RU209922U1

RU209922U1 - Мобильная автономная энергоустановка

Info

Publication number: RU209922U1
Application number: RU2021134754U
Authority: RU
Inventors: Михаил Юрьевич Толстой; Александр Александрович Туник; Дэвард Иосифович Стом; Екатерина Михайловна Попова
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2022-03-23

Abstract

Полезная модель относится к возобновляемой энергетике, в частности к автономным энергоустановкам для электроснабжения двухтрехфазным переменным током при использовании энергии солнца, жизнедеятельности микробов и двигателя внутреннего сгорания, а также для автономного теплоснабжения объектов при использовании энергии солнца, и, кроме того, для автономной очистки сточных вод, и предназначена для тепло- и электроснабжения, а также утилизации сточных вод домов, коттеджей, предприятий, зданий сельскохозяйственного, туристического и другого назначения. В конструкции установки имеются прикрепленные к контейнеру посредством свинчивания микробно-топливные элементы с выработкой не более 10 мкВт на 1 см2мембраны в час, солнечные водонагреватели производительностью до 1,3 кВт в час каждая, закрепленные на внешней стороне контейнера, а также установка для очистки и утилизации сточных вод, способная очистить до 4 м3сточной воды в сутки. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к возобновляемой энергетике, в частности к автономным системам электроснабжения двухтрехфазным переменным током при использовании энергии солнца, жизнедеятельности микробов и двигателя внутреннего сгорания, автономному теплоснабжению объектов при использовании энергии солнца, а также к автономной очистке сточных вод, и предназначена для тепло- и электроснабжения, а также утилизации сточных вод домов, коттеджей, предприятий, зданий сельскохозяйственного, туристического и другого назначения, и относится к перспективным направлениям новых технологических решений и приоритетным направлением развития науки и техники РФ.

Известно приоритетное направление развития науки и технологий «Технологии новых и возобновляемых источников энергии» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - с. 43]

Известна автономная энергоустановка (патент RU 77948 U1, МПК F24J 2/42, H01L 31/00, F03D 9/00, опубликован 10.11.2008), имеющая аналогичные составные части, но в аналоге имеется ветроустановка и водородный топливный элемент.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются: наличие в составе фотоэлектрической батареи, аккумуляторной батареи, а также системы автоматического управления обеспечивающей различные алгоритмы работы установки и подключения потребителя в зависимости от нагрузки

Недостатком аналога является полная ориентированность на функцию получения электрической энергии и отсутствие дополнительного функционала. Наличие водородного топливного элемента предполагает необходимость пополнения топлива, в качестве которого выступает относительно чистый водород, для получения которого требуется дополнительное оборудование и затраты энергии, либо дополнительные затраты на приобретение чистого водорода. Также полная ориентированность аналога на возобновляемые источники энергии снижает ее надежность, ввиду зависимости от метеоусловий и сложности получения чистого водорода.

Наиболее близкой к заявляемому устройству по совокупности признаков является конструкция солнечного коллектора (Патент RU 122712 U1, МПК F03D 9/00, опубликован 10.12.2012). Общими признаками известного аналога с заявляемой полезной моделью является мобильность и автономность энергоустановки, использование контейнера в качестве корпуса, наличие фотоэлектрической батареи, аккумуляторной батареи, инвертора, общей системы управления, а также присутствие в составе двигателя внутреннего сгорания. Также у аналога имеется функция получения тепловой энергии при помощи электронагревателя, встроенного в бак.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются: контейнер и прикрепленные к нему посредством свинчивания фотоэлектрические батареи, двигатель внутреннего сгорания, блок аккумуляторов, инвертор, электрические кабели.

Недостатками аналога являются: наличие бака-водонагревателя, который требует для работы затрат электроэнергии. Таким образом, значительная часть электроэнергии, полученной энергоустановкой, будет расходоваться на работу водонагревателя.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функционала энергоустановки, снижение энергозатрат на собственные нужды, повышение эффективности и надежности энергоустановки, удобство эксплуатации.

Технический результат полезной модели заключается в уменьшении затрат электроэнергии на собственные нужды и увеличение выработки электроэнергии для внешних потребителей за счет применения дополнительных источников энергии, генерации тепловой энергии напрямую без промежуточной энергогенерации, а также расширение функционала установки до очищения и утилизации сточных вод.

