SK1312016U1 - Hybridný systém premeny energie - Google Patents

Abstract

Technické riešenie umožňuje zvýšiť účinnosť a ekonomické parametre pohonov, tepelných cyklov a autonómnych zdrojov elektrickej energie. Blok teplozmenných plôch (19) je v tlakovej nádobe (4) vnútri medzikružia (18) predhriaty prúdom horúceho vzduchu rozvodom (10) na vysokú teplotu. Vnútorná stena nádoby je chladená vodou pri tlaku 10 až 20 MPa. Zariadenia podľa technického riešenia možno využiť v elektroenergetike, teplárenstve, doprave a akumulácii tepelnej a elektrickej energie.

Description

HYBRIDNÝ SYSTÉM PREMENY ENERGIE

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka hybridného systému premeny energie tepla na kinetickú a elektrickú energiu s cieľom nárastu účinnosti premeny tepla na prácu a ekonomickej efektivity investície. Zdrojom tepla môže byť spaľovacie teplo 2 biomasy, z plynného alebo tekutého paliva, z koncentrácie slnečného žiarenia, prípadne z geotermálnej energie.

Doterajší stav techniky

Motory a tepelné cykly pre energetiku a dopravu používajú rôzne konštrukcie a tepelné cykly. Pohon dopravných prostriedkov alebo malých a stredných (autonómnych) elektrární a záložných zdrojov býva uplatnený väčšinou na báze dieselových motorov, benzínových alebo plynových spaľovacích motorov, alebo na báze parných rankinových cyklov, pričom ako zdroj tepla sa využíva pevné, tekuté alebo plynné palivo, prípadne koncentrovaná slnečná energia alebo geotermálna energia. Voľba rôznych systémov je podľa špecifických požiadaviek a dispozičných zdrojov tepelnej energie a ich cenovej optimálnosti. Motor alebo použitý tepelný cyklus a cena zdroja tepla určujú cenu výsledného produktu, t. j. kWh, resp. km jazdy dopravným prostriedkom. Vývoj pokrokových systémov premeny energie pre energetické zdroje alebo motory dopravných prostriedkov je v súčasnosti zameraný na ich ekologizáciu a vyššiu ekonomickú efektívnosť kde sú rozhodujúce najmä účinnosť premeny tepelnej energie na prácu a elektrickú energiu a nákladovosť zariadení. U súčasných systémov a zariadení nie je dostatočne vyriešený rozpor v obidvoch parametroch. Relatívne nízkonákladové zariadenia majú príliš nízku účinnosť premeny a naopak vyššia účinnosť sa dosahuje len u investične vysoko náročných zariadení. Vysoká nákladovosť je charakteristická pri využívaní obnoviteľných zdrojov ako je biomasa, geotermálna a slnečná energia.

Nákladné sú tiež malé autonómne zdroje.

Podstata technického riešenia

Zvýšenie efektivity, účinnosti premeny energie a nižšia špecifická investičná náročnosť malých a stredných energetických zdrojov a pohonných systémov dopravy rieši technické riešenie ktorého podstatou je blok teplozmenných plôch umiestnený vo vnútri tlakovej nádoby a medzikružia, do ktorého ústi vtok pracovného média (vody) čerpaný zvonka čerpadlom. Tlaková nádoba je úchytmi uzavretá ventilovými vekami, ktoré obsahujú otvory s tesniacimi elementárni, ktorých tyčky sú vyvedené do vonkajších ovládačov nízkotlakového vstupu a nízkotlakového výstupu média, t. j. horúcej tekutiny (vzduch pri základnom prevedení) prúdiaci rozvodom zo zdroja tepla do tlakovej nádoby v polperióde ohrevu bloku teplozmenných plôch. Horúci vzduch prúdi účinkom keramických ejektorových dýz napojených na tlakové médium produkované vlastnou technológiou. Spoločný tlakový výstup zberá vysokotlakové médium (nadkriticky prehriatu paru) zo všetkých paralelných tlakových nádob v polperióde odovzdávania tepla z bloku teplozmenných plôch do vody a pary počas natekania z medzipriestoru tlakovej nádoby a medzikružia do vnútra v mieste uloženia bloku teplozmenných plôch. Zber výstupnej vysokotlakej pary je cez rozvodové a spätné ventily.

