RU2806661C2

RU2806661C2 - Device for receiving, storing and using low-potential thermal energy

Info

Publication number: RU2806661C2
Application number: RU2022106471A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Угланов; Александра Борисовна Шиманова; Александр Иванович Довгялло; Артем Андреевич Шиманов; Дмитрий Викторович Сармин
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2023-11-02

Abstract

FIELD: gas liquefaction.

SUBSTANCE: it is proposed to use an air liquefaction system, which operates according to the improved Linde cycle with gas circulation under pressure. To increase the efficiency of electric power generation, it is proposed to use a regasification and power generation system with an additional circuit that can operate according to the Rankine or Brayton cycle.

EFFECT: improved stability of energy production using alternative and renewable energy sources, accumulation of the energy generated by them by liquefying air from the environment, while reducing the negative impact of the accumulation system on the environment and increasing the environmental friendliness of this device.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к способам и устройствам для сжижения газов, а также к системам аккумулирования энергии.The invention relates to methods and devices for liquefying gases, as well as energy storage systems.

Известна криогенная система накопления энергии, содержащая: устройство для сжижения газа с образованием криогена, которое управляемо для получения энергии от внешнего источника энергии сжижения газа; резервуар для хранения криогенных веществ, сообщающийся с устройством сжижения; устройство рекуперации энергии, сообщающееся с криогенным резервуаром хранения энергии, используемое для получения энергии из криогенного резервуара, нагрева и хранения криогена с расширением его; горячий тепловой аккумулятор для хранения тепловой энергии, в котором он и устройство рекуперации энергии связаны с возможностью передачи тепловой энергии от горячего теплового аккумулятора к газу высокого давления, как до так и во время расширения; восстановительный аппарат, устройство зарядки управляемое для получения энергии от устройства восстановления энергии, в случае когда устройство восстановления мощности используется для восстановления мощности, превышающей пороговое значение, и обеспечивает снабжение криогенной системы накопления энергии тепловой энергией (Патент WO 2016/189335 А1, опубл. 01.12.2016). Недостатком известной криогенной системы накопления энергии является применение в ней внешнего источника энергии для сжижения газа.A cryogenic energy storage system is known, comprising: a device for liquefying gas to form cryogen, which is controlled to receive energy from an external source of gas liquefaction energy; a tank for storing cryogenic substances in communication with the liquefaction device; an energy recovery device in communication with the cryogenic energy storage reservoir, used to obtain energy from the cryogenic reservoir, heat and store the cryogen and expand it; a hot thermal accumulator for storing thermal energy, in which it and the energy recovery device are associated with the ability to transfer thermal energy from the hot thermal accumulator to the high pressure gas, both before and during expansion; recovery device, a charging device controlled to receive energy from the energy recovery device, in the case where the power recovery device is used to restore power exceeding a threshold value, and provides thermal energy to the cryogenic energy storage system (Patent WO 2016/189335 A1, publ. 01.12. 2016). A disadvantage of the known cryogenic energy storage system is the use of an external energy source for gas liquefaction.

Известна автономные солнечная фотоэлектрическая установка, содержащая солнечные фотоэлектрические генераторы, системы аккумулирования энергии с контролером заряда, после которых полученная электроэнергия может быть подана напрямую или же преобразована в переменный ток с помощью инвертора, в зависимости от типа нагрузки (Елистратов В.В. Возобновляемая энергетика / В.В. Елистратов. - 3-е изд., доп.- СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2016. - с. 176-177). Данная автономные солнечная фотоэлектрическая установка принята в качестве прототипа предполагаемого изобретения.An autonomous solar photovoltaic installation is known, containing solar photovoltaic generators, energy storage systems with a charge controller, after which the resulting electricity can be supplied directly or converted into alternating current using an inverter, depending on the type of load (Elistratov V.V. Renewable energy / V.V. Elistratov - 3rd ed., additional - St. Petersburg: Polytechnic University Publishing House, 2016. - pp. 176-177). This autonomous solar photovoltaic installation is accepted as a prototype of the proposed invention.

