Устройство получения электроэнергии
DEVICE FOR ELECTRIC POWER GENERATION

Изобретение относится к области энергетики.
В последнее время предпринимаются попытки повышения эффективности использования энергии ветра, солнечной энергии и более рационального использования попутной тепловой энергии. Относительно энергии ветра исследования ведутся в направлении создания более компактных устройств с высоким коэффициентом полезного действия. Также исследуются возможности создания комбинированных систем, где комбинируются силы разного рода. В частности известно такое техническое решение как «Ветроэнергетическая установка напорно-вытяжного действия с системой местного форсирования скорости ветра» [Патент №2101556 от 10.01.1998]. Сущность этого устройства - вытяжная труба с вертикальной осью вращения. Ветряные колеса находятся в трубе на вертикальном валу, который соединен с электрогенератором. Полагается, что поток воздуха-ветра ударяясь о поверхность насадки и обтекая ее, создает возле большей части ее периметра разрежение, что в свою очередь создает разрежение в уровне выхода из вытяжной трубы. В это разряжение засасывается внешний воздух. В данном случае, воздух, поднимаясь вверх, теряет часть своей кинетической энергии вследствие преодоления энергии гравитации. Имеются также технические решения с вертикальной осью вращения и переменными, вращающимися инфузорами, направляющими ветер на лопатки при изменении направления ветра [Патент РФ №2518786 от 10.06.2014]. Недостаток таких систем в том, что значительная часть ветрового потока не задействована в трансформации энергии. Попытки повысить эффективность трансформации энергии ветра предпринимаются и в направлении создания ветроустановок со специальными входными концентраторами воздуха. Однако это направление показало низкую эффективность вследствие возникновения сопротивления воздуху на входе концентратора. Ветряные электростанции выгодны в регионах, где средняя скорость ветра составляет 6 метров в секунду и выше, которые лишены других источников энергии. При среднегодовой скорости ветра около 7 метров в секунду и среднем числе часов работы на полной мощности 2500 часов в год такая установка вырабатывает электроэнергию стоимостью 7-8 центов/кВт ч. Для снижения зависимости от капризов ветра в систему включают разного рода аккумуляторы энергии. При всем многообразии конструкций ветроустановок качественного скачка пока нет. Попытки повысить эффективность ветроэнергетики предпринимаются постоянно. Основное направление усилий это повышение кинетической энергии воздушного потока перед его взаимодействием с лопастями ротора генератора, а также повышение устойчивости процесса трансформации энергии. Не избавлено от недостатков и альтернативное техническое решение [Патент RU 2088859 C1 от 27.08.1997 г.]. В данном техническом решении предлагается увеличить кинетическую энергию воздушных масс за счет круговых радиальных каналов-воздуховодов, с относительно небольшим подъемом этих каналов по высоте, при уменьшении их радиуса относительно центральной вертикальной трубы (вертикального воздуховода) и принудительным отбором воздушных масс к центральной трубе, из горизонтальных радиальных воздуховодов, через специальные отверстия и направляющие устройства в данных воздуховодах. При этом отверстия для забора воздушных масс находятся на внутренних стенках (меньшего радиуса) горизонтальных радиальных воздуховодов-каналов. Также в этих круговых каналах располагаются, в горизонтальной плоскости, специальные «направляющие»-радиаторы, которые нагреваются специальным теплоносителем. Задача этих «направляющих»-радиаторов нагревать циркулирующие в канале воздушные массы и «разгонять» их, повышая их кинетическую энергию. По замыслу авторов, воздушные массы «разогнавшись» в горизонтальных радиальных каналах-воздуховодах, будут постепенно отбираться в горизонтальные радиальные каналы-воздуховоды