СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SOLAR POWER PLANT

Изобретение относится к области энергетики, а именно к области использования солнечной энергии, и может быть применено при генерировании электрического тока с использованием энергии солнечного излучения в качестве источника энергии.
Известна конструкция солнечной энергетической установки (RU, патент 1606733). Указанная установка содержит гелиостатическое поле с установленными на башнях приемниками лучистой энергии Солнца для нагрева и испарения рабочей среды и, по меньшей мере, одну турбину - электрогенератор. Установка дополнительно снабжена топливным блоком (тепловая электростанция на органическом топливе). Гелиостатическое поле выполнено в виде гелиостатных участков в форме окружностей, соприкасающихся между собой с образованием центральной свободной зоны. Башни расположены по одной на каждом участке вблизи центральной зоны и снабжены дополнительным приемником излучения для предварительного нагрева рабочей среды. Турбина установлена в центральной зоне и связана одновременно со всеми башнями и тепловым блоком.
Установка работает следующим образом. В течение солнечного времени турбина вырабатывает электроэнергию за счет разогрева рабочего тела лучистой энергией Солнца, а при отсутствии лучистой энергии - за счет работы теплового блока.
К недостаткам известной установки следует отнести сложность ее конструкции, высокую себестоимость получаемой электроэнергии, а также относительно невысокий коэффициент полезного действия.
Известна конструкция термовоздушной электростанции (RU, патент 2018761). Известная конструкция содержит коллектор, турбогенератор, воздуховод в виде каркаса с закрепленной на нем обшивкой из гибкого материала и аэростат, прикрепленный к воздуховоду, причем аэростат имеет форму тороида, соединен по внутренней поверхности, ограничивающей отверстие тороида, с внешней поверхностью воздуховода, а внешняя по отношению к его отверстию поверхность тороида соединена с тросами, расположенными под углом к вертикали и закрепленными на земле.
Известная установка работает следующим образом. Под действием градиента температур, вызываемого нагревом воздуха в аэростате, происходит перемещение воздуха снизу вверх, в том числе и через турбогенератор. Вращение турбогенератора приводит к выработке электроэнергии.
Недостатком известного устройства следует признать его низкую эффективность, вызванную низкой скоростью прохода воздуха через турбогенератор.
Известна также солнечная паротурбинная установка (SU, авторское свидетельство 855249). Указанная установка содержит концентратор лучистой (солнечной) энергии и включенные в контур циркуляции рабочего тела приемник-парогенератор, паровую турбину, регенеративный подогреватель с патрубками подвода и отвода греющей и нагреваемой сред, струйный конденсатор, активное сопло которого соединено с выходным патрубком греющей среды регенеративного подогревателя, а пассивное сопло - с радиатором, причем установка дополнительно снабжена дополнительным регенеративным подогревателем, подключенным по линии греющей среды на входе к выходу струйного конденсатора, а на выходе - к патрубку отвода греющей среды регенеративного подогревателя, а на выходе - к входу радиатора.
Установка работает следующим образом. Рабочее тело нагревается до высшей температуры цикла в приемнике-парогенераторе теплом лучистой энергии Солнца и поступает в первую ступень турбины, где адиабатно расширяется. Затем в основном регенеративном подогревателе от рабочего тела изобарно отводят тепло к потоку среды, идущему в приемник-парогенератор. После указанного основного регенеративного подогревателя поток рабочего тела разделяют. Часть его поступает сначала во вторую ступень турбины, где адиабатно расширяется, а затем в дополнительный регенеративный подогреватель, где от него изобарно отводят тепло к потоку, вышедшему из диффузора струйного конденсатора, и далее в радиатор, где рабочее тело изобарно-изотермически конденсируют и изобарно переохлаждают до температуры, близкой к температуре окружающей среды. Из радиатора рабочее тело поступает в пассивное сопло конденсатора, где адиабатно расширяется и нагревается в его камере смешения теплом, отбираемым от другой части потока рабочего тела. Другая часть потока рабочего тела из основного регенеративного подогревателя поступает в активное сопло конденсатора, где адиабатно расширяется, а затем охлаждается в камере смешения. В диффузоре струйного конденсатора давление обоих потоков рабочего тела адиабатно повышается до максимального в цикле, после чего рабочее тело изобарно нагревается в обоих подогревателях и поступает в приемник-парогенератор, где его температура опять повышается до максимальной температуры цикла.
Недостатком указанной установки следует признать возможность использования только в солнечные дни.
