Снижение себестоимости многовариантной выработки электроэнергии путем использования наиболее выгодного на данный момент варианта выработки

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для энергоснабжения потребителей. Техническим результатом является повышение надежности энергосистемы и энергоснабжения потребителей и расширение диапазона многовариантной выработки и когенерации электроэнергии. Снижение себестоимости многовариантной выработки электроэнергии обеспечивается средствами использования энергии и когенерации (преобразование тепловых отходов в энергетике в электроэнергию и отопление) электричества на месте у потребителя, которая позволяет мелкому потребителю выбирать между одним или несколькими видами первичной энергии из числа имеющихся источников энергии, в целях снижения совокупных капитальных и эксплуатационных затрат для удовлетворения потребностей в собственной нагрузке. Учитываются самые выгодные в данный момент возможности экономии путем снижения собственной нагрузки и/или возможности заработать деньги путем экспортирования в сетевое электроснабжение - когда рыночные цены на электричество высокие, и/или получить выгоду от платежа на поддержание сети и от вспомогательных услуг, если таковые имеют место. Для работы, для которой требуется высокий уровень надежности, предоставляется возможность получения нужного уровня надежности для работы на месте у потребителя, без дополнительных затрат на дублирующие линии подключения электроснабжения и без дорогостоящих резервных средств выработки энергии. 14 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Реферат

Изобретение относится к обладающему новизной техническому решению применения средств преобразования энергии и выработки электроэнергии на месте у потребителя, которое снижает полную стоимость энергопользования потребителем, повышает надежность энергоснабжения для потребителя, может также повысить надежность энергосистемы. Изобретение расширяет диапазон многовариантной выработки и когенерации (преобразование тепловых отходов в энергетике в электроэнергию и отопление) путем снижения и первоначальных капитальных затрат, и значительной надбавки эксплуатационных затрат при осуществлении (преобразование тепловых отходов в энергетике в электроэнергию и отопление) электроэнергии на месте у потребителя. Осуществление этого изобретения позволяет конечному пользователю принимать конечное решение о выборе использования электричества или другого первичного топлива для удовлетворения значительной части потребности в энергии у себя на месте, исходя из ценовой разницы на соответствующих энергетических рынках.

Уровень техники

На ранних этапах развития электроснабжения надежность системы электроснабжения была низкой по сегодняшним нормам, и вследствие этого потребители, для которых надежность имела большое значение, например - больницы, многоэтажные офисные здания и пр., имели резервные средства выработки электроэнергии для собственного использования, если сетевое снабжение нарушалось или по какой-либо причине отсутствовало. Это было причиной значительных первоначальных капиталовложений, и эксплуатационные расходы по содержанию резервной установки выработки электроэнергии были выше по сравнению с себестоимостью электричества, поставляемого из энергосистемы (в которой действующие тарифы в основном основаны на стоимости снабжения электростанции базисной нагрузки, работающей близко к предельной себестоимости, с небольшой надбавкой для компенсирования небольшой части энергии, поставляемой средней и пиковой электростанцией по более высокой стоимости).

Электростанции базисной нагрузки и другие крупные предприятия выработки электроэнергии обычно имеют кпд по топливу от 25 до 50%. С введением вторичных контуров утилизации тепла, например, за счет повышения пара среднего давления и/или при помощи экономайзеров для нагрева поступающей в котел воды, появилась возможность использования сбрасываемого тепла первичного контура, чтобы повысить кпд по топливу станции приблизительно до 70%. Известно, что за счет использования сбрасываемого низкотемпературного тепла из конденсатора или использования выхлопных газов первичного движителя можно повысить кпд еще приблизительно до 80%. За исключением некоторых европейских технических решений (напр., окружные схемы отопления) электростанции базисной нагрузки в основном располагались вблизи источников топлива, например рядом с угольными шахтами, где имеется мало возможностей утилизации сбрасываемого низкотемпературного тепла. С введением комплексных газовых турбин и с открытием данной отрасли для независимых энергопроизводителей вновь появился интерес к когенерации. Эти средства когенерации включают в себя совместное использование пара котла/паровых турбин, где часть пара после первой ступени турбины (которая приводит в действие генератор) отбирается для использования в потребительских производствах, либо сбрасываемое тепло газовой турбины используется для обеспечения пара для паровой турбины; и/или низкотемпературное тепло выхлопного газа используется для обеспечения горячей воды потребителю. На стоимостные показатели синергетически влияли: одновременное использование котла для обеих потребностей и комбинация закупки и складирования топлива. Но с учетом того, что размеры установок были меньше станции базисной нагрузки (потеря экономии масштаба), и с учетом дополнительной стоимости транспортирования/складирования топлива по сравнению со стоимостью топлива для станции базисной нагрузки (по оптовым ценам) вариант когенерации был экономичным только в нескольких случаях. Исключениями были такие предприятия, как нефтеперерабатывающие, где топливо было внутренним побочным продуктом, трудно продаваемым для иного использования, и/или где надежность электроснабжения для производства была крайне важной. В последние годы повысившаяся доступность природного газа и существенное снижение стоимости, и расширившийся с точки зрения их габаритов ассортимент газовых турбин для выработки электроэнергии обусловили небольшое увеличение (большое увеличение в процентах, но с очень низкого исходного уровня, так что по приблизительным оценкам таких случаев в Австралии всего было менее 100) использования когенерации в основном в диапазоне от 1 до 20 МВт.

