Установка автономного энергоснабжения

,т, Ж ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО,21) 4795186/06 (22) 23.02.90 (46) 23.11,92, Бюл. М 43 (71) Краснодарский политехнический институт (72) В,С,Симанков и В.М.Лыжко (73) Научно-исследовательская лаборатория "Альтэн-Символ" при Краснодарском политехническом институте международного научно-технического центра отделения Всемирной лаборатории СССР (56) 1. Авторское свидетельство СССР йт 1133460, кл. Р 24 3 2/42, 1988.2. Авторское свидетельство СССР М 1503444, кл. Р 24 ) 2/42, 1983. (54) УСТАНОВКА АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ (57) Использование; изобретение относится к использованию нетрадиционных источников энергии и позволяет повысить функцио-нальную надежность в процессе БО. 1777641 АЗ эксплуатации гелиоустановок. Сущность изобретения: установка автономного энергоснабжения содержит систему получения и хранения биогаза с газораспределительным модулем, связанным с двигателем-генератором 39, имеющим контур 38 охлаждения, сообщенный через узел тепло- распределения с системой теплоснабжения и подключенный к шинам 41 переменного тока, бак-аккумулятор 16 с термоэлектрическим нагревателем 18, подключенным к фотоэлектрическому генератору 48 через шины 41 и 47 переменного и постоянного тока, солнечный коллектор 15, подключенный к баку-аккумулятору 16 и к системе получения и хранения биогаза, ветроэнергоагрегат 42 и систему управления работой элементов установки, Изобретение позволяет обеспечить дублирование различных источников энергии и бесперебойную работу всех элементов. 1 ил.1777641 10 15 20 30 35 40 50 55 Изобретение относится к области энергетики, а именно к системам автономного энергоснабжения сельскохозяйственных объектов, содержащих животноводческие фермы и расположенных в отдаленных районах, обладающих высоким гелио-, ветро- и биоэнергетическим потенциалом и не имеющих энергетических связей с системами электро- и теплоснабжения.Известны установки для автономного энергоснабжения обьектов на нетрадиционных источниках энергии, выполненные с использованием комбинации различных первичных возобновляемых энергоисточников и их преобразователей 11.Наиболее близким к заявляемому по технической сути и достигаемому эффекту является автономный гелиокомплекс, описанный в авт,св. В 1503444, в котором использованы энергия солнца, ветра и биоконверсии. Комплекс содержит солнечную энергетическую установку, солнечные коллекторы, газогенератор с пунктом очистки биогаза от примесей, ветроэнергетическую установку, солнечные коллекторы, газогенератор с пунктом очистки биогаза от примесей, ветроэнергетическую установку, газовую и паровую турбины, подключенные к электрогенераторам переменного и постоянного тока, дублирующие источники тепловой энергии, работающие на биогазе, систему хладоснабжения, контур со сжатым воздухом, аккумулирующие устройства,Эксплуатация данной установки в системе автономного энергоснабжения сопряжена со следующими недостатками, Для обеспечения более высокого КПД путем уменьшения затрат энергии на собственные нужды введены дополнительные теплообменники, многоступенчатая газовая турби-, на и рабочая турбина, связанные с электрическими генераторами, которые приводят к снижению как элементной за счет применения механических преобразователей), так и общей функциональной надежности установки. Кроме того, введение дополнительных контуров регенерации, . теплонасосной установки, сжатого воздуха и предварительного охлаждения требуют включения в контуры для перекачки теплоносителей циркуляционных насосов, привода теплового насоса, которые являются дополнительными потребителями энергии для собственных нужд комплекса. Для получения электрической энергии при неблагоприятных метеоусловиях в установке предусматривается двойное преобразование энергии (получение тейловой энергии от сжигания бисгаза, преобразование тепловой энергии в механическую, механической - вэлектрическую),Дополнительные элементы и контуры многократного преобразования снижают функциональную надежность автономного комплекса.