АВТОНОМНОЕ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ СУДНА
Не солнечные батареи! Не ветряки! Без топлива. Решение для любого климата.
Проблема энергообеспечения судна на основе возобновляемой энергии.
Широко известные решения по обеспечению различных судов энергией на основе возобновляемых источников («зеленой энергией») имеют два ключевых недостатка:
- Во-первых, прерывистый характер поступления энергии, приводящий к затратам на её аккумулирование и снижению среднего показателя эффективности;
- Во-вторых, количественные показатели, с учетом необходимости обеспечить запас энергии на время прекращения её поступления, таковы, что отношение полезной площади к площади занятой источниками энергии крайне неэффективно, особенно в условиях средней полосы и Севера России;
По названным причинам, солнечные батареи, ветровые установки и т.п., могут служить энергосберегающими технологиями, но не могут выступить в качестве базового источника тепловой энергии в наших условиях.
Решение
Решение состоит из объединенных в единую систему двух контуров циркуляции фреонов - первый контур - теплнасос, в котором фреон сжимается компрессором и выделяет тепло "собранное" из акватории, а потом декомпрессируется с резким охлаждением; второй контур - "конденсационная турбинная установка" в которой циркулирует фреон разогреваемый от конденсационной части и охлаждаемый от испарительной части первого контура - теплонасоса. В третьем контуре, предназначенном для отопления циркулирует теплоноситель. Первый контур - теплонасос + контур отопления может использоваться самостоятельно.
Первая часть решения состоит в использовании на судне (плавучем доме, hausboat, или другой тип судна) Теплового Насоса отбирающего тепловую энергию из акватории плавания (первый контур) . Испарительная часть теплового насоса может быть реализована как в виде разного рода теплообменников закрепленных на днище (водоизмещающей части) судна, так и в виде двойного корпуса.
Тепловой насос представляет собой достаточно широко известное устройство, принцип действия которого наиболее знаком на примере холодильника. В случае теплового насоса, «холодная» часть находится не в замкнутом пространстве холодилника, а сообщается со средой, из которой получает тепло. Перенос тепла осуществляется за счет использования термодинамических процессов происходящих при изменении давления и смене агрегатного состояния вещества – циклического превращения газа в жидкость при помощи компрессора и последующее испарение жидкости в участке с пониженным давлением.
Тепловые насосы, предназначенные для отопления частных домов, представлены на рынке и промышленно выпускаются несколькими фирмами, например Vaillant, получив особенно широкое распространение в странах северной Европы.
Один из важнейших параметров обеспечивающих эффективность теплонасоса – эффективный теплообмен с достаточно энергоемкой средой. При этом вода (водоем, подземные воды) считаются оптимальным источником низкопотенциальной энергии. В частности, за счет активного перемешивания и смены масс воды контактирующего с теплообменником.
Термодинамическая система сложна в расчетах, но имеются следующие "прикидки" - упрощенный пример расчета при определенных граничных условиях.
Известные данные, содержат информацию, что при температуре акватории выше 0 оС эффективность теплонасоса (с испарительной частью в воде), выраженная как отношение полученной тепловой энергии в кВт часах, к затраченной в кВт часах электроэнергии (на привод компрессора), может быть обеспечена равной коэффициенту 4,5. Что означает, при затратах 7 кВт/час электроэнергии на компрессор и соответствующем размере теплообменника (и прочих количественных характеристиках), будет получено 31,5 кВт/час тепловой энергии. Такое количество энергии заведомо избыточно для отопления помещений в пределах 80 кв. метров, которое комфортно размещается на платформе 19х8 метров, обеспечивающей размещение подводного теплообменника соответствующей площади. Для таких помещений достаточно менее 4,5 кВт/час тепловой энергии, что означает менее 1 кВт электрической энергии на привод компрессора.
Таким образом, тепловой насос может использоваться как часть энергосистемы плавучего дома, решающая вышеназванные две проблемы, обеспечивая непрерывное, в отличие от солнечной или ветровой энергии, снабжение дома тепловой энергией, при этом снижая требование к энергообеспечению со стороны источников электрической энергии (солнечных, ветровых и т.п.), до пределов, которые могут быть обеспечены при соответствующих размерах объекта, в частности, плавучего дома.
Вторая часть решения состоит в использовании дополнительного контура циркуляции отдельного хладагента (фреона) с другими характеристиками температуры кипения и давления.
Задача этого контура – преобразовать «излишнюю» тепловую энергию вырабатываемую в первом контуре (тепловом насосе) в полезную электрическую энергию.
В современном ассортименте фреонов имеются такие, которые обладают достаточно высокой температурой кипения (и конденсации) при небольшом давлении. Это позволяет создать контур, который будет использовать кипение и конденсацию фреона как источник создания разницы давления и создания направленного движения газов способного совершать работу.
При этом контур теплового насоса используется для создания разницы температур – как источник тепла для нагрева и доведения до кипения фреона во втором контуре (теплообменник с конденсационной частью теплонасоса, после сжатия компрессором, температурой около +60 оС ), так и для охлаждения отработанных газов и их конденсации (теплообменник с испарительной частью теплонасоса, после дроссельного клапана, температурой около -15 оС).
Принцип действия второго контура активно применяется в конденсационных турбинных электрогенерирующих установках использующих воду и водяной пар по замкнутому циклу. Такие установки нашли широкое применение и доказали свою эффективность в промышленных масштабах.
Эффективная работа паровой турбины конденсационного типа зависит прежде всего от разницы давления на входе и выходе. Рабочим режимом считается разница давления при отношении 3/1. Такая разница давления и более достигается при использовании определенной марки фреона, создающего аналог "перегретого пара" при температуре +50 и активно конденсирующегося при температуре +5. При тех количественных показателях, которые обеспечивает вышеупомянутый плавучий дом на платформе 19х8 метров, есть основания полагать, что турбина конденсационного типа способна обеспечить выработку электричества в количестве более 7 кВт в час. Что позволяет запитать компрессор 7 кВт и замкнуть систему энергообеспечения, направив «побочное» для процесса выработки электричества тепло на отопление дома.
Варианты применения решения
1. Плавучие дома повышенной экологичности и автономности, не требующие затрат на отопление и подключение к внешним энерго сетям. Могут использоваться, в частности, для организации системы «кластеров» плавучих «коттеджных поселков».
2. Спасательные и административные судна и посты, «ковчеги», имеющие потребность в обеспечении автономности и независимости от поставок топлива для обеспечения жизни в условиях средней полосы и севера России.
3. Автономные суда-беспилотники, количественные показатели выработки электроэнергии в отношении к объему водоизмещающей части которых, позволяют относительно тихоходно, но без затрат топлива, циркулировать по морским и другим водным маршрутам.
4. Суда, в том числе подводные, имеющие задачу обеспечить максимальную продолжительность автономного плавания.
5. Системы энергообеспечения прибрежных территорий.
Изображение Jet Capsule UFO 2.0 — плавучий дом в виде летающей тарелки.
Защита прав.
Получены два патента РФ.
и