Перестройка энергетической отрасли привела к созданию совместных рынков, где электричеством и газом торгуют в реальном времени в зависимости от соотношения предложения и спроса. На большинстве этих рынков действуют клиринговые цены, приближенные к реальному времени. Образующиеся при этом цены, особенно на электричество, были очень подвижными. Хорошая доступность недорогого природного газа стала причиной большего использования газовых турбин для выработки электроэнергии, с последующими усовершенствованиями конструкции газовых турбин и снижением их себестоимости. В Англии, которая одна из первых стала перестраивать энергетику и которая также имеет развитый рынок природного газа, появились специализированные станции, работающие по принципу частичного удержания (которые за особую плату преобразуют газ в электричество) и наличие которых дает возможность выбора цен на потребительских рынках электричества и газа.

Поскольку упомянутые события произошли только в ограниченном масштабе, они не сказались сильно на состоянии рынка электричества, где цены продолжают быть быстро колеблющимися. До настоящего времени у мелких потребителей не было возможности участвовать в этих явлениях, и в значительной степени мелкие потребители остались зависимыми от рыночной электроэнергии крупных производителей и монопольных операторов сетей. Необходим именно недорогой вариант, который осуществит нужные аспекты резервной выработки электроэнергии, когенерации и станций, работающих по принципу частичного удержания мощности; и нужно сделать такие варианты экономически жизнеспособными даже для таких мелких потребителей, как жилые дома. Чтобы провести различие между этим техническим решением от других известных схем выработки электроэнергии, настоящее изобретение предлагает «наиболее выгодную в данный момент выработку электроэнергии» в качестве очень целесообразного массового рыночного применения. Применение этого изобретения даст потребителям наиболее выгодную в данный момент электроэнергию [opportunity power™] (зарегистрированный товарный знак Австралии), чтобы гасить чрезмерные ценовые скачки на объединенных энергетических рынках, что является жизненно необходимым для обеспечения эффективного энергетического рынка. Патент Австралии № 748800 (Perera) на “Method to enable customers to respond to prices in a pool type energy market”, содержание которого полностью включено в данное описание в качестве ссылки, раскрывает способ торговли энергетическими единицами и систему, которая осуществляет текущий контроль и управление использованием энергии и заменяющими энергию устройствами на месте у пользователей в целях обеспечения предпочтительного результата торговли. Одно из его осуществлений предусматривает использование заменяющих энергию устройств для энергоснабжения из источника, не являющегося сетевым, или предусматривает направление нагрузки с места потребителя после изолирования ее от сетевого снабжения; либо предусматривает прохождение и нагрузки, и источника энергии параллельно сетевому снабжению, если не затруднено согласование частоты.

Изобретение относится к обладающему новизной способу, одно из реализаций которого можно использовать этим энергодополняющим/энергозаменяющим образом, и полная стоимость которого существенно ниже, чем у обычной резервной выработки электроэнергии, когенерации или у средств накопления энергии; и этот способ обеспечивает экономичную возможность выбора источника электричества на основе рыночных цен на электричество, природный газ или др. виды топлива.