Целью изобретения является повышение функциональной надежности путем сокращения количества ступеней преобразования энергии.Для достижения этой цели установка автономного энергоснабжения дополнительно содержит фотоэлектрический генератор с устройством слежения за точкой максимальной мощности, термоэлектрический нагреватель, установленный в баке-аккумуляторе и подключенный к общим шинам переменного или постоя н ного тока. Кроме того, в установке предусматривается двигатель-генератор, работающий на биогазе, который подается из газораспределительного модуля. Контур охлаждения двигателя-генератора через узел теплораспределения сообщается с системой теплоснабжения установки. Выходные контакты двигателя 25 генератора подключены через коммутирующее устройство к общим шинам перемечного тока. На чертеже представлена структурная схема установки.Установка автономного энергоснабжения содержит систему получения и хранения биогаза, которая включает в себя биореактор 1 для анаэробного сбраживания животноводческих отходов, последовательно соединенный с компрессором 2 для периодического откачивания биогаза из реактора, устройствами для очистки биогаза от водяных паров 3, углекислого газа 4 и сероводородных соединений 5, запорным клапаном б, газгольдером 7 и газораспределительным модулем. Для возможности аварийного сброса биогаза в системе получения и хранения биогаза предусмотрен вентиль 8. Газораспределительный модуль содержит реактор 9 и управляемые вентили 10-13.Установка дополнительно включает систему теплоснабжения, которая содержит дублирующий источник теплоты 14, работающий на биогазе и подключенный к газораспределительному модулю. солнечный коллектор 15, тепловой бак-аккумулятор 16 с трубчатым теплообменником 17 и термический нагреватель 18, циркуляционные насосы 19 и 20, узел теплораспределения, состоящий из комплекта коммутационнораспределительной аппаратуры 21-34 и трубопроводами связанный с водяной рубашкой 35 биореактора. Через управляе 1777641мый вентиль 36 дублиругс диГ, источник теплоты соединен с системой перехода на альтернативное топливо при неблагоприя 1 ных погодных условиях, а через вентиль 37 - с линией подпитки системы холодной водой. Кроме этого, к системе теплоснабжения через узел теплораспределения подключен контур охлаждения 38 двигателя-генератора 39.Установка снабжена системой электроснабжения, которая включает в себя двигатель-генератор 39, работающий на биогазе и через контакты 40 присоединенный к общим шинам переменного тока 41, ветроэнергетический агрегат 42, который через контакты 43 соединен с общими шинами переменного тока, а через контакты 44, выпрямитель 45 и контакты 46 связан с общими шинами постоянного тока 47, фотоэлектрический генератор 48 с системой коммутации 49. которые через контакты 50 подключены к общим шинам постоянного тока, аккумуляторную батарею 51 с устройством заряда-разряда 52 и контактором 53, Между шинами постоянного и переменного тока установлены контактор 54 и инвертор 55. К общим шинам переменного тока через контакторы 56 присоединены злектроприемникисобственных нужд установки, к которым относятся электроприводы мешалки 57, компрессора аэрации 58, компрессора откачки 2, циркуляционных насосов 19 и 20, термоэлектрический нагреватель 18.Установка снабжена системой управления, состоящей из управляющих устройств первого уровня; стабилизатора частоты ветроагрегата 59, устройства слежения за точкой максимальной мощности 60, устройствами управления второго уровня, обеспечивающими координацию работы различных источников энергии 61.Основным компонентом установки является биоэнергетическая установка, которая одно времен но п редста вляет собой и источник и гтотребитель тепловой и электрической энергии. В биореакторе 1 происходит процесс анаэробного сбраживания животноводческих отходов, который выдерживается в жестком температурном режиме с помощью водяной рубашки 35, Для повыщения интенсивности метанообразования компрессором 2 производится периодическое откачивание биогаза, который, пройдя под низким давлением через устройства очистки от водяных паров 3, углекислого газа 4 и сероводородных соединений 5, накапливается в газгольдере 7. В установке система получения и хранения биогаза представляет собой средство аккумулирования энергии, которая через устройства5 10 15 20 25 30 35 40 4550 55 регенерации 14 и 39 преобра:.