Солнечная энергоустановка
SOLAR POWER PLANT

Изобретение относится к области энергетики, в частности, к солнечным установкам с системой лучевых концентраторов, и может быть использовано в системах комплексного энергоснабжения жилых помещений и иных объектов от возобновляемых источников энергии.
Солнечные электростанции представляют один из основных видов сооружений в альтернативной энергетике. И парк их приумножается в возрастающем темпе. Их главные достоинства общеизвестны. Онако следует вкратце сказать о недостатках.
Установки с фотоэлектрическими преобразователями имеют очень низкий к.п.д. Тепловые преобразователи солнечной энергии в электрическую с паровыми двигателями из-за своей сложности требуют больших капитальных вложений и эксплуатационных расходов, что увеличивает срок их окупаемости. Но самым главным недостатком всех солнечных энергоустановок является непостоянство их работы, зависящей не только от времени суток, но и от погодных условий.
В принципе возможен режим непрерывной работы за счет аккумулирования тепловой энергии, но практически преобразование низкотемпературного ресурса в электроэнергию с помощью паросиловых блоков с водной рабочей средой не реально, а с другим тепловым агентом, имеющим низкую температуру парообразования, вся конструкция усложняется, а при ее неисправности возможны даже загрязнения окружающей среды.
Имеются проблемы и с самими теплоаккумуляторами. Например, их конструкции, представленные в Справочнике "Тепловые сети", М., Стройиздат, 1982, с. 175-178. и авторском свидетельстве СССР N 985632, кл. F24J 2/16, 1982., а также в более поздних патентах RU №2027121 и 2275560, не обладают надежной теплоизоляцией и потому несовершенны.
Возвращаясь к вопросу о способах преобразования тепловой энергии в механическую (в приводе электрогенератора), следует отметить, что за исключением двигателя Стерлинга с его ограниченной мощностью другой альтернативы паровым машинам пока не существует. Так что найти аналог заявляемого изобретения не удалось.
Главной задачей при разработке заявляемой энергоустановки было создание варианта солнечной теплоэлектрической станции, работающей кругосуточно с использованием рекуперации энергии с ее сбросом в энергоемкий теплоаккумулятор и возможностью использования при отсутствии достаточно интенсивного солнечного излучения.
Эта задача решена созданием солнечной энергоустановки, в которой - согласно изобретению - первичным преобразователем энергии является тепломеханический преобразователь, содержащий зоны нагрева и охлаждения с каналами подачи к ним горячего и холодного теплоносителей и расположенный в них теплочувствительный элемент (ТЧЭ) в виде тонкостенной трубы, контактирующей при своем рабочем изгибе с упорным устройством и являющейся заодно приводным валом; при этом ТЧЭ оснащен параболоцилиндрическим концентратором солнечных лучей, а в состав энергоустановки входит энергоемкий теплоаккумулятор с системой рекуперации энергии для ее использования при отсутствии или ослаблении солнечного излучения.
Описание изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид энергоустановки с условным изображением каналов теплоносителей с насосно-компрессорным и дроссельным оборудованием; на фиг. 2 - поперечное сечение тепломеханического преобразователя; на фиг. 3 - вариант преобразователя с упорной площадкой вместо ролика.
Заявляемая энергоустановка состоит из тепломеханического преобразователя (ТМП), в основе конструкции которого использована тонкостенная труба 7 (фиг. 1) из материала с высоким коэфициентом теплового расширения (например, дюралюминия), она же является рабочим валом с подшипниковыми узлами 2 и мультипликатором, передающим вращение другим устройствам. Внутри трубы 1 по всей ее длине вставлены оболочки, образующие две тепловые зоны: зону нагрева 3 и зону охлаждения 4 (фиг. 2). С тепловыми зонами связаны каналы подачи 5 и удаления 6 горячего теплоносителя и - соответственно – каналы (труба) 7 и 8 -охлаждающего теплоносителя. Труба 7 в средней части усилена внешней втулкой 9, контактирующей при его тепловом изгибе с упорным роликом 10.
При небольшом диаметре трубы возможна (и целесообразна) замена втулки 9 на радиальный подшипник 11, а ролика 10 на упорную площадку 12 (см. фиг. 3). Идеальной ее формой является поверхность, образованная фрагментом спирали Архимеда (показан тонкой линией), однако вполне допустима и ее аппроксимация - цилиндрическая или даже плоская форма.
К мультипликатору ТМП подключены электрический генератор со своей системой поддержания частоты и напряжения, а также сброса избытка энергии в теплоаккумулятор, компрессор 13, связанный с ресивером 14, являющимся заодно и теплообменником, с выходом через дроссель 15 и канал (трубу) 7 в зону охлаждения 4. Насос 16 имеет свой привод, управляемый датчиком интенсивности солнечного излучения, направляемого гелиоконцентратором 17 (например, по патенту RU №2661169 С1, 2018.) на нагрев соответствующего сегмента трубы 1 ТМП. Этот насос с забором жидкости из верхней -наиболее нагретой - области бассейна 18 связан через канал 5 с зоной нагрева 3 и далее с каналом 6 сброса жидкости в нижнюю область этого бассейна, являющегося энергоемким теплоаккумулятором. В нем могут размещаться также теплообменники системы теплоснабжения.
В целях тепловой изоляции трубы 1 от внешней среды она может быть оснащена теплоизолирующей оболочкой с прозрачным сегментом со стороны гелиоконцентратора.
1
Работа заявляемой энергоустановки при солнечном излучении либо его отсутствии (или недостаточной интенсивности) практически неизменна. При нормальной инсоляции солнечный свет, сфокусированный гелиоконцентратором 17 на поверхности сегмента трубы 7, нагревает его, а противоположная сторона трубы остается холодной. Под действием разности температур труба 7 получает прогиб и своей втулкой 9 (либо радиальным подшипником 11) воздействует на ролик 10 (либо площадку 12). При этом составляющая сила F поворачивает трубу 7, а в зоны нагрева и охлаждения попадают ее новые сегменты и они, деформируясь, восстанавливают направление прогиба - из-за чего вращение трубы-вала продолжается.
При этом компрессор 13, сжимает нагретый в зоне охлаждения 4 воздух (от чего резко возрастает его температура), и направляет его в расположенный на дне бассейна 18 ресивер 14, через стенки которого тепло передается теплоаккумулятору. Далее, сбросивший температуру за дросселем 15 воздух еще более резко охлаждается и поступает по каналу (трубе) 7 в зону охлаждения 4, откуда по каналу 8 вновь поступает в компрессор 13.
При отсутствии (либо недостатке) солнечного излучения в работу включается насос 16, который подает горячую жидкость через канал 5 в зону нагрева 3, из которой она по каналу 6 сбрасывается на дно бассейна 18.
Важно отметить, что при работе в этом режиме, несмотря на постепенное падение температуры в теплоаккумуляторе, разность температур в тепловых зонах (а это - основное условие для ТМП) практически сохраняется, поэтому режим работы энергоустановки не нарушается. Этому способствует рост теплоотдачи воздуха в ресивере 14 при спаде температуры в теплоаккумуляторе.
Простая конструкция солнечной энергоустановки, стабильность ее работы при расчетной (для местных условий) энергоемкости теплового аккумулятора, высокая эффективность в использовании солнечной энергии благодаря рекуперации тепла создают перспективу ее широкомасштабного использования.