Исследования оценки потребителями важности высокой надежности снабжения (меньшее число отключений и/или меньшая совокупная длительность отключения в течение определенного срока) последовательно показали, что мелкие (и многие сельские) потребители намного меньше ценят высокий уровень надежности снабжения, и что коммерческие/некоторые крупные потребители ценят его намного выше. В действительности «предпочтение потребителя» заключается в том, чтобы потребитель имел «возможность» решать, пользоваться ли ему электричеством, в зависимости от существующей на момент использования цены, и чтобы ему не приходилось платить слишком высокую цену за высокий уровень надежности - часто значительно более высокую цену, чем ценность, придаваемая пользователем этому высокому уровню обслуживания. Способ согласно патенту Австралии № 748800 позволил потребителю оставить пользование заранее определенным количеством электричества и дал возможность продавать это количество обратно поставщику по преобладающей объединенной цене, но выгода при этом будет невелика, если наступление события высокой объединенной цены произойдет в течение времени, когда договорное потребительское количество используемой энергии на это время было небольшим. Наличие средств выработки собственного электричества означает, что возможность выгоды из события высокой объединенной цены не ограничена характеристиками договорного пользования. Одна из целей изобретения заключается в обеспечении даже мелких потребителей вариантом, который повысит выгоды от применения тарифов реального времени и от систем поддержания согласно патенту Австралии № 748800.

Один из аспектов перестройки энергоснабжения заключается в том, чтобы открыть рынки торговли электричеством, и подразумевает взаимное соединение ранее разрозненных участков энергоснабжения, обслуживавшихся их определенными вертикально выстроенными монопольными поставщиками электричества. Эти разрозненные участки снабжения характеризовались тем, что имели крупные станции, обычно расположенные вблизи первичных источников энергии, со средствами доставки выработанного электричества конечным потребителям системой линий передачи и распределения. Эти сети не предназначались для транспортирования крупных количеств энергии через весь участок снабжения, а для транспортирования электроэнергии от источника ее выработки к пользователям к концу линий передачи/распределения. В большинстве случаев средства поставки к границам участков снабжения были рассчитаны только на поставку, как правило, небольшой местной нагрузки в данном пограничном участке. Помимо этого системы сети были рассчитаны на то, чтобы дополнять полный комплект станций в охватываемом участке, и в силу этого подразумевалось, что разносторонность вырабатывающих электроэнергию предприятий восполняла нехватки в сети, т.е. сети были рассчитаны, созданы и эксплуатировались на основе обслуживания данного набора потребителей по наименьшей стоимости, в контексте совокупной энергосистемы в обслуживаемом участке снабжения.

С наступлением конкуренции в области выработки электроэнергии в более широком регионе, который является совокупностью прошлых участков монопольного снабжения, каждая энергетическая компания теперь старается добиться наилучшего финансового результата путем поставки на новый объединенный клиринговый рынок, отказа ему в поставках (напр. - обслуживание по графику), или путем переключения поставок (где допускаются двухсторонние контракты) из него. В настоящее время нагрузка на пропускную способность сетей повысилась по сравнению с прошлым, и часто используется резервирование сети, которое предназначалось для обеспечения надежности снабжения. Также по причине объединения запасных генерирующих мощностей теперь повысилась вероятность больших колебаний потока мощности, в результате чего магистральные ЛЭП в энергосистеме работают с повышенной напряженностью. Поскольку электроэнергия идет в ячеистых системах (допускается несколько параллельных маршрутов потока) по пути наименьшего сопротивления и сопротивление линии/трансформатора (включая полное сопротивление с реактивной/емкостной индуктивной составляющей) изменяется с температурой среды и перетоками мощности, взаимно соединенные системы энергоснабжения более подвержены авариям, чему свидетельствуют недавние многочисленные аварийные перерывы в США/Канаде (август 2003 г.), Окленде в 1998 г. (39 дней), в Италии в сентябре 2003 г., Швеции-Дании в 2003 г. и др., затронувшие миллионы потребителей; причем в некоторых случаях до полного восстановления для всех пострадавших потребителей потребовалось несколько дней.