меньшего радиуса и более высокого расположения, а далее воздушные массы должны попадать в основание центральной трубы (вертикальный воздуховод), где, как и в других аналогичных технических решениях, у основания расположен турбогенератор. Полагается, что в горизонтальных радиальных (относительно вертикального канала-трубы) каналах-воздуховодах должен возникнуть «вихрь», который далее «разгонит», по замкнутым круговым траекториям, в них воздушные массы до больших кинетических энергий. Также полагается, что при «разгоне» и наборе кинетической энергии, воздушные массы должны определенным образом переотражаться от «горизонтальных направляющих»-радиаторов и «потолка» канала-воздуховода, который предполагается изготавливать из прозрачного, для солнечных лучей, материала с целью дополнительного нагрева воздушных масс. Горизонтальные «направляющие»-радиаторы также должны играть роль дополнительного теплового энергостимулятора, подогревающих воздушные массы при их переотражениях. Однако, как показывают анализ и расчеты, эффективность получения электроэнергии, в данном техническом решении, будет еще ниже, чем у других аналогов с прямыми воздуховодами. Это связано с тем, что исходно для образования радиального вихря, с высокой кинетической энергией движения воздушных масс в нем, необходимо мощное «действие» (не «сила», а именно мощный «поток» воздушных масс) в вертикальном «осевом» направлении (то есть в вертикальном воздуховоде-трубе). Однако при этом все «отверстия отбора», «стенки» горизонтальных радиальных воздуховодов, «направляющие» радиаторы будут представлять большие сопротивления, способствующие затуханию «вихря». Исходно возникающая «тяга» будет направлять воздушные массы непосредственно через имеющиеся отверстия в круговых радиальных воздуховодах сразу к турбогенератору, находящемуся у основания вертикального воздуховода (трубы). Но кинетическая энергия воздушных масс будет сравнительно мала вследствие малого времени и расстояния разгона, а, следовательно, коэффициент полезного действия трансформации исходной потенциальной тепловой энергии в электроэнергию будет низким. Также ошибочно полагается, что воздух как «мячик» будет отражаться от «горизонтальных направляющих»-радиаторов и «потолка» горизонтальных радиальных каналов-воздуховодов. Даже если предположить, что воздух каким-то образом разогнался в горизонтальных радиальных каналах-воздуховодах, то вследствие центробежной силы он будет «прижиматься» к внешней стенке радиального канала-воздуховода, где отсутствуют «отверстия» для отбора воздушных масс в радиальные каналы-воздуховоды меньшего радиуса. Движение воздушных масс, при этом, будет испытывать большие сопротивления. Если полагать, что «горизонтальные направляющие», в радиальных каналах-воздуховодах, играют роль «радиаторов нагрева» воздушных масс, то такое техническое решение является иррациональным, так как теплоотдача будет небольшой и не эффективной, вследствие ориентации их на решение другой задачи, а именно, для переотражения воздушных масс, движущихся с большой скоростью. Кроме этого возникают технические сложности с организацией циркуляции теплоносителя в данных «направляющих»-радиаторах.
Также, в настоящее время, в построении системы охлаждения турбин электрогенератора ТЭЦ мощности 300 МВт и более или генератора АЭС, во вторичном контуре охлаждения применяются градирни с «мокрым» способом понижения температуры воды [Пономаренко B.C., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1998.]. Существенным недостатком такого охлаждения воды вторичного контура являются:
- потери на испарение воды - 2% и более (сотни кубометров в час);
- низкая эффективность системы охлаждения при температуре окружающей среды более 30°C;
- обледенение воздухозаборных окон в нижней части градирни в холодное время года;
- нарушение экологии окружающей среды из-за выхода из градирни теплого влажного воздуха.