уе ся в тепловую и электрическую энергию для пбеспе ения собственных нужд б 1 оэнергетическо 1установки и других потребителей в периодыслабой солнечной и ветровой активности.Очищенный биогаз поступает в дублирующий источник теплоты 14 и двигательгенератор через газораспределительныймодуль, в котором с использованием редуктора 9 обеспечивается постояннос давление биогаза. Кроме того, в установке дляработы в наиболее неблагоприятных условиях предусматривается переход устройств14 и 39 на альтернативное жидкое топливочерез вентили 18 и 36.Система теплоснабжения обеспечиваетвозможность как раздельного, так и совместного использования энергоисточников, Вработе системы можно выделить б режимов,режим - солнечная радиация высокая,система теплоснабжения работает толькоза счет преобразования солнечной энергиив солнечных коллекторах,режим - солнечная радиация и ветровая активность высокая, система теплоснабженил работает от блока солнечныхколлекторов и идет зарядка бака-аккумулятора 16.режим - солнечная радиация недостаточная, система теплоснабжения работает за счет энергии, аккумулированной вбаке-аккумуляторе.И режим - солнечная радиация и ветеротсутствуют, тепловая эн "ргия бака-аккумулятора израсходована, система теплоснабжения работает за счет геплоты сгораниябиогаза в дублирующем источнике теплоты14.Ч режим - исходные условия Ч режимаи к системе электроснабжения подключендвигатель-генератор, система теплоснабжения работает за счет отбора тепла из контура охлаждения двигатель-генератора исжигания биогаза в дублирующем источнике.Ю режим-режим комплексного использования энергоисточников - охлажденныйтеплоноситель частично нагревдется в блоке солнечных коллекторов и контуре охлаждения двигателя-генератора, вдублирующем источнике теплоты доводитсядо необходимого температурноо режима.режим, когда тепла, вырабатываемогосолнечными коллекторами, доста-очно дляпокрытия тепловых нагрузок установки, Вэтом режиме тепловая энергия от солнечных коллекторов 15 насосом 19 через управляемые вентили 31, 30 и 26 подается втеплообменник 35 биоэнергетической установки для ферментативного получения мегана, а через вентиль 27 возвращается обратно в солнечный коллектор (остальные вентили закрыты). При этом учитывается температура теплоноси 1 еля на выходе из коллектора. которая должна быть выше темпера 1 уры ферментации на 10-15 оС.режим осуществляется, когда тепла, отводимого от солнечных коллекторов, достаточно не только для обеспечения нормального температурного режима биоэнергетической установки, но появляется избыток тепла, который отводится тепловому аккумулятору, Такой режим наблюдается при максимальных значениях солнечной радиации,В этом режиме наряду с подачей тепловой энергии от коллекторов 15 к теплообменнику 35 по описанному ранее циркуляционному контуру (15-31-30-26-35- 19-27) осуществляется передача тепла посредством циркуляционного насоса 20 тепловому аккумулятору, При этом клапаны 34 и 32 открыть 1. Движение теплоносителя осуществляется от солнечных коллекторов 15 через вентиль 34 к нижним секциям теплообменника 17 аккумулятора 16 и через вентиль 32 - обратно к солнечным коллекторам.1 И режим устанавливается при низких значениях солнечной радиации, когда солнечные коллекторы не обеспечивают на выходе необходимые температуры теплоносителя и температура бака-аккумулятора выше температуры нормального теплового режима процесса сбраживания биомассы.