Также возникают ситуации, когда рост нагрузки опережает требовавшееся наращивание сети, вследствие чего снабжение становится неустойчивым (при отсутствии резервирования мощности выход из строя одного компонента приводит в остановке снабжения) в некоторые периоды очень высоких нагрузок или после нарушения на линии или отключения генератора. Эти примеры налагаемых на сеть ограничений или неустойчивого снабжения дают отрицательные последствия для обеспечения надежного снабжения потребителям, и они также могут сказаться на объединенных ценах. В некоторых юрисдикциях катастрофический выход из строя энергосистемы предотвращают путем сброса нагрузки, чтобы восстановить требуемый уровень резервирования в сети, но такие способы равнозначны признанию этой юрисдикцией того, что рыночные механизмы не в состоянии (и/или того, что регламентирующие положения допускают недосмотр в деле должного наращивания сети) гарантировать всегдашнее равновесие спроса и предложения. Патент Австралии № 748800 излагает способ, позволяющий оператору сети ввести надбавку к цене сверх стимула объединенной цены для спросного реагирования, тем самым, обеспечивая дополнительный стимул для потребителей в этих страдающих районах, чтобы участвовать в управлении нагрузкой и, тем самым, восстановить нужный уровень резервирования сети. Настоящее изобретение путем снижения полной стоимости собственных пользовательских средств выработки электроэнергии повышает возможности даже мелких потребителей прибыльным образом участвовать в этом спросном реагировании.

Оценки капитальных затрат и стоимости топлива

Кпд генератора по топливу только один из факторов, определяющих цену с доставкой электричества конечному потребителю. Необходимо рассмотреть стоимость топлива, поставляемого для генератора. В случае работающих на угле станций, находящихся вблизи угольных шахт (напр. - бурый уголь в шт. Виктория поступает из открытых разработок в пределах транспортерного расстояния от станции), стоимость топлива для выработки одной единицы электричества может быть существенно ниже, чем для другого источника топлива. Ближайшие и долгосрочные показатели предельных издержек выработки электроэнергии в Австралии приводятся ниже в таблице 1, взятой из исследования ACIL Tasman “RMC and LRMC of Generators in the NEM - A Report for the IRPC and NEMCO” (апрель 2003 г.), и включены в данный документ в качестве ссылки.

Таблица 1
Ближайшие и долгосрочные показатели предельных допустимо высоких издержек выработки электроэнергии в Австралии
Каменный уголь (Квинс Ленд) Бурый уголь (Виктория) Комбинир. газовый цикл (Виктория) Открытый газовый цикл (Виктория) Открытый газовый цикл (Виктория)
Установленная мощность (МВт) 450 500 385 100 100
Установленная стоим. (тыс. долл.) 630 900 385 50 50
Коэфф. загрузки 85% 90% 70% 5% 10%
Стоим. топлива (долл./ГДж) 0,75 0,38 3,15 5,00 5,00
Кпд по топливу 40% 28% 49% 29% 29%
Стоим. топлива (тыс.допл./МВт·ч) 6,78 4,87 23,14 62,06 62,06
Капитал. затраты (тыс.допл./МВт·ч) 15,77 19,15 12,58 86.35 43,17
Полная стоим. (тыс.допл./МВт·ч) 31,42 33,60 43,77 183,47 126,77
Цены 2001/02 гг.

При типичных коэффициентах загрузки разных типов станций стоимость топлива (основанная часть предельных допустимо высоких издержек выработки электроэнергии) самая низкая для станций, работающих на буром угле, и стоимость топлива для газовых турбин более высокого кпд почти в четыре раза дороже. Хотя установленная стоимость (компонент капитальных затрат) газотурбинного генератора по существу ниже, чем для работающих на угле станций, но полная стоимость (долл./МВт·ч) все же почти на треть больше для обоих типов станций, работающих на угле. Это объясняется тем, что газовые турбины обычно используются в качестве средней/пиковой станции по причине их более легкого пуска/остановки, и также по причине большего объема технического обслуживания, и поэтому они работают с относительно более низким коэффициентом загрузки. Повышающееся благосостояние потребителей и растущая ценовая доступность бытовых электроприборов, таких как кондиционеры, совместно повышают пиковость годовой нагрузки системы: показано кривой графика 1 длительности пиковой нагрузки для шт. Виктория в 2002 г.