Технический результат полезной модели достигается тем, что она содержит контейнер, и установленные в нем: основной блок электрических аккумуляторов, прикрепленный к нему посредством свинчивания, связанный линиями передачи электрической энергии с солнечными панелями, размещаемыми на внешней стороне контейнера и прикрепленные к нему посредством свинчивания, а также с микробно-топливными элементами с выработкой не более 10 мкВт на 1 см² мембраны в час, и снабжающие электроэнергией блок аккумуляторов, который в свою очередь обеспечивает работу размещаемых внутри контейнера, насосы, компрессора водоочистной установки, системы электроснабжения потребителя через вывод электрической энергии потребителю 220 В/50 Гц, автоматическую систему управления, связанную линиями передачи электрической энергии и сигнала с органами управления установкой, а также температурными датчиками и устройствами безопасности; также установка содержит солнечные водонагреватели, расположенные на внешней стороне контейнера, прикрепленные к нему посредством свинчивания и связанные трубопроводными линиями с емкостным водонагревателем и циркуляционными насосами, также прикрепленными к контейнеру посредством свинчивания, и способные произвести до 1,3 кВт тепловой энергии в час каждая; двигатель внутреннего сгорания, связанный с контейнером посредством свинчивания, а также станция для очистки и утилизации сточных вод с установленным в нее пневмогидравлическим аэратором, согласно полезной модели, способной очистить до 4 м³ сточной воды в сутки, также прикрепленная к контейнеру посредством свинчивания.

Отличием заявляемой полезной модели от прототипа является:

наличие микробно-топливных элементов с выработкой не более 10 мкВт на 1 см² мембраны в час обеспечивает дополнительный и экологически чистый источник электроэнергии как для электроснабжения внешнего потребителя, так и собственных устройств установки;

наличие солнечных водонагревателей производительностью до 1,3 кВт в час каждая расширяет функционал установки и обеспечивает прямую и экологически чистую выработку тепловой без необходимости преобразования электрической энергии, что в свою очередь упрощает конструкцию всей установки и снижает затраты электроэнергии на собственные нужды;

наличие установки для очистки и утилизации сточных вод, способной очистить до 4 м³ сточной воды в сутки расширяет функционал установки и одновременно служит источником осадка, необходимого для функционирования микробно-топливных элементов, а установленный в нее пневмогидравлический аэратор при помощи компрессоров позволяет производить максимально эффективную аэрацию рабочей среды, избежав при этом дополнительных затрат электроэнергии на вращение аэратора.

Отличия от прототипа доказывают «новизну» заявляемой полезной модели.

Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично представлена мобильная автономная энергоустановка.

Элементы заявляемой мобильной автономной энергоустановки обозначены следующими цифровыми позициями:

1 - Солнечная панель;

2 - Инвертор;

3 - Аккумуляторная батарея;

4 - Микробно-топливный элемент;

5 - Двигатель внутреннего сгорания;

6 - Солнечный коллектор;

7 - Емкостный водонагреватель;

8 - Электрический нагреватель емкостного водонагревателя;

9 - Насос гелиоконтура;

10 - Насос контур теплоснабжения;

11 - Регулирующая арматура;

12 - Установка по очистке и утилизации сточной воды;

13 - Блок автоматического управления;

14 - Линии передачи электрической энергии;

15 - Трубопроводные линии;

16 - Змеевик емкостного водонагревателя;

17 - Вывод горячей воды;

18 - Ввод холодной воды;

19 - Ввод сточных вод;

20 - Вывод очищенной воды;

21 - Вывод электрической энергии потребителю;

22 - Контейнер.