В этом режиме тепловой аккумулятор является источником энергии. Теплоноситель "посредством циркуляционцого насоса 19 через управляемые вентили 26 и 28 подается в теплообменник 35 биореактора 1 и через вентиль 29 возвращается обратно, Все остальные вентили при этом закрыты,й режим наблюдается при нарушении нормального режима по уровню солнечной радиации и скорости ветра, когда тепловой аккумулятор не способен обеспечить потребности в тепловой энергии системы обогрева биореактора, В такой период тепловые нагрузки установки покрываются за счет сгорания биогаза, выработанного биореактором, в дублирующем источнике 14, Биогаз в установку поступает через вентили 10 и 11 и редуктор 9 из газгольдера 7. Циркуляция теплоносителя, нагретого за счет сгорания биогаза в источнике 14 производится по контуру, образованному последовательно вентилем 33, теплообменником биореактора 35, насосом 19, вентилями 23 и71. Все остальные вентили, как прагило, закрыты,Переход к Ч режиму осуществляетсяпри подключении в качестве дублирующего источника тепловой энергии двигателя-генератора, Для повышения КПД установки автономного энергоснабжения в этом случае предусматривается присоединение к циркуляционному контуру Я режима (от крыты вентили 33 и 23) контура охлаждениядвигателя-генератора 38. При этом открываются вентили 22 и 25 и закрывается вентиль. 21, Охлажденный теплоноситель из теплообменника 35 поступает в контур охлажде 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ния двигателя-генератора, где происходит передача теплоты, освобожденной при работе двигателя. В результате теплоноситель нагревается и далее через вентиль 22 возвращается в источник 14 для последующего подогрева до требуемой температуры, обеспечивающей режим ферментации.И режим работы системы теплоснабжения устанавливается, когда имеется возможность частичного использования тепла, вырабатываемого солнечными коллекторами, и температура на выходе из них не соответствует температуре ферментации биомассы. В этом случае открыты вентили 33, 27, 31, 24 и 21, остальные закрыты. Охлажденный теплоноситель из теплообменника 35 через вентиль 27 поступает в блок солнечных коллекторов, частично нагревается до промежуточной температуры и через вентили 31, 24 и 21 направляется для доведения до требуемой температуры в дублирующий источник теплоты 14.При работе в этих условиях двигатель- . генераторной установки предусматривается присоединение к данному циркуля ционному контуру контура охлаждения двигателя. При этом вентили 22 и 25 открываются, а вентиль 21 закрывается.При температуре бака-аккумулятора 16 ниже температуры падающей линии, обеспечивающей требуемый режим метанового сбраживания биомассы, но выше температуры охлажденного теплоносителя (например, при получении тепла от термоэлектрического нагревателя в результате работы ветроэнергетического агрегата), в системе теплоснабжения предусматривается также следующий режим. Охлажденный теплоноситель через вентиль 29 поступает в нижние секции теплового аккумулятора 16, а из верхних секций с более высокой температурой через вентили 28, 30, 24 и 21 направляется в источник 14 для последующего нагрева до требуемой температуры и подачи через вентиль ЗЗ в теплообменник биореактора. Все осталь 17776415 10 15 20 25 30 35 40 50 ные вентили закрыты. Если в рассматриваемом режиме работает двигатель-генераторная установка, то присоединяется контур охлаждения через вентили 22 и 25, вентиль 21 при этом закрывается.Оптимальный температурный режим.необходимый для брожения биомассы, регулируется напором теплоносителя управляемыми вентилями.Функционирование системы электроснабжения определяется параметрами солнечной и ветровой активности, энергетическими потребностями биогазовой установки и внешних потребителей. При работе ветроэнергетического агрегата 42 в номинальном режиме, управляемого стабилизатором частоты 59, электрическая энергия от асинхронного генератора через контакты 43 поступает на общие шины переменного тока 41, Г 1 ри избыточном энергобалансе электроэнергия поступает через контакты 44 и 46, выпрямитель 45 и общие шины постоянного тока 47 на заряд аккумуляторной батареи 51, процессы заряда-разряда которой устанавливаются устройством 52, и через термоэлектрический нагреватель 18 - в тепловой аккумулятор 16, Энергопроизводител ьность фотоэлектрического