Максимальный региональный спрос в шт. Виктория в 2002 г. составил 7581 МВт, было всего 82 получасовых периода, когда спрос превышал 7000 МВт. Это означает, что менее 42 часов в год необходимо работать с производительностью 581 МВт, и этот показатель действительно представляет собой тяжелую финансовую нагрузку.

На Австралийском национальном рынке электричества (в настоящее время: 10000 долл./МВт·ч) растет спрос на существенное увеличение верхнего уровня текущей объединенной цены, чтобы имелся достаточный финансовый стимул для новых капиталовложений в пиковую станцию, которой придется работать только несколько часов в год.

Известный уровень техники

Поскольку уровень надежности сетевого энергоснабжения постепенно повышается, резервные производственные мощности постепенно начинают рассматриваться как ненужный расход. Теперь можно иметь большее число целевых резервных видов снабжения, таких как непрерывное электропитание для компьютеров и/или страховочный аккумулятор/конденсатор либо с инверторной системой для преобразования переменного тока, либо с самостоятельной, как для электронных часов, встроенных в бытовых электроприборах. Дилемма в отношении доведения до максимума использования резервных генераторов заключается в том, что несмотря на то, что они в состоянии реагировать на высокие объединенные цены (автоматически, если используется способ согласно патенту Австралии № 748800), но дополнительные капитальные затраты на генераторную установку продолжают оставаться финансовым бременем.

Когенерация, хотя и мотивируется в первую очередь выгодами повышенного кпд по топливу, также считается обеспечивающей дополнительную надежность снабжения, так как при этом есть возможность использовать сетевое снабжение в качестве резервного источника электроэнергии, если генератор совместной выработки энергии по какой-либо причине не будет доступным. Объединенный рынок отличается тем, что цены на электричество большей частью низкие, так как они определяются крупными генераторами базисной нагрузки, предельно допустимая высокая себестоимость которых низкая. Изредка бывают всплески очень высоких цен, когда генераторы более высокой стоимости, запрашивающие очень высокую цену, также нужно ввести в работу, чтобы удовлетворить потребности в нагрузке. График 2, приводимый ниже, показывает кривую ценовой длительности и региональную получасовую цену на электричество в шт. Виктория в 2002 г. В 2002 г. насчитывалось 28 получасовых периодов, когда цены превышала 1000 долл./МВт·ч; 169 получасовых периодов, когда цена была выше 100 долл./МВт·ч.

В 12,8% времени цены были выше 40 долл./МВт·ч, и в 32,9% цены были выше 30 долл./МВт·ч. При том, что использование угля для небольших систем энергоснабжения непрактично, и цена газа, поставляемого по распределительной системе розничным потребителям, может существенно превышать цену газа, поставляемого на станции по магистральным трубопроводам, число примеров когенерации было небольшим и редким. Когенерация успешна тогда, когда сеть передачи или распределения предлагает оплату на поддержание сети (на основе экономии капитальных затрат в отсроченных капиталовложениях, чтобы устранить ограничения сети), и/или когда используемое топливо является побочным продуктом основной деятельности или в ином случае имеет небольшую стоимость в альтернативном использовании, например в случае использования выжимок сахарного тростника.

Пример известной системы когенерации излагается в патенте США № 6525431, объектом которого является система когенерации для жилого или коммерческого здания, представляющая собой систему, содержащую емкость воды, причем система утилизирует вторичное тепло от двигателя цикла Стерлинга и обеспечивает средства снижения вибрации и шума от работающего двигателя. Еще одно указываемое в этом патенте преимущество заключается в том, что емкость для охлаждающей воды и сама охлаждающая вода используются для вторичного теплообмена и как средство уменьшения шума и вибрации от работающего двигателя.

В настоящее время значительное внимание уделяется другим новым технологиям совместной выработки электроэнергии, таким как топливные элементы, которые позволяют совместно вырабатывать электричество, воду и тепло фактически без сгорания поступающего водородного топлива. На предварительном этапе природный газ (содержащий в основном метан) превращают в водород с выделением углекислого газа - хотя и более эффективно, чем при сжигании другими средствами. По словам сторонников этого способа кпд преобразования энергии составляет от 50 до 70% в комбинированном методе.