Для охлаждения воды во вторичном контуре АЭС используются водоемы. В случае разрыва вторичного контура охлаждения возможно заражение окружающего пространства. Альтернативное решение построения градирен предусматривает применение вместо распыления воды в градирне, размещение вентилятора в верхней части градирни (сухая градирня). В этом случае, нет испарения и потерь воды, но имеются значительные затраты на электроэнергию для работы мощного вытяжного вентилятора (100 и более кВт) обдувающего теплообменник внутри градирни. Таким образом, общим недостатком являются иррациональные потери тепловой энергии, которую можно было бы трансформировать в электроэнергию, а также необходимость наличия больших объемов холодной воды для контура охлаждения.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство [Патент РФ №2446362, 2012 г. «Способ и устройство получения электроэнергии», авторы Малютин Н.В., Межлумов Г.М.], которое содержит накопитель-радиатор нагрева воздушных масс, воздуховод, турбогенератор электрического тока, накопитель-радиатор нагрева воздушных масс содержит нагревательные элементы, а устройство также содержит первый тепловой коллектор, радиатор охлаждения воздушных масс, блок солнечных фотоэлектрических батарей, аккумулятор электроэнергии, электроконвертор, блок управления, второй тепловой коллектор, конвертор-охладитель воздушных масс, при этом выход первого теплового коллектора соединен с первым входом накопителя-радиатора нагрева воздушных масс, выход которого соединен с первым входом воздуховода, воздуховод образован блоком солнечных фотоэлектрических батарей, выход которого соединен с первым входом аккумулятора электроэнергии, выход которого соединен с первым входом электроконвертора, а выход воздуховода соединен с первым входом радиатора охлаждения воздушных масс, выход которого соединен с первым входом турбогенератора, первый выход которого является первым выходом устройства, а второй вход турбогенератора соединен с выходом блока управления, выход которого также соединен с входом первого теплового коллектора, вторым входом накопителя-радиатора нагрева воздушных масс, вторым входом воздуховода, входом блока солнечных фотоэлектрических батарей, вторым входом аккумулятора электроэнергии, вторым входом второго теплового коллектора, вторым входом конвертора-охладителя воздушных масс, вторым входом радиатора охлаждения воздушных масс, вторым входом электроконвертора, первый выход которого соединен с третьим входом накопителя-радиатора нагрева воздушных масс, первым входом второго теплового коллектора, третьим входом радиатора охлаждения воздушных масс, четвертый вход которого соединен с выходом конвертора-охладителя воздушных масс, первый вход которого соединен с выходом второго теплового коллектора, а второй выход электроконвертора является вторым выходом устройства, третьим выходом устройства является второй выход турбогенератора, а входом устройства является четвертый вход накопителя-радиатора нагрева воздушных масс.
Устройство работает следующим образом. В первом тепловом коллекторе осуществляется нагрев теплоносителя, который поступает в накопитель-радиатор нагрева воздушных масс, где осуществляется аккумуляция и нагрев поступающего, на его вход, воздуха с помощью нагревательных элементов. Нагретый воздух поступает в воздуховод, в определенном месте которого имеется радиатор охлаждения воздушных масс, в котором циркулирует охладитель, поступающий из конвертора-охладителя воздушных масс. Энергопитание конвертор-охладитель получает от второго теплового коллектора. На выходе воздуховода поток воздуха поступает в турбогенератор электрического тока, где кинетическая энергия воздуха преобразуется в электроэнергию и поступает к потребителям. С выхода турбогенератора выходит отработанный воздух. Турбогенератор может также использоваться для первоначального активного разгона воздушной массы в воздуховоде. Воздуховод предполагается располагать на склоне гор, где с изменением высоты также происходит изменение температуры воздуха. В воздуховоде воздух будет перемещаться из области более теплой, в область более низкой температуры и таким образом будет возникать тяга, пропорциональная разности температур внутри и вне воздуховода. Недостатком этого устройства является необходимость наличия склонов гор, наличия солнечной энергии в достаточно большом объеме и ограниченность мощности трансформации энергии воздушного потока, вследствие ограничений на объем воздуховода. Кроме этого данное устройство невозможно комплексировать с градирней для устранения вышеуказанных недостатков и получения электроэнергии из тепловой энергии контура охлаждения градирни, при использовании градирни в качестве воздуховода.
С целью устранения вышеуказанных недостатков, предлагается устройство содержащее воздуховод, первый тепловой коллектор, нагревательные элементы, накопитель-радиатор, турбогенератор, второй тепловой коллектор, блок управления, аккумулятор, электроконвертор, вихревой разделитель теплоносителя, насос, выпрямительно-зарядное устройство при этом первый выход первого теплового коллектора соединен с нагревательными элементами, выход которых соединен с накопителем-радиатором, выход блока управления соединен с первым входом турбогенератора, первый выход которого является первым выходом устройства, выход аккумулятора соединен с входом электроконвертора выход которого является вторым выходом устройства, первый вход устройства соединен с первым входом воздуховода и вторым входом турбогенератора, второй вход устройства соединен с вихревым разделителем теплоносителя, первый выход которого соединен с входом первого теплового коллектора и вторым входом воздуховода, второй выход первого теплового коллектора соединен с первым входом насоса, второй вход которого соединен с выходом блока управления, а выход соединен с входом второго теплового коллектора, первый выход которого соединен с первым выходом воздуховода, вторым выходом вихревого разделителя теплоносителя и является третьим выходом устройства, второй выход второго теплового коллектора соединен с вторым выходом турбогенератора, третьим выходом первого теплового коллектора и входом блока управления, первый выход турбогенератора соединен с входом выпрямительно-зарядного устройства, выход которого соединен с входом аккумулятора, второй выход воздуховода соединен с выходом накопителя-радиатора и является четвертым выходом устройства.