Недостатками прототипа является применение в нем свинцово-кислотных или литий-ионных аккумуляторов с их сложной утилизацией после выработки ресурса и отрицательным влиянием на окружающую среду, а также переменный уровень выработки электрической энергии в фотоэлектрической установке в течение суток, зависящий от стохастического характера солнечного излучения.The disadvantages of the prototype are the use of lead-acid or lithium-ion batteries with their difficult disposal after exhaustion of the resource and negative impact on the environment, as well as the variable level of electrical energy production in a photovoltaic installation during the day, depending on the stochastic nature of solar radiation.

Задачей предполагаемого изобретения является создание автономного устройства для получения, хранения и распределения низкопотенциальной тепловой энергии, которое повышает стабильность выработки энергии при использовании альтернативных и возобновляемых источников энергии и имеет повышенную экологичность. С этой целью предлагается использовать систему сжижения воздуха, работа которой производится по усовершенствованному циклу Линде с циркуляцией газа под давлением. Кроме того, для повышения эффективности выработки электрической энергии в предполагаемом изобретении используется система регазификации и выработки электроэнергии с дополнительным контуром, который может работать по циклам Ренкина или Брайтона. Поставленная задача достигается за счет того, что устройство для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии, содержащее солнечные фотоэлектрический генератор, инвертор, согласно изобретению устройство для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии дополнительно снабжено системой сжижения воздуха, состоящей из компрессора низкого давления, компрессора высокого давления, теплообменника-холодильника системы сжижения воздуха, первого дроссельного вентиля, первого промежуточного резервуара, второго дроссельного вентиля, второго промежуточного резервуара; системой хранения сжиженного воздуха, состоящей из насоса системы хранения и резервуара для хранения сжиженного воздуха; системой регазификации и выработки электроэнергии, состоящей из насоса системы регазификации и выработки электроэнергии, теплообменника-испарителя сжиженного воздуха, турбины системы регазификации и выработки электроэнергии, электрогенератора системы регазификации и выработки электроэнергии, насос хладагента, теплообменник-испаритель хладагента, турбину дополнительного контура, электрогенератор дополнительного контура; в корпусе теплообменника-холодильника системы сжижения воздуха размещены три теплообменные поверхности, вход его первой теплообменной поверхности связан с первым промежуточным резервуаром, а ее выход связан с входом компрессора высокого давления, вход его второй теплообменной поверхности связан с выходом компрессора высокого давления, а ее выход с первым дроссельным вентилем, вход его третьей теплообменной поверхности связан с вторым промежуточным резервуаром, а ее выход связан с входом компрессора низкого давления; в корпусе теплообменника-испарителя сжиженного воздуха размещены две теплообменные поверхности, вход его первой теплообменной поверхности связан с насосом высокого давления, а ее выход связан с турбиной системы регазификации и выработки электроэнергии, вход второй теплообменной поверхности теплообменника-испарителя сжиженного воздуха связан с выходом турбины дополнительного контура, а ее выход связан с насосом хладагента, теплообменник-испаритель хладагента имеет одну теплообменную поверхность, вход этой поверхности связан по хладагенту с насосом хладагента, а ее выход связан с входом турбины дополнительного контура.The objective of the proposed invention is to create an autonomous device for receiving, storing and distributing low-grade thermal energy, which increases the stability of energy production when using alternative and renewable energy sources and has increased environmental friendliness. For this purpose, it is proposed to use an air liquefaction system, which operates according to an improved Linde cycle with gas circulation under pressure. In addition, to improve the efficiency of electrical power generation, the proposed invention uses a regasification and power generation system with an additional loop that can operate on a Rankine or Brayton cycle. This task is achieved due to the fact that the device for obtaining, storing and using low-grade thermal energy, containing a solar photovoltaic generator, inverter, according to the invention, the device for obtaining, storing and using low-grade thermal energy is additionally equipped with an air liquefaction system consisting of a low-pressure compressor, a high-pressure compressor, a heat exchanger-refrigerator of an air liquefaction system, a first throttle valve, a first intermediate tank, a second throttle valve, a second intermediate tank; a liquefied air storage system consisting of a storage system pump and a liquefied air storage tank; regasification and power generation system, consisting of a regasification and power generation system pump, a liquefied air evaporator heat exchanger, a regasification and power generation system turbine, a regasification and power generation system electric generator, a refrigerant pump, a refrigerant evaporator heat exchanger, an additional circuit turbine, an additional circuit electric generator ; in the body of the heat exchanger-refrigerator of the air liquefaction system, three heat exchange surfaces are located, the input of its first heat exchange surface is connected to the first intermediate tank, and its output is connected to the input of the high pressure compressor, the input of its second heat exchange surface is connected to the output of the high pressure compressor, and its output is connected to the first throttle valve, the input of its third heat exchange surface is connected to the second intermediate reservoir, and its output is connected to the input of the low pressure compressor; in the body of the liquefied air evaporator heat exchanger there are two heat exchange surfaces, the input of its first heat exchange surface is connected to the high pressure pump, and its output is connected to the turbine of the regasification and electricity generation system, the input of the second heat exchange surface of the liquefied air evaporator heat exchanger is connected to the output of the additional circuit turbine , and its output is connected to the refrigerant pump, the refrigerant evaporator heat exchanger has one heat exchange surface, the input of this surface is connected through the refrigerant to the refrigerant pump, and its output is connected to the input of the additional circuit turbine.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.

