SI25229A

SI25229A - Metoda in naprava za povečanje izkoristka sistema nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja

Info

Publication number: SI25229A
Application number: SI201600155A
Authority: SI
Inventors: Darko GoriÄŤanec
Original assignee: Univerza V Mariboru
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-12-29

Abstract

Metoda in naprava za povečanje izkoristka sistema nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja obsega sklop gorivnih celic (FC) za soproizvodnjo toplote in električne energije in vsaj eno toplotno črpalko (HP), ki za uparjanje delovnega medija izkorišča vsaj en vir obnovljive energije (HS) iz okolice (A), pri čemer je ustvarjena toplota prednostno uporabljena za predgrevanje primarnega medija v povratnem vodu zaprtega sistema cevi v omrežju za distribucijo toplote na nižjem temperaturnem nivoju,kjer se za nadaljnje dogrevanje na zahtevan višji temperaturni nivo uporabi odpadna toplota kogeneracije (CHP) na gorivne celice (FC). Naprava po izumu lahko obsega eno ali več toplotnih črpalk (HP) različnih tipov v zaporedni, vzporedni ali kaskadni vezavi, med katerimi velja izpostaviti eno in dvostopenjske toplotne črpalke (HP) po sistemu zrak/voda in voda/voda. Podobno lahko naprava po izumu obsega enega ali več kogeneracijskih naprav (CHP) na gorivne celice (FC), ki preko proizvedene električneenergije poganja elektromotorni pogon kompresorja (C) toplotne črpalke (HP).

Description

• ·

METODA IN NAPRAVA ZA POVEČANJE IZKORISTKA SISTEMA NIZKOTEMPERATURNEGA ALI VISOKOTEMPERATURNEGA OGREVANJA

Področje tehnike

Predmet izuma se nanaša na metode in naprave za izrabo obnovljivih nizkotemperaturnih virov in kogeneracijo na gorivne celice, kjer vključena toplotna črpalka z izrabo vsaj enega obnovljivega energetskega vira zagotavlja stalni ali začasni vir toplote za predgrevanje medija povratka oziroma dovoda ogrevalnega distribucijskega cevnega sistema, s toploto proizvedeno s kogeneracijo na gorivne celice, pa se voda ogrevalnega distribucijskega cevnega sistema dogreva na zahtevan temperaturni nivo nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja.

Prikaz problema

Tehnični problem, ki ga obravnava predmet te patentne prijave predstavlja pomanjkanje metode in naprave za visoko učinkovito delovanje kogeneracijskih postrojev na gorivne celice, kjer vključena toplotna črpalka z izkoriščanjem vsaj enega obnovljivega vira energije predstavlja stalni ali začasni vir za predgrevanje nosilca toplote v sistemu nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja. Take naprave prednostno obsegajo kogeneracijsko napravo na gorivne celice, ki v procesu katalitične reakcije plinastega ali tekočega goriva, energijo energenta vsaj delno pretvori v toplotno in električno energijo, kjer se toplota prednostno porabi za dogrevanje medija v ogrevalnem sistemu na zahtevan temperaturni nivo, proizvedena električna energija pa delno ali vsa za pogon kompresorja omenjene toplotne črpalke, ki z izkoriščanjem vsaj enega obnovljivega vira energije predstavlja stalni ali začasni vir za predgrevanje nosilca toplote v sistemu nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja.

Stanje tehnike

Mednarodni register intelektualne lastnine obsega večje število relevantnih rešitev, pri čemer stanje tehnike najbolje opisuje rešitev po patentu US20100003552, ki predvideva uporabo toplotne črpalke za izkoriščanje odpadne toplote, kjer se ključna pomanjkljivost obravnavane rešitve kaže predvsem v tem, da se toplota, ustvarjena s toplotno črpalko vodi v dvižni vod ogrevalnega sistema, zaradi česar je izkoristek celotne pretvorbe energenta bistveno manjši od predlagane izvedbe.

Opis nove rešitve

Sistemi kogeneracije na gorivne celice za pretvorbo primarnega energenta v električno energijo in toploto ter toplotne črpalke, ki se uporabljajo za črpanje toplote z nižjega na višji temperaturni nivo so dobro znani postopki, zato delovanje teh procesov v okviru te patentne prijave ni širše razloženo.

