teplotní hranicí, přibliž45 ně +20 °C, a má tudíž malou tepelnou účinnost.

Přehled obrázku na výkrese

Na obrázku I je schematicky znázorněno příkladné provedení absorpčního tepelného čerpadla podle tohoto vynálezu.

-2 CZ 302037 B6

Příklad provedení vynálezu

Elektrická energie se podle příkladného provedení vyrábí v prvním elektrickém generátoru 33 poháněném první turbínou 30 a ve druhém elektrickém generátoru 43, poháněném druhou turbínou 42. Zařízení podle příkladného provedení sestává z vypuzovače 1 a z absorbéru 2, které jsou vzájemně spojeny rozvodem 3 oxidu uhličitého, rozvodem 4 hubeného sorbentů a rozvodem 5 bohatého sorbentů. Vypuzovač I obsahuje sprchy 11, první výměník 12 vypuzovače a druhý výměník 13 vypuzovače. Absorbér 2 obsahuje ejektor 21, první výměník 22 absorbéru a druhý výměník 23 absorbéru. Rozvod 3 oxidu uhličitého propojuje homí část vypuzovače 1 s podtlakovou částí ejektoru 21 a obsahuje první turbínu 30, mechanicky spojenou s prvním elektrickým generátorem 33. První turbína 30 je svým vstupním potrubím 31 připojena k vypuzovač i I a svým výstupním potrubím 32 k ejektoru 21. Rozvod 4 hubeného sorbentů obsahuje druhou turbínu 42 mechanicky spojenou s druhým generátorem 43 elektrického proudu. Vstup druhé turbíny 42 je prvním potrubím 41 hubeného sorbentů připojen k dolní části vypuzovače I. Výstup druhé turbíny 42 je druhým potrubím 44 hubeného sorbentů spojen se vstupem druhého výměníku 23 absorbéru, jehož výstup je třetím potrubím 45 hubeného sorbentů spojen s přetlakovým vstupem ejektoru 21. Ejektor 21 se nachází v homí části absorbéru 2 nad plničem 24 absorbéru, ve kterém se nachází první výměník 22 absorbéru. Rozvod 5 bohatého sorbentů propojuje spodní část absorbéru 2 se sprchami 11 vypuzovače L Součástí rozvodu 5 bohatého sorbentů je čerpadlo 52, poháněné elektromotorem 53. Vstup čerpadla 52 je prvním potrubím 51 bohatého sorbentů spojen s dolní částí absorbéru 2 a výstup čerpadla 52 je druhým potrubím 54 bohatého sorbentů spojen se vstupem regulačního prvku 55 průtoku, v tomto příkladu trojcestným ventilem. Průtok bohatého sorbentů je regulačním prvkem 55 průtoku rozdělen na větev prvního podílu bohatého sorbentů a na větev druhého podílu bohatého sorbentů. Větev prvního podílu bohatého sorbentů obsahuje první výměník 22 absorbéru, který je čtvrtým potrubím 57 bohatého sorbentů připojen k prvnímu výstupu regulačního prvku 55 průtoku a šestým potrubím 59 bohatého sorbentů k prvnímu vstupu 111 vypuzovače 1. Větev druhého podílu bohatého sorbentů obsahuje druhý výměník 13 vypuzovače spojený třetím potrubím 56 se druhým výstupem regulačního prvku 55 průtoku a pátým potrubím 58 bohatého sorbentů se druhým vstupem 112 vypuzovače 1. Vstupy 111, 112 vypuzovače I jsou spojeny se sprchami 11. Sprchy 11 se nacházejí nad plničem 14 vypuzovače, přičemž v plnicí 14 vypuzovače se nachází první výměník 12 vypuzovače, kterým protéká teplonosné médium přivádějící teplo z nízkoteplotního zdroje tepla, jako je odpadní teplo z technologických procesů nebo teplo z vnějšího prostředí jako je okolní vzduch ohřátý sluncem, vodní tok, geotermální zdroj, okolní půda ajiné obnovitelné zdroje. Hnacím médiem pro pohon první turbíny 30 je přehřátá pára oxidu uhličitého, uvolněná ve vypuzovači 1 z bohatého sorbentu, který měl teplotu příkladně -17 °C, a to účinkem tepla přivedeného z vnějšího prostředí. Přehřátá pára oxidu uhličitého má na výstupu z vypuzovače I teplotu +20 °C, tlak převyšující 21 B a průtok 30 kg/s a přivádí se vstupním potrubím 31 první turbíny do první turbíny 30, na jejíchž lopatkách předá část své kinetické energie. První turbína 30 je mechanicky spojena s prvním elektrickým generátorem 33, na jehož svorkách lze odebírat elektrický výkon příkladně 912kW/6300V. Pára oxidu uhličitého průchodem první turbínou 30 expanduje na tlak příkladně