На чертеже представлены составляющие элементы предлагаемого устройства.
Устройство получения электроэнергии содержит: воздуховод 1, первый 2 тепловой коллектор, нагревательные элементы 3, накопитель-радиатор 4, турбогенератор 5, второй 6 тепловой коллектор, блок управления 7, аккумулятор 8, электроконвертор 9, вихревой разделитель теплоносителя 10, насос 11, выпрямительно-зарядное устройство 12.
Устройство работает следующим образом. От конденсатора пара паровой турбины теплоноситель поступает на второй вход устройства и далее на вихревой разделитель теплоносителя 10. В основе работы вихревого разделителя теплоносителя лежит эффект Ранке. При этом часть теплоносителя дополнительно нагревается, а другая часть охлаждается. Охлажденная часть теплоносителя поступает на третий выход устройства, где теплоноситель смешивается с теплоносителем из второго теплового коллектора 6 и далее поступает в контур охлаждения турбины. Нагретая часть теплоносителя поступает на второй вход воздуховода 1, в качестве которого выступает градирня и, в градирне, в первый тепловой коллектор 2. В первом тепловом коллекторе 2 теплоноситель контактирует с нагревательными элементами 3 в качестве которых используются тепловые трубки. Верхняя часть тепловых трубок соединена с накопителем-радиатором 4, задача которого нагревать, поступающий в воздуховод с первого входа, воздух. При этом тепло теплоносителя посредством нагревательных элементов передается воздуху и теплоноситель охлаждается. Охлажденный теплоноситель при действии насоса 11 перемещается во второй тепловой коллектор 6, где дополнительно охлаждается. При заполнении нагретым теплым воздухом объема воздуховода 1 возникает тяга вследствие разности плотности воздуха внутри и вне воздуховода 1 (градирни). Возникающая тяга создает воздушный поток, который вращает лопасти турбогенератора 5. Турбогенератор 5 вырабатывает электрический ток и обеспечивает поддержание напряжения в пределах ±10% от номинального 380 В и частоты ±10% от номинальной 50 Гц, которое поступает на первый выход устройства, а также через выпрямительно-зарядное устройство 12, аккумулятор 8 и электроконвертор 9 на второй выход устройства и далее к потребителям. На блок управления 7 поступает информация о параметрах турбогенератора 5, первого 2 и второго 6 тепловых коллекторов для выработки управляющих воздействий на турбогенератор 5 и насос 11. Для первоначального разгона воздушного потока и уменьшения переходных процессов турбогенератор может работать в активном режиме раскрутки. Таким образом, градирня является сухой и без вентилятора. Вода (теплоноситель) в системе охлаждения паровой турбины (агрегата) не затрачивается безвозвратно, а циркулирует по замкнутому контуру и при этом дополнительно вырабатывается электроэнергия за счет охлаждения теплоносителя. Охлаждение теплоносителя (воды в контуре охлаждения) будет осуществляться эффективно даже в климатических зонах с жарким климатом и эффективнее чем в существующих градирнях «мокрого» типа. Предлагаемое техническое решение может обеспечить уменьшение температуры «обратной» воды в градирнях на 12-14 градусов и для ТЭЦ мощностью 300 МВт экономия горючего составит 67400 тонн в год, так как снижение температуры воды из градирни на 1°C приводит к уменьшению на 2-4% расхода электроэнергии на привод компрессоров или к уменьшению приблизительно на 2 грамма расхода условного топлива при выработке 1 кВт⋅ч электроэнергии.
Источники информации
1. Патент №2101556 от 10.01.1998.
2. Патент РФ №2518786 от 10.06.2014.
3. Патент RU 2088859 C1 от 27.08. 1997.
4. Пономаренко B.C., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий. - М. Энергоатомиздат, 1998.
5. Патент РФ №2446362, 2012 г. «Способ и устройство получения электроэнергии», авторы Малютин Н.В., Межлумов Г.М.