Naprava po izumu je v prednostni izvedbi sklop kogeneracijskega sistema na gorivne celice, ki obsega vsaj eno toplotno črpalko za predgrevanje nosilca toplote v cevnem sistemu nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja in kogeneracijo na gorivne celice, za dogrevanje nosilca toplote na zahtevano vrednost. Enostopenjska ali dvostopenjska toplotna črpalka, po sistemu voda/voda ali zrak/voda, za svoje delovanje oziroma za uparjanje delovnega medija prednostno izkorišča toploto okolja oziroma vsaj en vir obnovljive energije, kot je na primer zrak okolice, toplota zemlje, geosonda, podtalnica, toplota tekočih ali stoječih vod, geotermalna voda itd., pri čemer se nastala toplota v okviru delovanja kogeneracijskega sistema na gorivne celice, prednostno porabi za dogrevanje s toplotno črpalko segrete vode v zaprtem ali odprtem ogrevalnem sistemu cevi na zahtevan temperaturni nivo nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja.

V nadaljevanju je bistvo izuma podrobneje opisano s pomočjo priloženih slik in z razlago prednostne izvedbe ter drugih izvedbenih primerov.

Slika 1 prikazuje shemo prednostne izvedbe naprave po izumu. Na sliki so prikazani in označeni: sklop kogeneracijskega sistema CHP na gorivne celice FC, za soproizvodnjo toplote in električne energije, prenosnika toplote HE1 in HE2, toplotna črpalka HP s pripadajočim kondenzatorjem HPC, uparjalnikom HPE, kompresorjem C in ekspanzijskim ventilom EV, loputa HI, črpalki PU1 in PU2, električni kabel EC, akumulator toplote HA, zunanja okolica A, vir obnovljive energije HS, ter sistem cevi oziroma omrežje za distribucijo toplote med viri in porabnikom toplote HC.

Slika 2 prikazuje shemo drugotne izvedbe naprave po izumu. Na sliki so prikazani in označeni: sklop kogeneracijskega sistema CHP na gorivne celice FC, za soproizvodnjo toplote in električne energije, prenosnik toplote HE1, toplotna črpalka HP, loputa HI, črpalki PU1 in PU2, • · · električni kabel EC, akumulator toplote HA, zunanja okolica A, vir obnovljive energije HS ter sistem cevi oziroma omrežje za distribucijo toplote med viri in porabnikom toplote HC.

Slika 3 prikazuje shemo kompleksne izvedbe naprave po izumu. Na sliki so prikazani in označeni: sklop kogeneracijskega sistema CHP na gorivne celice FC s prenosnikom toplote HE1 in HE2 v zaprtem sistemu, toplotna črpalka HP s pripadajočim kondenzatorjem HPC, uparjalnikoma HPE in ΗΡΕΧ, kompresorjem C in ekspanzijskim ventilom EV, loputa HI, H2, črpalke PU1 - PU3, električni kabel EC, akumulator toplote HA, zunanja okolica A, vir obnovljive energije HS, ter sistem cevi oziroma omrežje za distribucijo toplote med viri in porabnikom toplote HC.

Pogonski sklop kogeneracijskega sistema CHP na gorivne celice FC, v prikazani prednostni izvedbi obsega vsaj en prenosnik toplote HE1 za izrabo odpadne toplote dimnih plinov v izpušnem sistemu. Kot prikazano na sliki 1, naprava po izumu nadalje obsega toplotno črpalko HP, ki po dobro znanem konceptu spremembe agregatnega stanja delovnega medija z izkoriščanjem vsaj enega vira obnovljive energije predgreva primarni medij v povratnem vodu distribucijskega omrežja, ki se zatem v prenosniku toplote HE1 še dodatno segrejejo s toploto dimnih plinov oziroma z odpadno toploto kogeneracijskega sistema CHP gorivnih celic FC.

Kot sledi, je toplotni izmenjevalec HE1 prednostno priključen na dvižni vod omrežja za distribucijo toplote do akumulatorja toplote HA in nadalje do porabnika toplote HC, kjer oddaja odpadno toploto kogeneracijskega sistema CHP v omrežje za distribucijo toplote. Velja izpostaviti, da je predlagana rešitev primerna za vse vrste gorivnih celic FC z različnimi hladilnimi sistemi in kombinacijami le teh za izkoriščanje odpadne toplote (odprto in zaprto cevni sistemi), kjer je naprava po izumu namenjena tako za mikro, mini kot tudi za večje kogeneracijske sisteme na gorivne celice FC, pri čemer zaradi racionalizacije delovanja oziroma obratovanja take naprave sistem prednostno obsega zalogovnik oziroma akumulator toplote HA, preko katerega se proizvedena toplota prenaša v oziroma na sistem nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja končnega porabnika toplote HC. Akumulator toplote HA služi za časovno usklajeno kompenzacijo toplotnih potreb porabnika HC in proizvodnjo toplote predstavljenega sistema.