В докладе Бюджетной комиссии Конгресса США под названием «Перспективы многовариантной выработки электричества» (сентябрь 2003 г.) приводится сравнительная таблица Выровненной стоимости некоторых технологий, целесообразных для многовариантной выработки электроэнергии применительно к США; с этой таблицей можно ознакомится по адресу http://www.cbo.gov/showdoc.cmf?index=4552&sequence=0; и содержание этого доклада входит в данный документ в качестве ссылки.

КТЭ - комбинированные тепло и энергия (также для данного понятия используется термин «когенерация»); ДВС - двигатель внутреннего сгорания.

Выровненная стоимость представляет собой среднюю стоимость электричества (цент/кВт·ч) в течение срока службы вырабатывающего электричество оборудования. Будущие затраты и выходные потоки основаны на данных таблицы 2, со скидкой в 7% от их сегодняшних значений. Оценки стоимости исходят из того, что системы, работающие на ископаемом топливе, будут действовать в течение 90% времени, и что системы, работающие от энергии ветра и солнечной энергии, будут действовать в течение 40 и 27% времени, соответственно.

Сравнения выровненной стоимости не включают в себя эффекты налоговых льгот или др. прямых субсидий для определенных технологий.

«Крупные ветровые турбины» не включены в эти данные (как в табл.2), т.к. они в основном не считаются достаточно целесообразными для совместной выработки электроэнергии (обычно они не расположены вблизи потребителей).

а. В системе комбинированного цикла турбина сгорания работает совместно с паровой турбиной. Эта система включена в упомянутую таблицу как исходный пункт для стоимости электроэнергии от новых крупных генераторов. Затраты на передачу и распределение в среднем прибавят 2,4% на кВт·ч к предельной допустимо высокой себестоимости поставляемой электроэнергии.

Этот доклад дает следующий вывод. «Генераторы двс, включая двигатели дизельного цикла и двигатели электрического зажигания, являются наиболее распространенной технологией обеспечения резервной электроэнергии в целях надежного снабжения или аварийного снабжения. Диапазон этих установок: от 5 кВт до 7 МВт. Они могут сжигать продукцию нефтепереработки (дизельное топливо и бензин) или природный газ. Работающие на природном газе модели имеют очень низкий уровень выбросов благодаря улучшенному процессу сгорания и использованию каталитических преобразователей. Себестоимость киловатта установленной мощности для установок с производительностью, отвечающей многовариантной выработке электроэнергии, одна из самых низких среди всех действующих технологий. Трудность этих систем заключается в том, что повышение кпд использования топлива и льготы, получаемые по «углеводородным кредитам» или по др. мероприятиям, недостаточны для компенсирования повышенной стоимости топлива (бензин, дизельное топливо, сжиженный нефтяной газ или продаваемый в розницу природный газ) на уровне мелкого розничного потребителя. Средняя цена розничного природного газа в 2002 г. для коммерческих потребителей в шт. Виктория составляла около 5 долл./ГДж, и для бытовых потребителей (мелких пользователей) цена составляла около 10 долл./ГДж (Источник: Energy for Victoria - Dept of Natural Resources & Environment 2002). Как указано в приводимой выше таблице 1, стоимость поставляемого природного газа для газовой турбины открытого цикла пиковой электростанции (ГТОЦ) составляла около 5,00 долл./ГДж, и 3,15 долл./ГДж для газа, используемого в газовых турбинах комбинированного цикла (ГТКЦ) в большинстве станций. Поскольку ГТКЦ имеют эффективность по топливу около 50%, поэтому при применении на розничном уровне, чтобы быть конкурентоспособными, они должны обеспечивать выигрыш от новых технологий когенерации, чтобы компенсировать разность цены топлива свыше 100%. Нужно отметить, что этот выигрыш необходимо получить из эксплуатационных расходов, поскольку текущие оценки капитальных затрат на эту новую технологию когенерации не сильно отличаются от капитальных затрат на ГТКЦ - около 1000 долл./кВт. Патент США № 3935028 на “Fuel cell set and method” является примером ранней стадии разработки технологии топливного элемента, которая даже после тридцати лет достигла только очень ограниченного применения. Как указано в упомянутом докладе Бюджетной комиссии Конгресса США, выровненная стоимость производительности топливного элемента даже с комбинированным использованием тепла и электроэнергии существенно превышает среднюю цену на электричество в США и даже существенно выше выровненной стоимости использования двигателя внутреннего сгорания, работающего на природном газе, включая использование тепла и электроэнергии. Еще один недостаток этих технических решений заключается в том, что возможная производительность по электричеству ограничивается объемом полезной стабильной утилизации тепла. Выработка электроэнергии на месте дает финансовое преимущество за счет уменьшения потерь в линии, и может дать и другие преимущества, если будет применяться схема платежей на поддержание сети, но в общем итоге достаточного стимула для широкомасштабного применения этих установок не было.