Мобильная автономная энергоустановка представляет собой контейнер 22 с установленными на его внешней стороне и прикрепленными к нему посредством свинчивания солнечными панелями 1. Внутри контейнера панели 1 связаны линиями передачи электрической энергии 14 через инвертор 2 с аккумуляторными батареями 3, прикрепленные к контейнеру 22 посредством свинчивания. Внутри контейнера 22 также расположены ячейки с микробно-топливными элементами 4 и двигатель внутреннего сгорания 5, связанные линиями передачи электрической энергии 14 с аккумуляторными батареями 3 и прикрепленные к контейнеру посредством свинчивания. От аккумуляторных батарей 3 электроэнергия поступает потребителю по выводной линии 21, а также для электроснабжения насоса гелиоконтура 9, насоса контура теплоснабжения 10, электрический нагреватель емкостного водонагревателя 8, установки по очистке и утилизации сточной воды 12 и блока автоматического управления 13. Кроме того, на внешней стороне контейнера 22 жестко закреплены солнечные коллекторы 6, которые связаны посредством трубопроводных линий 15 и насоса гелиоконтура 9 со змеевиком 16, расположенным внутри емкостного водонагревателя 7. В свою очередь от емкостного водонагревателя 7, закрепленного внутри контейнера 22, нагретая вода поступает в систему теплоснабжения потребителя через выводную линию 17, состоящую из трубопроводных линий 15, насоса контура теплоснабжения 10 и регулирующей арматуры 11. Холодная вода поступает в емкостный водонагреватель 7 через вводную линию 18, также связанную с регулирующей арматурой 11. Внутри контейнера 22 расположена и жестко закреплена установка по очистке и утилизации сточной воды 12, которая поступает туда по вводной линии 19, в свою очередь очищенная вода выводится посредством линии 20. Установленный в контейнер блок автоматического управления 13 связан со всеми имеющимися элементами, установленными внутри данного контейнера 22 и на его внешней стороне, описанными ранее.

Установка работает следующим образом.

При воздействии солнечной радиации на солнечные панели 1, состоящие из фотоэлектрических элементов, в последних вырабатывается электрическая энергия, которая, собираясь со всех элементов поверхности 1, поступает по электропроводам в основной блок электрических аккумуляторных батарей 3, проходя через инвертор 2, преобразующий постоянный ток в переменный.

Получение электричества в микробно-топливных элементах 4 основано на способности микроорганизмов трансформировать соединения и передавать высвобождающиеся в результате этого электроны на электрод, являющийся частью данного элемента. Источником питательной среды для микроорганизмов является установка по очистке и утилизации сточной воды 12. Полученная электрическая энергия также поступает в блок электрических аккумуляторных батарей 3, обеспечивая дополнительное и экологически чистое производство электроэнергии как для элементов установки, так и для внешнего потребителя.

В период времени, когда активность солнечного излучения неудовлетворительна и мощность вырабатываемой солнечными панелями 1 электроэнергии в совокупности с производительностью микробно-топливных элементов 4 становится меньше 45 % от номинальной электрической мощности мобильной автономной энергоустановки, в работу включается двигатель внутреннего сгорания 5, управляемый автоматической системой управления 11, вырабатывая необходимое количество электроэнергии и повышая уровень мощности вырабатываемой установкой электрической энергии до требуемого. Вырабатываемая двигателем внутреннего сгорания 5 электроэнергия, как и в случае с солнечными панелями 1 и микробно-топливными элементами 4, поступает по электропроводам в основной блок электрических аккумуляторов 3, обеспечивая бесперебойность и надежность, как системы электроснабжения самой мобильной автономной энергоустановки, так и энергоснабжения внешнего потребителя.

Аккумуляторные батареи 3 поочередно накапливают электроэнергию, а затем поочередно по электропроводам раздают ее потребителю, а также обеспечивают электроснабжение насоса гелиоконтура 9, насоса контура теплоснабжения 10, электрический нагреватель емкостного водонагревателя 8, установки по очистке и утилизации сточной воды 12 и блока автоматического управления 13. При этом электроэнергия раздается из одного аккумулятора 3, в то время как остальные заряжаются.