Med delovanjem zaradi eksotermne katalitične reakcije goriva in zraka v gorivnih v celicah FC nastajajo vroči dimni plini, ki se po izpušnem sistemu cevi prednostno odvajajo v zunanjo • · · · okolico A. V prikazanem prvem izvedbenem primeru sta na izpušni sistem dograjena dva prenosnika toplote HE1 in HE2, ki neposredno prenašata toploto dimnih plinov na nosilec toplote, to je vodo v sistemu ogrevanja. Prvi izmed prenosnikov toplote HE1 je namenjen za izrabo visokotemperaturne toplote dimnih plinov, ki jo prenosnik toplote HE1 prenaša neposredno na primarni medij v dvižnem vodu nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja. Po odvzemu visokotemperaturne toplote v prenosniku toplote HE1 dimni plini nadaljujejo pot po sistemu izpušnih cevi v drugi toplotni prenosnik HE2, kjer pride pri nadaljnjem ohlajanju dimnih plinov do kondenzacije vode prisotne v dimnih plinih, pri čemer se pridobljena toplota prednostno koristi za segrevanje vode v povratnem vodu distribucijskega omrežja. Razume se, da vgradnja drugega prenosnika toplote HE2 ni potrebna, če se noče izkoriščati kondenzacijska toplota dimnih plinov. V prednostni izvedbi naprava obsega prenosnik toplote HE2, ki zaradi kondenzacije nadalje obsega elemente za zajem, nadzor, shranjevanje in nevtralizacijo kondenzata dimnih plinov izpušnega sistema, ki zaradi ohranjanja jasnosti sheme na sliki 1 niso posebej prikazani. Izpostaviti velja, da temperatura dimnih plinov v kondenzacijskem toplotnem izmenjevalcu v prednostni izvedbi ne pade pod temperaturo vode povratka. Konkretno to pomeni, da kondenzacijski prenosnik toplote HE2 s kondenzacijo vodnih par v dimnih plinih, lahko dimne pline v izpušnem sistemu ohladi tudi pod 35°C, pri čemer prejeto toplotno energijo dimnih plinov in kondenzacijsko toploto vodnih par dimnih plinov prenosnik toplote HE2 prenese na z regulacijskim ventilom H2 reguliran del vode povratka, preostali del vode povratka pa se dovaja v eno ali dvostopenjsko toplotno črpalko HP, ki dvigne temperaturo na višji temperaturni nivo, ki prednostno znaša do 60°C, oziroma na najnižjo temperaturo, ki je potrebna, da se temperatura vode v prenosniku toplote HE1 dvigne na zahtevan temperaturni nivo porabnika toplote HC.

Velja izpostaviti, da naprava po izumu za uparjanje delovnega medija v toplotni črpalki HP prednostno izkorišča toploto vsaj enega vira obnovljive energije HS iz okolja A, pri čemer s kondenzacijo delovnega medija v kondenzatorju HPC toplotna črpalka HP odda energijo agregatne pretvorbe primarnemu mediju v povratnem vodu distribucijskega omrežja. Iz zapisanega sledi, da je vtok kondenzatorja HPC toplotne črpalke HP priključen na povratni vod distribucijskega omrežja, pri čemer se iztok kondenzatorja HPC združi z vodo iz prenosnika toplote HE2 in na vtok prenosnika toplote HE1. Pri tem med obratovanjem naprave po izumu • · • ···· .1 · · ·· · ·· · ϊ · · · · • · · ϊ · · c · · · ««····· ···

Ο · · · · · · · toplotna črpalka HP dodatno dogreje oziroma predgreje vodo povratka, ki se zatem vodi v hladilni sistem kogeneracije CHP na gorivne celice FC to je v prenosnik toplote H El, nato pa v akumulator toplote HA iz katerega se po ceveh distribucijskega omrežja v režimu ogrevanja dovaja topla voda do vsaj enega končnega porabnika toplote HC.

Kot prikazano na sliki 2 naprava po izumu v sekundarni izvedbi obsega toplotno črpalko HP, katera za uparjanje delovnega medija uporablja vsaj en vir obnovljive energije HS in vsaj en prenosnik toplote HE1 v izpušnem sistemu kogeneracije na gorivne celice FC, ki ne izkorišča kondenzacijsko toploto izpušnih plinov kogeneracije na gorivne celice FC, razen v primeru, da je temperatura vode v povratnem cevovodu, ki zapušča toplotno črpalko HP dovolj nizka, da lahko v prenosniku toplote HE1 pride do kondenzacije vode iz dimnih plinov. Do tega primera lahko pride pri uporabi naprave po izumu za nizkotemperaturno ogrevanje.