8,5 B, přičemž její teplota klesne příkladně na -30 °C, čímž vzniká sytá a mokrá pára oxidu uhličitého. Tato pára se následně výstupním potrubím 32 první turbíny 30 přivádí do podtlakové části ejektoru 21, který je součástí absorbéru 2. Ejektor 21 plní funkci směšovače syté a mokré páry oxidu uhličitého s hubeným sorbentem a pára oxidu uhličitého je v něm dále podchlazena. Hubený sorbent má na vstupu do ejektoru 21 tlak příkladně 8,5 B, přičemž absorpce probíhá s umožněním kapkové kondenzace do směsi. Tím vzniká za současného odebírání absorpčního tepla bohatý sorbent, jehož teplota je příkladně -45 °C. Hubený sorbent vznikající ve vypuzovači 1 vypuzením páry oxidu uhličitého z bohatého sorbentů se bezprostředně po vzniku ochlazuje ve druhém výměníku 13 vypuzovače 1, načež se přivádí na lopatky druhé turbíny 42, která plní funkci expanzního redukčního ventilu. Druhá turbína 42 je mechanicky spojena se druhým generátorem 43 elektrického proudu. Průchodem hubeného sorbentů druhou turbínou 42, dochází kjeho dalšímu ochlazování expanzí, při které se uvolňuje energie, která se druhým generátorem přeměňuje na elektrickou energii příkladně o hodnotě 50kW/380V, kterou lze odebírat na svor-3CZ 302037 B6 kách druhého elektrického generátoru. Hubený sorbent vystupující z druhé turbíny 42 se dále ohřívá ve druhém výměníku 23 absorbéru 2, čímž ochlazuje bohatý sorbent bezprostředně po jeho vzniku. Z výstupu druhého výměníku 23 absorbéru je hubený sorbent přiváděn třetím potrubím 45 hubeného sorbentů do přetlakového vstupu ejektoru 21 kde plní funkci hnacího média a kde se mísí se sytou a mokrou párou oxidu uhličitého. Tato směs stéká po plnicí 24 absorbéru 2 s velkou povrchovou plochou, podporující blánovou absorpci oxidu uhličitého do sorbentů a je současně ochlazována v prvním výměníku 22 absorbéru. Vzniklý bohatý sorbent se následně, po dochlazení průchodem druhým výměníkem 23 absorbéru 2, z absorbéru 2 odvádí, a to na vstup čerpadla 52. Čerpadlo 52, poháněné elektromotorem 53, napájeným elektřinou z prvního a/nebo io ze druhého elektrického generátoru, zvýší tlak bohatého sorbentů z příkladně 8,5 B na nejméně 20 B. Po výstupu z čerpadla 52 vstupuje bohatý sorbent do regulačního prvku 55 průtoku, kterým je příkladně trojcestný regulační ventil, který rozděluje tok bohatého sorbentů na dva podíly. Regulační prvek 55 průtoku dávkuje jak množství prvního podílu bohatého sorbentů tekoucího čtvrtým potrubím 57 bohatého sorbentů do prvního výměníku 22 absorbéru 2 a odtud šestým potrubím 59 bohatého sorbentů do prvního vstupu 111 a tím do sprch 11 vypuzovače 1, tak množství druhého podílu bohatého sorbentů, tekoucího třetím potrubím 56 bohatého sorbentů do druhého výměníku 13 vypuzovače 1 a odtud pátým potrubím 58 do druhého vstupu 112 a tím do sprch 11 vypuzovače I. Ve druhém výměníku 13 vypuzovače 1 přitom dochází k ohřevu bohatého sorbentů před vstupem do vypuzovače I, a to při současném ochlazování právě vzniklého hubeného sorbentů. V prvním výměníku 22 absorbéru dochází k ohřevu bohatého sorbentů před vstupem do vypuzovače I, a to při současném ochlazování bohatého sorbentů právě vzniklého v absorbéru 2. Bohatý sorbent po vstupu do vypuzovače je sprchami 11 rozstřikován na povrch plniče 14 vypuzovače 1, po kterém stéká za současného ohřevu teplem přiváděným médiem z vnějšího prostředí do prvního výměníku 12 vypuzovače. Přitom se jednak uvolňuje přehrála pára oxidu uhličitého o teplotě příkladně +20 °C, kteráje následně vedena na lopatky první turbíny 30 ajednak vzniká hubený sorbent, který se následně ochlazuje, nejprve ve druhém výměníku 13 vypuzovače. Tím se celý cyklus uzavírá.

Průmyslová využitelnost

Vynálezu je možné využít k přímé výrobě elektrické energie pro všeobecné použití.