На Фиг. 1. изображена схема устройства для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии с основными структурными элементами. На Фиг. 2 представлена T-S диаграмма процессов сжижения воздуха в системе сжижения воздуха предлагаемого устройства.In FIG. 1. shows a diagram of a device for obtaining, storing and using low-grade thermal energy with the main structural elements. In FIG. Figure 2 shows a T-S diagram of air liquefaction processes in the air liquefaction system of the proposed device.

Устройство для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии включает в себя:A device for receiving, storing and using low-grade thermal energy includes:

1 - фотоэлектрический генератор, 2 - инвертор, 3 - компрессор низкого давления, 4 - компрессор высокого давления, 5 - теплообменник-холодильник системы сжижения воздуха, 6 - первый дроссельный вентиль, 7 - первый промежуточный резервуар, 8 - второй дроссельный вентиль, 9 - второй промежуточный резервуар; 10 - насос системы хранения, 11 - резервуар для хранения сжиженного воздуха, 12 - насос системы регазификации и выработки электроэнергии, 13 - теплообменник-испаритель сжиженного воздуха, 14 - турбина системы регазификации и выработки электроэнергии, 15 -электрогенератор системы регазификации и выработки электроэнергии, 16 - насос хладагента, 17 - теплообменник-испаритель хладагента, 18 - турбина дополнительного контура, 19 - электрогенератор дополнительного контура.1 - photovoltaic generator, 2 - inverter, 3 - low pressure compressor, 4 - high pressure compressor, 5 - heat exchanger-refrigerator of the air liquefaction system, 6 - first throttle valve, 7 - first intermediate tank, 8 - second throttle valve, 9 - a second intermediate tank; 10 - storage system pump, 11 - liquefied air storage tank, 12 - regasification and power generation system pump, 13 - liquefied air evaporator heat exchanger, 14 - regasification and power generation system turbine, 15 - regasification and power generation system electric generator, 16 - refrigerant pump, 17 - refrigerant evaporator heat exchanger, 18 - additional circuit turbine, 19 - additional circuit electric generator.

Фотоэлектрический генератор 1 связаны через инвертор 2 с компрессором низкого давления 3 и компрессором высокого давления 4. Компрессор низкого давления 3 связан с компрессором высокого давления 4, который связан с входом второй теплообменной поверхности теплообменника-холодильника системы сжижения воздуха 5, а ее выход связан с первым дроссельным вентилем 6 и первым промежуточным резервуаром 7, который связан с вторым дроссельным вентилем 8 и с вторым промежуточным резервуаром 9.The photovoltaic generator 1 is connected through an inverter 2 with a low-pressure compressor 3 and a high-pressure compressor 4. The low-pressure compressor 3 is connected to a high-pressure compressor 4, which is connected to the input of the second heat exchange surface of the heat exchanger-refrigerator of the air liquefaction system 5, and its output is connected to the first throttle valve 6 and the first intermediate tank 7, which is connected to the second throttle valve 8 and the second intermediate tank 9.