V tretjem izvedbenem primeru naprava po izumu predvideva izkoriščanje odpadne toplote kogeneracijskega sistema CHP, pri čemer sklop gorivnih celic FC na prikazanem izvedbenem primeru obsega zaprti hladilni sistem za izkoriščanje toplote, ki prednostno obsega vsaj en prenosnik toplote HE1 in kondenzacijski prenosnik toplote HE2, pri čemer je kondenzacijski prenosnik toplote prednostno v zaprtem sistemu pretočno povezan z vsaj enim uparjalnikom ΗΡΕΧ toplotne črpalke HP, zaradi česar je v primeru izkoriščanja kondenzacijske toplote temperatura v kondenzacijskem prenosniku toplote HE2 lahko tudi med obratovanjem naprave nižja od temperature medija v povratnem ali dovodnem vodu omrežja za distribucijo toplote.

V vseh prikazanih izvedbenih primerih naprava po izumu prednostno obsega kogeneracijo CHP na gorivne celice FC, ki vsebuje vsaj en prenosnik toplote HE1 za soproizvodnjo toplote in električne energije, pri čemer je ustvarjena električna energija v primeru otočnega obratovanja prednostno uporabljena za pogon kompresorja C toplotne črpalke HP. V drugotnih izvedbenih primerih je lahko elektromotorni pogon kompresorja C priključen tudi na vir električne energije iz fotovoltaične elektrarne ali na omrežno napetost, kjer pa taka naprava vsaj občasno več ne deluje v sklopu otočnega kogeneracijskega režima soproizvodnje električne in toplotne energije ampak v režimu ciljnega ogrevanja oziroma hlajenja končnega porabnika HC. Ne glede na to, ali naprava po izumu deluje v režimu ogrevanja, hlajenja, kogeneracije ali trigeneracije, je lahko sistem po izumu vgrajen v skupno ohišje ali ločen na • · ··· več, eventualno tudi dislociranih podsklopov v samostojnih ohišjih, ki vsaj kot celota izkazujejo oziroma v skupnem sistemu obsegajo toplotno črpalko HP in gorivne celice FC, pri čemer toplotna črpalka HP z izkoriščanjem vsaj enega vira obnovljive energije HS dogreva povratni ali dovodni vod omrežja za distribucijo toplote. Primarni medij za transport toplotne energije v sistemu nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja je prednostno voda ali mešanica vode in glikola, ki v zaprtem ogrevalnem krogu predtoka in povratnega toka v sistemu ogrevanja prenaša toplotno energijo med viri (kondenzator HPC oziroma uparjalnik HPE toplotne črpalke H P in hladilni sistem gorivnih celic FC oziroma ter toplotni izmenjevalec HE1 in HE2), akumulatorjem toplote HA in končnim porabnikom toplote HC.

Metoda za vzpostavitev sistema za izrabo nizkotemperaturnih obnovljivih virov HS toplote s toplotno črpalko HP v okviru naprave po izumu obsega naslednje korake;

- integracijo vsaj ene toplotne črpalke HP v zaprti ali odprti cevni sistem nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja, pri čemer toplotna črpalka HP za uparjanje delovnega medija izkorišča vsaj en vir obnovljive energije HS (kot npr. toplota zraka, zemlje, geosonde, podtalnice, toplote tekočih ali stoječih vod, geotermalne vode idr.), kjer kondenzator toplotne črpalke HP prednostno oddaja ustvarjeno toploto v povratni ali dovodni vod ogrevalnega cevnega sistema;

- integracijo kondenzacijskega prenosnika toplote HE2 v izpušni sistem gorivnih celic FC, kjer je prestrežena toplota uporabljena za dvig temperature primarnega medija v povratnem vodu distribucijskega sistema;

- integracijo akumulatorja toplote HA, ki časovno kompenzira razliko med količino ustvarjene oziroma proizvedene in količino zahtevane oziroma porabljene toplote.