Tlakový výstup môže samostatne bez ďalších komponentov slúžiť ako reaktívny pohon vo forme sústav dýz z keramického telesa, ktoré induktívne strhávajú okolitý vzduch pri zníženom výtoku tlakovej pary a pri účinku reakčného tlaku. Dopravný prostriedok osobitne lietadlo tak má priamy pohon induktívnym dúchadlom.

Pri výrobe elektrickej energie je tlakový výstup nasmerovaný svojím indukčným prúdením vzduchu do kanálov, v ktorých sú umiestnené vzduchové turbíny za sebou v množstve pre najvyššiu účinnosť a vedľa seba pre nízku zotrvačnosť každej jednotky. Rýchlosť prúdenia vzduchu do vzduchových turbín klesá vo fáze poklesu teploty bloku teplozmenných plôch a spotrebovania vody z medzipriestoru tlakovej nádoby. Úmerne tomu klesajú otáčky vzduchových turbín zvýšeným prúdovým odberom pomocou sériovo-paralelného prepájania spínacími prvkami medzi generátormi a akumulátormi. Plynulý nárast tlaku, výtokovej rýchlosti a otáčok vzduchových turbín riadi ovládač ventilov opozdbvaním ich uzavretia počas vstupu vody do horúceho bloku teplozmenných plôch a spotrebovania vody z medzipriestoru tlakovej nádoby. Úmerne tomu klesajú otáčky vzduchových turbín zvýšeným prúdovým odberom pomocou sériovo-paralelného prepájania spínacími prvkami medzi generátormi a akumulátormi. Plynulý nárast tlaku, výtokovej rýchlosti a otáčok vzduchových turbín riadi ovládač ventilov opozďovaním ich uzavretia počas vstupu vody do horúceho bloku teplozmenných plôch.

Ak je zdrojom tepla spaľovací horák na plynné alebo pevné (biomasové) palivo, horenie prebieha na vysoké teploty vstupom horúceho vzduchu pod horák zo spätnej vetvy, ktorá privádza horúci vzduch z tlakovej nádoby jeho cirkuláciou. Spaliny z horáka vychádzajú výstupom spalín do atmosféry a protismerne ohrievajú nový vzduch vstupujúci vstupom vzduchu do výmenníka, alebo rozvod vzduchu je uzavretý a dohnevaný výmenníkom spalinami z horáka.

Ú' U-!

Ak je zdrojom tepla tepelný akumulátor, prepojenie rozvodom je uzavretý cyklus, akumulátor obsahuje keramické látky ohrievané elektrickým žhavením, čím vzniká energetická hustota dvakrát vyššia ako v elektrických batériách, cena 19 krát nižšia, počet cyklov bez obmedzení.

Ak je zdrojom tepla solárny koncentrický systém tak rozvod je napojený na vysokoteplotnú tekutinu napr. lineárnych fresnelových systémov koncentrického solárneho systému.

Ventilové veká sú tepelne najviac namáhané diely . Keramický materiál má vysokú pevnosť v tlaku aj za vysokých teplôt. Tvar vypuklý dovnútra vytvára tlakové namáhanie v celom priereze včítane keramických guliek ventilov. Po obvode ventilového veku je izolačné tesnenie, ktoré znižuje prestup tepla radiálne do stien a axiálne do úchytov.

Prehľad obrázkov

Na obr. 1 je schéma zariadenia,

Na obr. 2 je detail rezu tlakovej nádoby.