Первый промежуточный резервуар 7 также связан с входом первой теплообменной поверхности теплообменника-холодильника системы сжижения воздуха 5, а ее выход связан со входом компрессора высокого давления 4.The first intermediate reservoir 7 is also connected to the input of the first heat exchange surface of the heat exchanger-refrigerator of the air liquefaction system 5, and its output is connected to the input of the high-pressure compressor 4.

Второй промежуточный резервуар 9 связан с входом третьей теплообменной поверхности теплообменника-холодильника системы сжижения воздуха 5, а ее выход связан с входом компрессора низкого давления 3. Второй промежуточный резервуар 9 также связан последовательно с насосом системы хранения 10, резервуаром для хранения сжиженного воздуха 11, насосом системы регазификации и выработки электроэнергии 12, который связан с входом первой теплообменной поверхности теплообменника-испарителя сжиженного воздуха 13, а ее выход связан с турбиной системы регазификации и выработки электроэнергии 14, которая связана общим валом с электрогенератором системы регазификации и выработки электроэнергии 15.The second intermediate tank 9 is connected to the input of the third heat exchange surface of the heat exchanger-refrigerator of the air liquefaction system 5, and its output is connected to the input of the low pressure compressor 3. The second intermediate tank 9 is also connected in series with the storage system pump 10, the liquefied air storage tank 11, the pump regasification and power generation system 12, which is connected to the input of the first heat exchange surface of the liquefied air evaporator heat exchanger 13, and its output is connected to the turbine of the regasification and power generation system 14, which is connected by a common shaft to the electric generator of the regasification and power generation system 15.

Насос хладагента 16 связан с выходом теплообменной поверхности с теплообменником-испарителем хладагента 17, а ее выход связан с турбиной дополнительного контура 18, которая связан общим валом с электрогенератором дополнительного контура 19. Турбина дополнительного контура 18 также связана с входом теплообменной поверхности теплообменника-испарителя хладагента 13.The refrigerant pump 16 is connected to the output of the heat exchange surface with the refrigerant evaporator heat exchanger 17, and its output is connected to the additional circuit turbine 18, which is connected by a common shaft to the additional circuit electric generator 19. The additional circuit turbine 18 is also connected to the input of the heat exchange surface of the refrigerant evaporator heat exchanger 13 .

Работа устройства для получения, хранения и использования низкопотенциальной тепловой энергии осуществляется следующим образом.The operation of the device for obtaining, storing and using low-grade thermal energy is carried out as follows.