генератора 48 определяется величиной солнечной радиации, приходящей на рабочую поверхность батареи, При повышенной солнечной активности фотоэлектрический генератор 48, управляемый устройством слежения за точкой максимальной мощности 60, работает на общие шины постоянного тока 47, при этом электрическая энергия в зависимости от текущего состояния накопителя 51 поступает на подзарядку аккумуляторных батарей 51, либо через инвертор 55 передается на общие шины переменного тока 41,В случае низкой солнечной и ветровой активности электрические потребности злектроприемников биоэнергетической установки. приводов мешалки 57, компрессоров 2 и 58, циркулгщионных насосов 19 и 20, приводов подачи и измельчения исходного субстрата и внешних потребителей обеспечиваются в первую очередь за счет разряда аккумуляторной батареи 51. В качестве внешней электрической нагрузки могут использоваться оборудование для обработки и производства сельскохозяйственных продуктов, коммунально-бытовые потребители, устройства приготовления кормов, различные механизма животноводческих ферм и т.п..При достижении критической точки разряда аккумуляторной батареи, когда электровыработки ветроагрегата и фотоэлектрического генератора недостаточно для покрытия потребностей установ. ки в электрической энергии, происходит включение двигатель-генераторной установки. Генератор перел 1 енного тока, приводимый в движение двигателем, работающим на биогазе, вырабатывает электрический ток, который через коммутационное устройство 40 подается на общие шины переменного тока 41, а через них распределяется собственным потребителям биознергетической установки.В зависимости от солнечной и ветровой активности обеспечение электроэнергией может осуществляться либо полностью от двигатель-генераторной установки, либо путем его частичного использования для покрытия электрических нагрузок части потребителей.При работе установки учитывается большое количество метеорологических, теплотехнических и электрических параметров, которые являются первичными сигналами для оперативного переключения различных энергоисточников систем тепло- и электроснабжения. Координация работы источников и обеспечение нормируел 1 ых параметров электрической и тепловой энергии вследствие флуктуаций ветра и инсоляции осуществляется системой управления 61,Такил 1 образом, установка вырабатывает электроэнергию, избытки которой накапливаются в аккумуляторной батарее, получает тепло и аккумулирует его в баке-аккумуляторе для продления работы установки в периоды недостаточной солнечной радиации, вырабатывает биогаз, обеспечивающий работу установки в периоды отсутствия солнечной радиации и ветровой активности и уменьшения тепловой энергии в баке-аккумуляторе, и электрической энергии в аккумуляторной батарее, что и является ее положительным эффектом и обеспечивает высокую функциональную надежность. Формула изобретения Установка автономного энергоснабжения, содержащая систему получения и хранения биогаза с газораспределительным модулем, систему теплоснабжения, включающую в себя дублирующий источник теплоты, подключенный к газораспределительному модулю, бак-аккумулятор и солнечный коллектор, связанные друг с другом и с системой получения и хранения биогаза при помощи узла тепло- распределения, систему электроснабжения, имеющую ветроэнергоагрегат и шины переменного и постоянного тока. и систему1777641 Составитель В,ЛыжкоТехред М.Моргентал Корректор А,Мотыль Редактор Заказ 4133 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 управления работой элементов установки, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения функциональной надежности, установка дополнительно содержит фотоэлектрический генератор, термоэлектрический нагреватель, установленный в баке-аккумуляторе и подключенный к генератору через шины переменного и постоянного тока, и двигатель-генератор, связанный с газораспределительным модулем, имеющий контур охлаждения, сообщенный 5 через узел теплораспределения с системойтеплоснабжения, и подключенный к шинам переменного тока.