3
3
3
Известна также солнечная энергетическая установка (RU, патент 2184322). Указанная установка содержит баллон привязного аэростата с двухслойной оболочкой, причем на внешний слой нанесен поглощающий солнечное излучение слой. За счет нагрева оболочки происходит генерация водяного пара, который скапливается внутри баллона и поступает на паровую турбину. Запаса водяного пара в баллоне достаточно для круглосуточной работы установки. Оболочка аэростата выполнена двухслойной. Солнечные лучи нагревают внутренний слой оболочки, на который нанесено поглощающее солнечное излучение покрытие. Современные поглощающие материалы способны нагреваться от прямых несконцентрированных солнечных лучей до 200°С и более. Внутри поглощающей оболочки находится водяной пар, нагретый поступающим через оболочку тепловым потоком до 100-150°С. Давление пара равно наружному атмосферному давлению. Внутренний поглощающий слой оболочки окружает внешний слой, прозрачный для солнечных лучей. Прослойка газа (воздуха) между слоями оболочки теплоизолирует внутренний слой от наружного воздуха. Водяной пар, заключенный внутри поглощающей оболочки, по гибкому паропроводу подается в паровую турбину, расположенную на поверхности Земли, а убыль водяного пара компенсируется питательной водой, которая каскадом насосов подается из конденсатора паровой турбины. Внутри аэростата вода распыляется и испаряется. Для стандартной атмосферы на высоте 5 км при давлении 0,54 ат и температуре - 17,5°С плотность воздуха составляет 0,7 кг/м, а плотность водяного пара при таком же давлении и температуре 150°С - 0,3 кг/м. Таким образом, аэростат объемом 1 м способен поднять 0,4 кг. Следовательно, аэростат диаметром 150 м может поднять на высоту 5 км груз массой 700 т. Этого вполне достаточно для удержания собственной оболочки, паропровода, трубопровода питательной воды и каскада электронасосов. При температуре водяного пара во внутренней оболочке 150°С КПД турбоустановки будет равен 25%, а мощность электронасосов, необходимая для подъема питательной воды из конденсатора паровой турбины вовнутрь аэростата, составит 15% от вырабатываемой электрической мощности. Основным достоинством паровой аэростатной установки является то, что запаса водяного пара, находящегося во внутренней полости аэростата, достаточно для бесперебойной работы паровой турбины в темное время суток. Из-за подачи водяного пара на турбину и охлаждения за счет теплообмена с окружающим воздухом за ночь подъемная сила аэростата уменьшится на 10-20%, что не скажется на положении аэростата. В дневное время в результате нагрева солнечным излучением происходит генерация пара не только для работы паровой турбины, но и для восполнения запаса водяного пара во внутренней полости аэростата.
При диаметре оболочки аэростата 150 м паровой турбогенератор способен бесперебойно вырабатывать 2000 кВт электрической мощности. При этом можно совершенно безболезненно изменять мощность турбогенератора в течение суток в соответствии с нуждами потребителя.
Термодинамический цикл такой установки обладает весьма интересной особенностью. При подаче потока пара вниз к поверхности Земли давление и температура пара перед турбиной увеличиваются за счет возрастания внутренней энергии пара, что, в свою очередь, повышает термодинамический КПД паротурбинной установки. Этот эффект довольно существенен. Так, при перепаде высот между аэростатом и паровой турбиной в 5000 м повышение температуры составит 25°. Термодинамический КПД паротурбинной установки благодаря этому эффекту возрастает на 5%. Для энергетических установок это значительная величина.
Недостатками известной установки следует признать достаточную сложность конструкции и не эффективное использование в темное время суток.
Известна солнечная энергетическая установка («Солнечная аэростатная энергетика», Энергия, экология, экономика. №4, 2005), представляющая собой баллон привязного аэростата с фотоэлектрической оболочкой, в которой при поглощении солнечного излучения генерируется электрическая энергия и по кабелю передается потребителям. За счет расположения баллона аэростата выше облачного слоя работа установки не зависит от погодных условий.
Недостатком установки является невозможность генерации электроэнергии в темное время суток.
Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, состоит в разработке конструкции солнечной энергетической установки, позволяющей получать электроэнергию вне зависимости от погодных условий без применения дополнительных источников энергии.
Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в обеспечении получения электроэнергии и при наличии облачного покрова без использования дополнительных источников энергии.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать солнечную энергетическую установку разработанной конструкции.