Príklady uskutočnenia

Autonómny zdroj elektrickej energie na biomasový a plynový horák ako zdroj tepla 15, o príkone okolo 10 kW. Systém obr. 1 obsahuje päť tlakových nádob 4 po 0,2 litra vnútorného objemu v jednom z dvoch blokov tlakových nádob. Ovládač ventilov nízkotlakového vstupu 9 uvoľní guľky ventilov v hornom ventilovom veku 16 po minutí dávky vody a pary z vnútorného objemu danej tlakovej nádoby 4. Ovládač ventilov nízkotlakového výstupu 6 uvoľní guľky ventilov v spodnom ventilovom veku a začne cirkulácia horúceho vzduchu v prvom bloku tlakových nádob 4. Cirkuláciu horúceho vzduchu v rozvode 10 udržujú ejektorové dýzy 11 výtokom tlakového vzduchu alebo pary. Súčasne druhý blok tlakových nádob uzavrie tlakom ventily. Tlak vzniká napúšťaním vody do teplozmenných blokov plôch 19 z medzivrstvy vytvorenej medzikružím 18 do ktorej sa voda napustila čerpadlom 7. Teplozmenné bloky plôch 19 sa striedavo ohrievajú a chladia v aspoň dvoch blokoch o teplotnú toleranciu potrebnú pre tepelnú účinnosť cyklu nad 0,6. Tlak sa vynuluje minutím vodnej dávky. Tlakový výstup 3 je kontinuálne zásobovaný tlakovou parou 15 až 30 MPa o teplote 1000 až 1500°C. Zotrvačnosť je nízka zásluhou multiturbínového usporiadania. Sériovo-paralelné prepínanie generátorov a akumulátorov umožňuje zvyšovať a znižovať prúdovú a momentovú záťaž v závislosti na kolísaní výstupnej rýchlosti. Teplotné namáhanie vnútorných stien tlakových nádob 4 dosahuje asi 400 °C pretože je v styku s vodou v medzivrstve na obvode medzikružia 18 pri tlaku do 30 MPa. Vodná para sa prehrieva mimo stien tlakovej nádoby 4 v jej strede. Teplotné a plošné dispozície umožňujú nárast špecifických parametrov. V porovnaní s rúrkovým kotlom Rankinovho cyklu je špecifická plošnosť bloku teplozmenných plôch 20krát vyššia,úmerne podielu hrúbky steny použitelných teplozmenných plôch voči hrúbke rúrkových výmenníkov, teplotný spád 4krát vyšší. Cyklus ohrevu a chladenia trvá asi 30 sec a je vzájomne recipročný pri dvoch protichodných blokoch tlakových nádob 4. Ventilové veká 16 sú z keramiky a vypuklé dovnútra pre tlakové namáhanie, pričom pevnosť v tlaku je od 300 do 1000 MPa podľa potreby a materiálu.

Spätné ventily 5 umožňujú striedanie cyklov v dvoch recipročných blokoch tlakových nádob

4. Jeden uzatvárajú , v druhom prepúšťajú tlak. Generátory jednosmerného prúdu 2 menia kinetickú energiu výstupného prúdenia na elektrickú energiu.

Hmotnostné parametre predčia súčasné známe zariadenia a umožňujú autonómne uplatnenie aj malých zdrojov s hybridnými zdrojmi tepla plyn, peletky, slnečné teplo z kolektorov typu Absolikon ...).

Iné uskutočnenie technického riešenia je pohon dopravných prostriedkov. Činnosť zariadenia je ako v predošlom prípade, elektrické generátory a kanály 1 nie sú potrebné v plnom rozsahu. Pohon je reaktívny tlakovým výstupom 3 a brzdením výtoku pár indukčným urýchľovaním prúdenia vzduchu. Reaktívny pohonný prúd vzduchu vzniká trením výtokovej pary voči okolitému vzduchu väčšieho prierezu.

Špecifická hmotnosť tak klesá na 1,5 kg/kW čo umožňuje uplatnene aj pre lietadlá. Zdroj tepla môže byť hybridný a to z časti palivo a z časti termo elektro akumulačný. Elektricky žhavené keramické materiály majú polovičnú hmotnosť a desatinovú cenu v porovnaní s Liion batériami na 1 kWh prepočítanej elektrickej kapacity.