Первоначально солнечная энергия падает на фотоэлектрический генератор 1, где происходит процесс преобразования энергии солнечного света в электрическую. Затем через инвертор 2, с помощью которого постоянный ток преобразуется в переменный, полученная электроэнергия аккумулируется с помощью системы сжижения воздуха. Работа системы сжижения воздуха может осуществляться по циклу Линде с циркуляцией воздуха под давлением. При этом компрессор низкого давления 3 засасывает n кг воздуха и сжижает его до среднего давления (изотерма 1-2). После этого к сжатому до среднего давления воздуху присоединяется часть его, отработанная в предыдущем цикле (1-n) кг. Суммарное количество воздуха (n+1-n) сжимается в компрессоре высокого давления 4 до высокого давления (изотерма 2-3) и затем охлаждается в противоточном теплообменнике-холодильнике системы сжижения воздуха 5 за счет обратного тока воздуха (изобара 3-4). Охлажденный воздух дросселируется с помощью первого дроссельного вентиля 6 с высокого давления на среднее (изоэнтальпа 4-5), причем часть его (1-n) направляется в противоточный теплообменник-холодильник системы сжижения воздуха 5, где и охлаждает новую порцию воздуха (изобара 5-2), и затем засасывает вновь в компрессор высокого давления 4. Сжиженная часть n, проходя через второй дроссельный вентиль 8, дросселируется второй раз (изоэнтальпа 5-6), причем некоторая часть ее m (6-8) отводится как готовый продукт, другая же часть направляется в противоточный теплообменник-холодильник системы сжижения воздуха 5, охлаждает новую порцию воздуха (изобара 7-1) и затем засасывается в компрессор низкого давления 3.Initially, solar energy falls on the photovoltaic generator 1, where the process of converting the energy of sunlight into electrical energy occurs. Then, through inverter 2, with the help of which direct current is converted into alternating current, the resulting electricity is accumulated using an air liquefaction system. The air liquefaction system can operate using the Linde cycle with air circulation under pressure. In this case, low-pressure compressor 3 sucks in n kg of air and liquefies it to medium pressure (isotherm 1-2). After this, part of it, used in the previous cycle (1-n) kg, is added to the air compressed to medium pressure. The total amount of air (n+1-n) is compressed in the high-pressure compressor 4 to high pressure (isotherm 2-3) and then cooled in the counterflow heat exchanger-refrigerator of the air liquefaction system 5 due to the reverse flow of air (isotherm 3-4). The cooled air is throttled using the first throttle valve 6 from high pressure to medium pressure (isenthalp 4-5), and part of it (1-n) is sent to the counterflow heat exchanger-refrigerator of the air liquefaction system 5, where it cools a new portion of air (isobar 5- 2), and then sucks again into the high-pressure compressor 4. The liquefied part n, passing through the second throttle valve 8, is throttled a second time (isenthalpe 5-6), and some part of it m (6-8) is discharged as a finished product, the other the same part is sent to the counterflow heat exchanger-refrigerator of the air liquefaction system 5, cools a new portion of air (isobar 7-1) and is then sucked into the low pressure compressor 3.

Сжиженная часть воздуха т с помощью насоса системы хранения 10 отводится как готовый продукт в систему хранения сжиженного воздуха и хранится в резервуаре для хранения сжиженного воздуха 11. При этом аккумулирование энергии происходит в дневное время, то есть осуществляется через преобразование электроэнергии, полученной с помощью фотоэлектрического генератора 1, в энергию сжиженного воздуха. После накопления энергии и полной зарядки системы хранения сжиженного воздуха, она может быть использована, в необходимые моменты времени.The liquefied part of the air t, using the storage system pump 10, is removed as a finished product to the liquefied air storage system and stored in the liquefied air storage tank 11. In this case, energy accumulation occurs during the day, that is, through the conversion of electricity obtained using a photovoltaic generator 1, into liquefied air energy. After energy has been accumulated and the liquefied air storage system is fully charged, it can be used at the required time.

Для этого из системы хранения сжиженного воздуха сжиженный воздух подается в систему регазификации и выработки электроэнергии с помощью насоса системы регазификации и выработки электроэнергии 12, в котором происходит повышение давления, а затем сжиженный воздух с высоким давлением подается в первую теплообменную поверхность теплообменника-испарителя сжиженного воздуха 13, где происходит его регазифицикация, далее воздух подается на турбину системы регазификации и выработки электроэнергии 14, которая вращает вал, соединенный с электрогенератором системы регазификации и выработки электроэнергии 15, где происходит преобразование механической энергии в электроэнергию, которая в последующем используется потребителем.To do this, from the liquefied air storage system, liquefied air is supplied to the regasification and power generation system using the regasification and power generation system pump 12, in which the pressure is increased, and then the high-pressure liquefied air is supplied to the first heat exchange surface of the liquefied air evaporator heat exchanger 13 , where its regasification occurs, then the air is supplied to the turbine of the regasification and electricity generation system 14, which rotates a shaft connected to the electric generator of the regasification and electricity generation system 15, where mechanical energy is converted into electricity, which is subsequently used by the consumer.