При воздействии солнечной радиации на солнечные коллекторы 6, она проходит через прозрачное остекление и попадает на лучепоглощающую поверхность, которая нагревается под воздействием солнечной радиации и передает тепловую энергию теплоносителю посредством узла трубопроводов, а теплоизоляция коллекторов 6 значительно снижает тепловые потери. Нагретый теплоноситель при помощи насоса гелиоконтура 9 попадает в змеевик 16 емкостного водонагревателя 7, где происходит теплообмен с находящей в водонагревателе 7 водой. Наличие в емкостном водонагревателе 7 дополнительного электронагревателя 8 позволяет использовать дополнительный источник энергии для нагрева воды в случае, когда активность солнечного излучения неудовлетворительна, что в свою очередь повышает надежность и эффективность мобильной автономной энергоустановки. Горячая вода посредством насоса 10 и трубопроводов подается потребителю. Регулирующая арматура 11 позволяет контролировать температуру воды, а также организовать ее рециркуляцию. Наличие в установке солнечных коллекторов 6 расширяет функционал установки и обеспечивает прямую и экологически чистую выработку тепловой без необходимости затраты электрической энергии на собственные нужды, что в свою очередь упрощает конструкцию всей мобильной автономной энергоустановки и увеличивает ее эффективность.

Установка по очистке и утилизации сточной воды 12 работает за счет использования микроорганизмов, перерабатывающих органические загрязнители воды. Для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов используется вращающийся пневмогидравлический аэратор, являющийся часть установки 12, который равномерно распределяет кислород в среде их обитания, при этом за счет своей конструкции данный аэратор вращается только под действием выпускаемой им пневматической струи большого давления, не затрачивая при этом электроэнергию. Струю воздуха большого давления при этом создают компрессоры, также являющиеся частью установки 12, в свою очередь получающие электроэнергию от аккумуляторных батарей 3 через электропровода. Очистная установка 12 расширяет функционал мобильной автономной энергоустановки и одновременно служит источником осадка, необходимого для функционирования микробно-топливных элементов 4.

Блок автоматического управления 13, прикрепленный к контейнеру посредством свинчивания, осуществляет полный контроль и взаимодействие всех элементов мобильной автономной энергоустановки. Данный блок осуществляет контроль за уровнем заряда аккумуляторов 3, оценивает производительность солнечных панелей 1 и микробно-топливных элементов 4, запускает двигатель внутреннего сгорания 5 при падении производительности основных электрогенераторов ниже 45%, осуществляет контроль температуры теплоносителя как в гелиоконтуре, так и в контуре теплоснабжения посредством термодатчиков и кабелей, включая при необходимости электрический нагреватель 8 емкостного водонагревателя 7, производя аварийную остановку насосов гелиоконтура 9 и контура теплоснабжения 10, контролирует работу регулирующей арматуры 11 и установки по очистке и утилизации сточной воды 12, а также выдает сигналы о неисправности того или иного элемента установки. Блок автоматического управления 13 повышает эффективность мобильной автономной энергоустановки и значительно упрощает ее управление.

Таким образом, потребителю тепловая энергия подается через вывод 17, обратная вода возвращается через ввод 18, электрическая энергия подается через вывод 21, от основного блока электрических аккумуляторов 3 с напряжением 220 В и частотой 50 Гц, а очищенная вода подается через вывод 20.

Использование полезной модели позволит осуществлять бесперебойное энерго- и теплоснабжение объектов различного назначения, расположенных как рядом с центральными инженерными коммуникациями, так и значительной удаленности от них, а также дополнительно производить очистку и утилизацию сточных вод, в том числе объектов, расположенных в природоохранных зонах.

Claims

Мобильная автономная энергоустановка, содержащая контейнер и прикреплённые к нему посредством свинчивания: основной блок электрических аккумуляторов, связанный через инвертор линиями передачи электрической энергии с солнечными панелями, жёстко закреплёнными на внешней стороне контейнера, насосами, системой электроснабжения потребителя через вывод электрической энергии потребителю 220 В/50 Гц, автоматическую систему управления, связанную линиями передачи электрической энергии и линиями передачи сигнала с блоком электрических аккумуляторов, двигатель внутреннего сгорания, регулирующую арматуру, трубопроводы, ввод обратной воды, вывод подаваемой горячей воды, ёмкостный водонагреватель с закреплённым внутри контейнера резервным электроподогревателем, отличающаяся тем, что энергоустановка дополнительно содержит солнечные коллекторы, размещаемые на внешней стороне контейнера, микробно-топливные элементы, а также установки для очистки и утилизации сточных вод, которые прикреплены к контейнеру посредством свинчивания.