Metoda za izrabo nizkotemperaturnih obnovljivih virov HS toplote s toplotno črpalko HP v okviru naprave po izumu obsega naslednje procese:

- zgorevanje energenta v gorivnih celicah FC, pri čemer se toplota kot stranski produkt eksotermne kemične reakcije v okviru hladilnega sistema gorivnih celic FC prenese oziroma vsaj delno porabi za dvig temperature primarnega medija v dvižnem oziroma dovodnem vodu distribucijskega omrežja;

- prestrezanje in izrabo odpadne toplote dimnih plinov, pri čemer se vsaj del prestrežene odpadne toplote posredno ali neposredno uporabi za dvig temperature primarnega medija v distribucijskem omrežju;

- kondenzacijo dimnih plinov v izpušnem sistemu gorivnih celic FC, kjer se v okviru integriranega prenosnika toplote HE2 prestrežena odpadna toplota neposredno ali posredno uporabi za dvig temperature primarnega medija v distribucijskem omrežju;

- spremembo agregatnega stanja delovnega medija toplotne črpalke HP, kjer je vsaj en vir obnovljive energije HS uporabljen za uparjanje delovnega medija v uparjalniku toplotne črpalke HP, pri čemer se ustvarjena toplota v okviru kondenzatorja toplotne črpalke HP vsaj delno prenese na primarni medij v povratnem ali dovodnem vodu distribucijskega omrežja, s čimer se ustvarjena toplota posredno ali neposredno porabi za dvig temperature primarnega medija v distribucijskem omrežju.

Iz zapisanega sledi, da eno ali dvostopenjska toplotna črpalka HP z izrabo vsaj enega vira obnovljive energije HS oziroma toplote iz okolja A dvigne temperaturni nivo primarnega medija v kondenzatorju HPC toplotne črpalke HP, vendar samo do temperaturnega nivoja, ki se z dogrevanjem v kogeneracijskem postroju CHP dogreje na želeno temperaturo nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja porabnika toplote HC. Električna energija pridobljena s kogeneracijskim postrojem CHP na gorivne celice se prednostno porabi za pogon kompresorja C eno ali dvostopenjske toplotne črpalke HP, kjer celoten sklop deluje kot ena naprava.

Z eno ali dvostopenjsko toplotno črpalko HP se lahko iz okolja (na primer zraka) jemlje toplota do temperature zraka -25°C in segreva voda ogrevalnega sistema do temperature 60°C, ki se nato dogreje v kogeneracijski napravi CHP do temperature 90°C. Končna temperatura vode ogrevalnega sistema je odvisna od potreb porabnika toplote HC, kjer je zaradi ekonomskih razlogov zaželen čim nižji temperaturni nivo za proizvodnjo toplote s toplotno črpalko HP in obratovanje kogeneracijskega postroja CHP na gorivne celice FC v režimu maksimalnega • 4

izkoristka. Pri nizkotemperaturnih ogrevalnih sistemih lahko s predstavljeno metodo naprava po izumu več kot 100% toplote potrebne za ogrevanje proizvede iz obnovljivih virov.

Celoten sistem po izumu se lahko v poletnem času uporabi tudi za hlajenje porabnika toplote HC. V ta namen naprava oziroma metoda predvideva vgradnjo dodatnega akumulatorja toplote - hladu HA1 s prevezavo cevnega sistema s toplotno črpalko HP, kjer se toplota iz vode v omrežju za distribucijo hladu odvzame in odvede v okolico A, ohlajena voda pa vrača po povratni vezavi nazaj v akumulator toplote HA1, kjer nadalje v posebej za te namene dograjenem distribucijskem omrežju porabnik toplote HC izkorišča ohlajen primarni medij v akumulatorju toplote HA1 za potrebe hlajenja. Razume se, da v režimu hlajenja metoda in naprava po izumu nadalje obsega oziroma predvideva odklop toplotne črpalke HP s cevnega sistema povratnega voda ogrevalnega sistema in direktno povezavo prenosnikov toplote HE1 in HE2 kogeneracije CHP na gorivne celice FC na povratni vod ogrevalnega sistema, zaradi česar se toplota dimnih plinov izkorišča za pripravo sanitarne vode ali pa se preko odvoda dimnih plinov Pl odvaja v okolje A.

V nadaljevanju so podane še nekatere ključne ugotovitve ter značilnosti naprave in metode po izumu, ki so pomembne predvsem za določitev obsega patentnega varstva oziroma za oblikovanje patentnih zahtevkov.