Тепловые насосы используются уже много лет. В последнее время они нашли более широкое применение, особенно в областях, где пока недорогой природный газ не обеспечен. На их распространенность также влияет более широкое использование систем кондиционирования воздуха для охлаждения крупных помещений, спрос на которые имеется со стороны все большего числа состоятельных потребителей; причем разборчивые потребители выбирают кондиционеры обратного цикла, которые можно также использовать и для отопления. Поскольку эти устройства имеют кпд около 3 (кпд 300%), их предельно допустимая высокая себестоимость (около 4 центов/кВт для выработки тепла) составляет около половины эксплуатационных затрат работающих на природном газе отопительных устройств (предполагая, что газовое устройство имеет кпд преобразования около 50%). Тепловые насосы с приводом от электромотора были бы очень конкурентоспособными по сравнению с эксплуатационными затратами разрабатываемых новых маломасштабных агрегатов когенерации. С точки зрения потребителя существует дополнительная заинтересованность в возможности охлаждения крупных помещений в жаркий летний полдень. С другой стороны, первоначальные капитальные затраты на комплектные системы могут быть намного выше для обычных устройств отопления/нагрева воды, но они очень конкурентоспособны для случаев применения с небольшим числом вентиляционных выходов. Патент США № 4327561 на “High coefficient of performance heat pump” описывает устройство отопления/охлаждения крупных помещений обратного цикла, которое для теплоотвода использует землю. Патент США № 4392359 на “Direct expansion solar collector-hеat pump system” описывает устройство отопления/охлаждения крупных помещений обратного цикла, в котором кпд повышен за счет использования солнечного коллектора. Настоящее изобретение представляет собой усовершенствование и систем когенерации, и тепловых насосов; и обеспечивает возможность комбинирования целесообразных признаков обеих технологий. Также можно обеспечить те же функциональные возможности в качестве резервного генератора, но с существенно более низкими капитальными затратами и эксплуатационными расходами (в одном осуществлении изобретения, согласно которому нагрузкой привода является компрессор теплового насоса, т.к. в течение большей части времени более экономично, чтобы тепловой насос работал от сети, а не от двигателя). Изобретение обеспечивает пользователю возможность выбрать наиболее экономичное топливо, чтобы включить либо привод от электричества или первичный движитель для обеспечения внутренних потребностей в нагрузке и, в необходимых случаях, возможность экспортирования электричества в энергосистему, тем самым, получая прибыль и/или привлекая платежи на обеспечение сети, чтобы снижать перегрузку электросетей.

Патент США № 4873840 на “Energy co-generation system” описывает систему когенерации для выработки электричества, отопления и охлаждения. Компоненты включают в себя средство сгорания, котел, соединенный со средством сгорания, паровой двигатель и электрогенератор, работающий от парового двигателя. Конденсатор соединен с выходом выброса пара парового двигателя, причем конденсатор обеспечивает тепло для системы отопления и обусловливает конденсацию пара, выпускаемого из выхода сброса. Абсорбционный охладитель подключен к выходу сброса парового двигателя и предназначен для охлаждения жидкости системы охлаждения. Тепловой насос или центробежный охладитель могут также работать от выходного вала парового двигателя. Эта система когенерации также может иметь охладитель дымовых газов - для последующей теплопередачи в систему отопления.