Дополнительным источником, примененном в изобретении, который позволяет использовать энергию холода сжиженного воздуха является дополнительный контур системы регазификации и выработки электроэнергии, который может работать по циклу Ренкина или Брайтона, где низкопотенциальная энергия сжиженного воздуха используется в качестве теплоты отводимой в цикле тепловой машины. В качестве хладагента могут применяться такие вещества как метан, этан, криптон, аргон, неон и другие. Из второй теплообменной поверхности теплообменник-испаритель сжиженного воздуха 13 хладагент поступает в насос хладагента 16, где он сжимается, нагреваясь при этом, и поступает в теплообменник-испаритель хладагента 17, в котором полностью газифицируется за счет подвода теплоты от атмосферного воздуха. Газообразный хладагент поступает в турбину дополнительного контура 18, где происходит его расширение с выработкой механической энергии, которая преобразуется в электрическую энергию с помощью электрогенератор дополнительного контура 19, которая также может использоваться потребителем.An additional source used in the invention, which allows the use of cold energy of liquefied air, is an additional circuit of the regasification and electricity generation system, which can operate according to the Rankine or Brayton cycle, where the low-grade energy of liquefied air is used as heat removed in the heat engine cycle. Substances such as methane, ethane, krypton, argon, neon and others can be used as a refrigerant. From the second heat exchange surface, the liquefied air evaporator heat exchanger 13, the refrigerant enters the refrigerant pump 16, where it is compressed, heating up, and enters the refrigerant evaporator heat exchanger 17, in which it is completely gasified due to the supply of heat from atmospheric air. The gaseous refrigerant enters the turbine of the additional circuit 18, where it expands to produce mechanical energy, which is converted into electrical energy using the electric generator of the additional circuit 19, which can also be used by the consumer.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет повысить стабильность выработки энергии при использовании альтернативных и возобновляемых источников энергии, аккумулировать энергию, вырабатываемую ими, путем сжижения воздуха из окружающей среды без применения внешних источников энергии, при этом уменьшается негативное влияние системы аккумулирования на окружающую среду и повышается экологичность этого устройства.Thus, the use of the proposed device makes it possible to increase the stability of energy production when using alternative and renewable energy sources, to accumulate the energy generated by them by liquefying air from the environment without the use of external energy sources, while reducing the negative impact of the storage system on the environment and increasing environmental friendliness this device.

Claims

A device for obtaining, storing and using low-grade thermal energy, containing a solar photovoltaic generator, an inverter, characterized in that the device for obtaining, storing and using low-grade thermal energy is equipped with an air liquefaction system consisting of a low-pressure compressor, a high-pressure compressor, and a heat exchanger-refrigerator an air liquefaction system, a first throttle valve, a first intermediate tank, a second throttle valve, a second intermediate tank; a liquefied air storage system consisting of a storage system pump and a liquefied air storage tank; regasification and power generation system, consisting of a regasification and power generation system pump, a liquefied air evaporator heat exchanger, a regasification and power generation system turbine, a regasification and power generation system electric generator, a refrigerant pump, a refrigerant evaporator heat exchanger, an additional circuit turbine, an additional circuit electric generator ; in the body of the heat exchanger-refrigerator of the air liquefaction system, three heat exchange surfaces are located, the input of its first heat exchange surface is connected to the first intermediate tank, and its output is connected to the input of the high pressure compressor, the input of its second heat exchange surface is connected to the output of the high pressure compressor, and its output is connected to the first throttle valve, the input of its third heat exchange surface is connected to the second intermediate reservoir, and its output is connected to the input of the low pressure compressor; in the body of the liquefied air evaporator heat exchanger there are two heat exchange surfaces, the input of its first heat exchange surface is connected to the high pressure pump, and its output is connected to the turbine of the regasification and electricity generation system, the input of the second heat exchange surface of the liquefied air evaporator heat exchanger is connected to the output of the additional circuit turbine , and its output is connected to the refrigerant pump, the refrigerant evaporator heat exchanger has one heat exchange surface, the input of this surface is connected through the refrigerant to the refrigerant pump, and its output is connected to the input of the additional circuit turbine.