Kot sledi, naprava po izumu lahko obsega več toplotnih črpalk HP v vzporedni in/ali zaporedni vezavi, katere obratujejo oziroma delujejo na enakih ali različnih temperaturnih nivojih (kaskadni način), pri čemer vsaj ena toplotna črpalka HP v sistemu za svoje delovanje oziroma za uparjanje delovnega medija izkorišča vsaj en vir obnovljive energije HS, kjer se ustvarjena toplota nadalje porabi za predgrevanje vode v cevi povratka ogrevalnega sistema. Podobno velja, da naprava po izumu lahko v skupnem sistemu izkorišča različne vire obnovljive energije HS iz okolice A, kateri so prednostno uporabljeni za predgrevanje primarnega medija v povratnem vodu enotnega distribucijskega omrežja, ki zaradi optimizacije režimov obratovanja lahko obsega tudi več dislociranih toplotnih črpalk HP in kogeneracij na gorivne celice FC v vzporedni in/ali zaporedni vezavi. Iz zapisanega sledi, da je uparjalnik HPE toplotne črpalke HP v sistemu distribucijskega omrežja povezan na enega ali več različnih virov obnovljive energije HS, pri čemer je kondenzator HPC vsaj ene toplotne črpalke HP priključen oziroma pretočno povezan s povratnim ali dovodnim vodom distribucijskega omrežja. V ·

napravi po izumu so lahko vgrajeni katerikoli tipi prenosnikov toplote sotočni ali protitočni, pri čemer lahko sistem za distribucijo toplote v povratnem vodu med kondenzatorjem HPC toplotne črpalke HP in kogeneracije CHP na gorivne celice FC oziroma med uparjalnikom ΗΡΕΧ in prenosnikom toplote HE2 obsega tudi druge elemente, kot je recimo deionizator hladilne tekočine, kar pa ne spremeni bistva izuma.

Omeniti še velja, da je krmiljenje toplotnih tokov v predstavljenem sistemu lahko izvedeno z napredno elektronsko nadzorno-regulacijsko opremo, ki obsega večje število senzorjev, elektromotornih ventilov, loput ali ventilov HI, H2, črpalk PU1 in PU2 in druge procesne opreme, pri čemer je regulacija toplotnega toka in proizvodnje električne energije v najenostavnejši izvedbi izvedena s spreminjanjem moči obratovanja gorivnih celic FC. Podobno velja, da lahko naprava po izumu obsega več enakih ali različnih kogeneracij CHP na gorivne celice FC in druge toplotne stroje, kot je recimo motor z notranjim izgorevanjem različnih moči, v zaporedni, vzporedni ali kaskadni vezavi. Kot sledi je pogonsko gorivo kogeneracije CHP na gorivne celice FC prednostno vodik, zemeljski plin, bioplin, metanol, dimetileter, LPG, bencin itd.

Način industrijske uporabe

Vse doslej navedeno je prvenstveno opisano na primeru soproizvodnje toplote in električne energije v distribucijskem omrežju visokotemperaturnega ali nizkotemperaturnega ogrevanja, pri čemer je opisana naprava in metoda brez bistvenih sprememb uporabljiva tudi na drugih premičnih in nepremičnih objektih, kot so recimo vozila, plovila, sušilnice, industrijski procesi, rastlinjaki ipd., pri čemer lahko strokovnjak iz obravnavanega področja na podlagi razloženega prednostnega ali sekundarnega izvedbenega primera razvije drugačne izvedbene primere, ki pa ne zaobidejo sledečih patentnih zahtevkov.

Claims

1. Naprava za povečanje izkoristka sistema nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja z izrabo nizkotemperaturnih obnovljivih virov toplote, ki obsega vsaj eno toplotno črpalko (HP), ki nadalje obsega kondenzator (HPC), priključen na omrežje za distribucijo toplote, ter uparjalnik (HPE), prilagojen za izrabo vsaj enega vira obnovljive energije iz okolice (A), ter toplotni stroj, prednostno sklop gorivnih celic (FC) za kogeneracijo (CHP) toplote in električne energije, ki nadalje obsega izpušni sistem cevi za odvod dimnih plinov v zunanjo okolico (A) značilna po tem, da je vtok kondenzatorja (HPC) toplotne črpalke (HP) vsaj po zagonu naprave priključen na povratni ali dovodni vod omrežja za distribucijo toplote, pri čemer je vsaj en iztok vsaj enega kondenzatorja (HPC) toplotne črpalke (HP) pretočno povezan z vtokom hladilnega sistema sklopa gorivnih celic (FC), ki prednostno obsega vsaj en prenosnik toplote (HE1) za izrabo odpadne toplote eksotermne katalitične reakcije goriva in zraka v gorivnih v celicah (FC) v omrežju za distribucijo toplote.