Разработанная установка содержит баллон привязного аэростата с оболочкой, на которой размещены гибкие солнечные элементы, соединенный канатом с барабаном электрической лебедки, ось которой соединена с осью электромотора-редуктора, а электрическими проводами с преобразователем постоянного тока в переменный (в дальнейшем - инвертором), при этом электрическая лебедка, электромотор-генератор и преобразователь жестко соединены с якорем, закрепленным в земле, а электромотор-генератор выполнен с возможностью съема электрического тока.
В дальнейшем сущность изобретения будет рассмотрена с использованием графического материала. На чертеже приняты следующие обозначения: баллон аэростата 1, оболочка 2 с гибкими солнечными элементами, канат 3, якорь 4, барабан 5 электрической лебедки, электромотор-редуктор 6, электрические провода 7, инвертор 8.
Установка работает следующим образом. В светлое время суток при освещении солнечными лучами в гибких солнечных элементах 2 генерируется постоянный электрический ток, который по проводам 7 поступает в инвертор 8 и электромотор-редуктор 6. Инвертор 8 преобразует постоянный ток в переменный ток и выдает потребителям и на электромотор-редуктор 6. Электромотор-редуктор 6, работая в режиме электродвигателя, накручивает канат 3 на барабан 5 и опускает баллон 1. В темное время суток баллон 1 поднимается и вращает барабан 5, а электромотор-редуктор 6, работая в режиме электрогенератора, вырабатывает электроэнергию, которая поступает потребителям.
В случае использования электромотора постоянного тока электрический ток, выработанный гибкими солнечными элементами, поступает непосредственно на вход электромотора-редуктора.
При диаметре баллона аэростата 200 м подъемная сила баллона с водородом на высоте 5 км составит 2800 т, а на высоте 7 км составит 2300 т. При перепаде высот баллона 2 км установка способна в постоянном режиме круглосуточно генерировать до 1000 кВт электрической мощности.
Работоспособность установки обоснована следующими расчетами.
Примем установку со следующими характеристиками.
Диаметр баллона: D=200 м
Высота баллона над поверхностью: Н=5000 м
2
Удельная масса оболочки баллона: m=3 кг/м
2
Материал каната: углепластик (σ=10000 кг/см)
2
Интенсивность солнечного излучения: q=1 кВт/м
КПД гибких солнечных элементов: η=0.1 (10%)
Продолжительность светлого времени суток: τ=8 час=28800 с
На шарообразную оболочку в течение светового дня падает поток лучистой энергии Солнца мощностью
Электрическая мощность, генерируемая оболочкой с гибкими солнечными элементами, составит
ФЭ
C
N=η×N=0.1×31400=3140 кВт
Средняя электрическая мощность установки в сутки (24 часа) составит
Для обеспечения постоянного режима работы потенциальная энергия, запасенная баллоном аэростата, должна составить
ГР
CP
E=N×(24-τ)×3600=1047000×(24-8)×3600=60307200000 Дж
Работа, совершенная баллоном аэростата при подъеме на высоту ΔН
Б
Б
E=F×ΔH,
Б
где F - подъемная сила баллона.
3
3
На высоте Н=5000 м атмосферное давление составляет 0.540 бар, плотность воздуха 0.736 кг/м. Плотность водорода при таком давлении 0.05 кг/м.
3
3
На высоте Н=7000 м атмосферное давление составляет 0.411 бар, плотность воздуха 0.590 кг/м. Плотность водорода при таком давлении 0.04 кг/м.
ВОЗД
3
Средняя плотность воздуха ρ=0.663 кг/м.
В
3
Средняя плотность водорода ρ=0.04 кг/м.
Подъемная сила баллона диаметром D=200 м
Масса оболочки баллона
об
2
2
М=mπD=3×3.14×200=376800 кг=377 т
Таким образом, подъемная сила баллона больше, чем сумма массы оболочки и массы груза, на величину
F=2608-377=2231 т
2
2
Сечение каната с разрывным усилием σ=10000 кг/см (10 т/см) должно быть больше
2
2
С учетом давления ветра примем сечение каната S=400 см=0.04 м
УГЛ
3
При плотности углепластика ρ=1500 кг/м масса каната
тр
УГЛ
М=ρSH=1500×0.04×5000=300000 кг=300 т
Высота облачного слоя над поверхностью Земли составляет 1÷4 км. Так как баллон с оболочкой, на которой расположены гибкие солнечные элементы, находится выше облачного слоя, то работа установки не зависит от погодных условий.
Изобретение должно обеспечить получение электроэнергии как в светлое, так и в темное время суток и при наличии облачного покрова без использования дополнительных источников энергии.