Согласно более позднему нововведению когенерация интегрирована с тепловым насосом, в результате чего энергию вала двигателя можно использовать для привода электрогенератора или компрессора системы теплового насоса. Патент США № 6651443 на “Integrated absorption cogeneration” является одним из таких примеров способа когенерации, согласно которому:

(а) развивают мощность на валу работой топливной турбины, из которой отходят нагретые выхлопные газы;

(б) используют упомянутую мощность на валу для выработки выходной мощности, выбранной из группы, состоящей из электроэнергии или охлаждения;

(в) используют упомянутые нагретые выхлопные газы для генерирования пара путем использования их в теплообменнике с теплопередающей жидкостью, стойкой к высоким температурам;

(г) пропускают упомянутую теплопередающую жидкость через парогенератор для выработки пара, и в теплопередающей взаимосвязи с генератором абсорбционного охладителя;

(д) направляют пар из упомянутого парогенератора в паровую турбину, чтобы развить выходную мощность выходного вала, и

(е) используют выходную мощность на упомянутом выходном валу упомянутой паровой турбины, чтобы вырабатывать электроэнергию или охлаждение.

Подобно прочим системам когенерации экономическое преимущество повышенного кпд преобразования топлива описываемых выше различных турбин нередко не может компенсировать надбавку стоимости топлива турбины на уровне розничного потребителя; и в работе они более дорогостоящие, чем тепловой насос, работающий от сети. Помимо этого упомянутые системы с турбинами, работающими от пара, вырабатываемого теплом выхлопных газов, можно применять только для крупных установок мощностью свыше 1 МВт.

Прочие примеры известного уровня техники включают в себя следующие изобретения.

Патент США № 4731547 (Alenduff и др.) от 15 марта 1988 на “Peak power shaving apparatus and method”. Излагаемая в этом патенте технология использует резервный генератор, действующий параллельно сетевому электроснабжению; причем этот генератор имеет значительную первоначальную стоимость и обычно влечет необходимость применения высокой надбавки эксплуатационных затрат. Согласно этому документу выходная мощность этого резервного генератора регулируется для обеспечения энергии, требуемой рабочим агрегатом при заданной величине или ниже нее, и обычно совокупная потребность превышает 15 мин или полчаса - согласно договорам на электроснабжение до появления объединенных рынков электричества. С появлением объединенных рынков электроснабжения новый тип договоров на снабжение отделяет энергетическую составляющую с конкурентоспособной ценой от обязательных платежей за сеть, и эта составляющая в настоящее время включает в себя максимальную плату спроса (т.к. сети рассчитаны на обслуживание максимального спроса). Поскольку составляющая платы за сеть в настоящее время, как правило, меньше половины всей суммы счетов за электричество, значение платы за максимальный спрос существенно снижено, в результате чего сократились преимущества упомянутого изобретения. Настоящее изобретение не только более экономично удовлетворяет потребность в предусмотрении максимального спроса, но также и позволяет конечному потребителю делать выбор между изменяющейся объединенной ценой электричества (объединенная цена может быть очень высокой, как это произошло в Калифорнии и продолжается на Национальном рынке электричества Австралии) и ценой двигательного топлива на открытом рынке - в процессе обеспечения более высокого кпд преобразования путем устранения одной стадии преобразования (теперь двигатель непосредственно создает нагрузку).

Патент США № 5081368 (West) от 14 января 1992 г. на “Uninterruptible power supply with a variable speed drive driving an induction motor/generator” раскрывает непрерываемый источник электроэнергии, содержащий отдельный резервный источник электроэнергии, действующий как альтернативный источник по отношению к сети переменного тока, обеспечивая энергию для привода электромотора, непосредственно связанного с генератором, и из этого вторичного источника энергия направляется в нужную нагрузку. Это капиталоемкое устройство подходит только для ситуаций, при которых первейшее значение имеет надежность снабжения.

Патент США № 5015941 (Dhyanchand) от 14 мая 1991 на “Power conversion system with bi-directional power converter having prime mover start capability” описывает систему, которая использует бесщеточный генератор, приводимый в действие первичным движителем при работе в генерирующем режиме, и приводит в действие первичный движитель при работе в пусковом режиме. Это изобретение использует общий признак использования асинхронного двигателя для выработки электричества, но оно также предусматривает осуществления, согласно которым электромотор используется для пуска первичного движителя; при этом выбор конкретного выполнения будет зависеть от условий на месте, доступности компонентов и от стоимости.

Патент США № 2004/0111226 (Brewster и др.) от 10 июня 2004 г. на “Aggregation of distributed generation resources” описывает способ и систему согласования регулирования многовариантных средств выработки электричества сообразно условиям электроснабжения в местной системе распределения электроэнергии и данным спроса на электроэнерг