2. Naprava po zahtevku 1 značilna po tem, da je omenjeni prenosnik toplote (HE1) del hladilnega sistema sklopa gorivnih celic (FC) ali samostojni toplotni izmenjevalec, ki je z vsaj enim iztokom priključen na dvižni vod omrežja za distribucijo toplote; da omenjeni izpušni sistem sklopa gorivnih celic (FC) nadalje obsega vsaj en prenosnik toplote (HE2), ki je priključen na dovodni, ali povratni vod omrežja za distribucijo toplote; da omenjeno omrežje za distribucijo toplote nadalje obsega vsaj en porabnik toplote (HC) in vsaj en zalogovnik oziroma akumulator toplote (HA), pri čemer naprava nadalje obsega sredstva za krmiljenje toplotnih tokov znotraj omrežja za distribucijo toplote.

3. Naprava po zahtevku 2 značilna po tem, da omenjeni izpušni sistem sklopa gorivnih celic (FC) obsega vsaj en prenosnik toplote (HE2), ki je priključen na dovodni ali povratni vod omrežja za distribucijo toplote, pri • · ···· čemer je iztok omenjenega prenosnika toplote(HE2) povezan oziroma priključen na iztok kondenzatorja (HPC) toplotne črpalke (HP) oziroma na vtok prenosnika toplote (HE1).

4. Naprava po zahtevku 3 značilna po tem, da omenjeno omrežje za distribucijo toplote obsega obvodno povezavo kondenzatorja (HPC) toplotne črpalke (HP), ki vsaj delno preusmeri tok primarnega medija v dovodnem oziroma povratnem vodu omrežja za distribucijo toplote mimo kondenzatorja (HPC) toplotne črpalke (HP); da omenjeno omrežje za distribucijo toplote obsega obvodno povezavo prenosnika toplote (HE1), ki vsaj delno ali v celoti preusmeri tok primarnega medija iz kondenzatorja (HPC) toplotne črpalke (HP) v dvižni vod omrežja za distribucijo toplote.

5. Naprava po zahtevku 4 značilna po tem, da omenjeno omrežje za distribucijo toplote obsega več toplotnih črpalk (HP) v zaporedni, vzporedni ali kaskadni vezavi, pri čemer posamezna toplotna črpalka (HP) obsega vsaj en kondenzator (HPC) in uparjalnik (HPE), kjer je vsaj en uparjalnik (HPE) vsaj ene toplotne črpalke (HP) priključen oziroma prilagojen za izkoriščanje vira obnovljive energije (HS); da omenjeno omrežje obsega več sklopov gorivnih celic (FC) s prigrajenim prenosnikom toplote (HE1) v zaporedni, vzporedni ali kaskadni vezavi.

6. Naprava po zahtevku 5 značilna po tem, da je toplotna črpalka (HP) tipa zrak/voda ali voda/voda; da je toplotna črpalka (HP) enostopenjska ali dvostopenjska toplotna črpalka (HP); da je vir obnovljive energije (HS) zrak okolice, toplota zemlje, geosonda, podtalnica, toplota tekočih vod, toplota stoječih vod ali geotermalna voda; da je sklop gorivnih celic (FC) kogeneracijska naprava za spreminjanje kemične energije goriva, pri čemer je gorivo prednostno vodik, zemeljski plin, bioplin, metanol, dimetileter, LPG ali bencin; da je omrežje za • · · ·

13 .: ...........

distribucijo toplote del hišne instalacije oziroma centralnega ogrevanja ali daljinskega ogrevanja, del instalacije vozila, prednostno tovornjaka, ali plovila, prednostno ladje.

7. Naprava po zahtevku 6 značilna po tem, da gorivna celica (FC) obsega električno instalacijo, ki ustvarjeno električno energijo v celoti ali delno dovaja toplotni črpalki (HP) za pogon elektromotorja kompresorja, pri čemer je omenjeni elektromotor priključen na vir električne energije iz zunanjega omrežja, samostojnega fotovoltaičnega električnega omrežja ali na vir električne energije v sklopu gorivnih celic (FC).

8. Naprava po zahtevku 1 značilna po tem, da obsega kondenzacijski prenosnik toplote (HE2) za izrabo odpadne kondenzacijske toplote dimnih plinov sklopa gorivnih celic (FC), pri čemer je omenjeni kondenzacijski prenosnik toplote (HE2) prednostno v zaprtem krogu pretočno povezan z uparjalnikom (ΗΡΕΧ) vsaj ene toplotne črpalke (HP), katere kondenzator (HPC) je prednostno priključen na dovodni ali povratni vod omrežja za distribucijo toplote.

9. Naprava po zahtevkih 6 in 8 značilna po tem, da je primarni medij v omrežju za distribucijo toplote voda ali mešanica vode in glikola.