Iné uskutočnenie je energetický akumulačný systém pre solárne a veterné elektrárne pre 12 hodinovú kapacitu.

Fotovoltická elektráreň môže dodávať energiu až do polnoci, pokiaľ bude vybavená elektrotepelným akumulátorom a hybridným systémom premeny energie.

S veľkosťou priemeru tlakovej nádoby 4 sa špecifické tepelné straty znižujú úmerne nárastu dĺžky tepelných odporov. Napr. zvýšenie jednotkového priemeru zo 100 mm na 500 mm pre väčšie výkony možno dosiahnuť účinnosť blízku 0,7 (pre výkony nad 200 kW).

Claims (7)

1. Hybridný systém premeny energie, ktorý využíva tepelné cykly typu Rankin alebo Brayton s vonkajším nepriamym ohrevom teplonosnej látky a súčasne s vnútorným ohrevom pracovného média vyznačujúci sa tým, že blok teplozmenných plôch (19) sa nachádza vo vnútri tlakovej nádoby (4), ktorá ďalej obsahuje medzikružie (18), ktoré predeľuje stenu (17) tlakovej nádoby (4) od priestoru vyplnenom blokom teplozmenných plôch (19) a vytvára medzipríestor do ktorého ústi vtok pracovného média čerpaný čerpadlom (7), pričom čelá tlakovej nádoby (4) s úchytmi (8) uzatvárajú ventilové veká (16) obsahujúce otvory s tesniacimi elementmi, tyčky ktorých vedú do ovládača ventilov nízkotlakového vstupu (9) a ovládača ventilov nízkotlakového výstupu (6) horúceho vzduchu v rozvode (10), ktorý prepája tlakovú nádobu (4) so zdrojom tepla (15) a v ktorom sa nachádzajú ejektorové dýzy (11), pričom rozvodové a spätné ventily (5) prepájajú paralelne umiestnené tlakové nádoby (4) do spoločného tlakového výstupu (3).

2. Hybridný systém premeny energie podľa nároku (1) vyznačujúci sa tým, že tlakový výstup (3) je sústava dýz reaktívneho pohonu.

3. Hybridný systém premeny energie podľa nároku 1 vyznačujúci sa tým, že tlakový výstup (3) smeruje prúd indukčného prúdenia vzduchu a výtoku dýz do kanálov (1), v ktorých sú umiestnené vzduchové turbíny spojené hriadeľmi s generátormi jednosmerného prúdu (2), ktoré sú vzájomne sériovo paralelne prepojené medzi sebou a s akumulátormi pomocou spínacích prvkov do sústavy regulátora záťaže odberu.

4. Hybridný systém premeny energie podľa nároku 1 vyznačujúci sa tým, že zdroj tepla (15) je spaľovací horák, do ktorého vstupuje horúci vratný vzduch zo spätnej vetvy (20), spaliny nad spaľovacím horákom vychádzajú výstupom spalín (13) po prechode výmenníkom (12) so vstupom vzduchu (14), alebo rozvod (10) je uzavretý a v kontakte s výmenníkom (12).

5. Hybridný systém premeny energie podľa nároku 1 vyznačujúci sa tým, že zdrojom tepla (15) je tepelný akumulátor s uzavretým obehom rozvodom (10) a vratnou vetvou (20) pri použití vysokoteplotnej akumulačnej látky s elektrickým žhavením.

6. Hybridný systém premeny energie podľa nároku 1 vyznačujúci sa tým, že rozvod (10) je napojený na vysokoteplotnú tekutinu z koncentrického solárneho systému.

7. Hybridný systém premeny energie podľa nároku 1 vyznačujúci sa tým, že ventilové veká (16) sú z keramického materiálu s tvarom vypuklým do vnútra tlakovej nádoby, ktorých otvory uzatvárajú keramické guľky a na obvode je izolačné tesnenie (21).