10. Metoda za povečanje izkoristka sistema nizkotemperaturnega ali visokotemperaturnega ogrevanja z izrabo nizkotemperaturnih obnovljivih virov toplote, ki obsega proces zgorevanja goriva v gorivni celici (FC), ter proces uparjanja in kondenzacije delovnega medija v toplotni črpalki (HP), pri čemer je distribucija oziroma prenos toplote med viri toplote in vsaj enim porabnikom toplote (HC) znotraj odprtega sistema cevi ali zaprtega sistema cevi distribucijskega omrežja prednostno izveden s pretokom vsaj enega toplotnega medija, značilna po tem, da je za omenjeni proces uparjanja delovnega medija v uparjalniku toplotne črpalke (HP) uporabljen vsaj en vir obnovljive energije iz okolja (O), pri čemer se s spremembo agregatnega stanja delovnega medija v kondenzatorju toplota vira obnovljive energije prednostno prenese v dovodni ali povratni vod omrežja za distribucijo toplote, kjer je vnesena toplota prednostno uporabljena za predgrevanje oziroma dvig temperature primarnega medija na zahtevan temperaturni nivo v dovodnem ali povratnem vodu distribucijskega omrežja.

11. Metoda po zahtevku 10 značilna po tem, da je za omenjen proces spremembe agregatnega stanja delovnega medija v uparjalniku uporabljen kompresor (C), ki za svoje delovanje delno ali v celoti porablja električno energijo proizvedeno z gorivnimi celicami (FC) v okviru kogeneracije (CHP) ali z energijo fotovoltaične elektrarne, kjer naprava prednostno deluje v otočnem režimu, ali za svoje delovanje porablja električno energijo iz omrežja; da nadalje obsega izrabo odpadne toplote eksotermne katalitične reakcije goriva in zraka v gorivnih v celicah (FC) in prednostno obsega prenosnik toplote (HE1), pri čemer je iztok kondenzatorja (HPC) toplotne črpalke (HP) pretočno povezan z vtokom prenosnika toplote (HE1), zaradi česar se vsaj del toplote iz kondenzatorja (HPC) toplotne črpalke (HP) prenese v hladilni sistem gorivnih celic (FC) s čimer se vsaj v obdobju obratovanja toplotne črpalke (HP) poviša temperaturni nivo oziroma temperatura medija v povratnem ali dovodnem vodu omrežja za distribucijo toplote; da obsega izrabo odpadne toplote v obliki dimnih plinov, pri čemer se v vsaj enem prenosniku toplote (HE1), ki povezuje izpušni sistem gorivnih celic (FC) in omrežje za distribucijo toplote, visokotemperaturna toplota dimnih plinov vsaj med obratovanjem gorivnih celic (FC) vsaj delno prenese na medij v omrežju za distribucijo toplote; da s prenosom toplote obnovljivega vira in s prenosom odpadne toplote v procesu predgrevanja toplotnega medija v dovodnem ali povratnem vodu omrežja za distribucijo toplote vsaj med obratovanjem gorivnih celic (FC) in toplotne črpalke (HP) pri nazivni moči in normalnih pogojih obratovanja temperatura toplotnega medija v hladilnem sistemu oziroma prenosniku toplote (HEl) doseže zahtevano oziroma najvišjo dovoljeno vrednost.

12. Metoda po zahtevku 11 značilna potem, da vsaj en prenosnik toplote (HE1, HE2) za izrabo odpadne toplote dimnih plinov obsega proces kondenzacije; da s spremembo smeri poteka spremembe agregatnega stanja delovnega medija v toplotni črpalki (HP) metoda preide v režim hlajenja končnega uporabnika (HC) v omrežju za distribucijo toplote, pri čemer vsaj en vir obnovljive energije (HS) iz okolice (A) sprejme visokotemperaturno toploto delovnega medija toplotne črpalke (HP).

13. Metoda po zahtevku 12 značilna po tem, da procesi pretvorbe energije v sistemu delujejo po konceptu kogeneracije ali trigeneracije, pri čemer je krmiljenje toplotnih tokov v omrežju za distribucijo toplote izvedeno s spreminjanjem moči oziroma režima obratovanja gorivnih celic (FC), s spreminjanjem režima obratovanja toplotne črpalke (HP) ali s spreminjanjem pretoka dimnih plinov ali medija za prenos toplote v omrežju za distribucijo toplote, kjer sklop gorivnih celic prednostno obratuje v režimu maksimalnega izkoristka.