ВОДНО-СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
WATER-SOLAR POWER PLANT

Изобретение относится к средствам преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию.
Известны устройства, использующие различные комбинации фотоэлементов для преобразования солнечного излучения в электроэнергию (патент РФ №2230395, приоритет с 11.10.2002, патент США US 8033110, приоритет с 16.03.2008, патент США US 8716889, приоритет с 14.03.2011). Основным недостатком данных устройств является высокий уровень капитальных затрат и, следовательно, долгий срок окупаемости проектов.
Известно устройство, использующее для перевода солнечной энергии в электроэнергию с помощью диодных структур с р-n переходами (патент РФ №2612670, приоритет с 11.12.2015). Также, в этом устройстве требуются значительные капитальные затраты для изготовления и наладки необходимого количества коммутаторов.
Также известно устройство, использующее солнечную энергию для нагрева воздушного потока, создаваемого компрессором и подаваемого затем в байпас и тепло-аккумулятор (патент США US 4167856, приоритет с 27.11.1975). Недостатком данного устройства является низкий КПД перевода солнечной энергии в электроэнергию.
Наиболее близким к предложенному изобретению является устройство, в котором солнечное излучение с помощью регулируемых зеркал концентрируется в области теплоносителя (воды), затем нагретая вода в теплообменнике превращается в пар, поступает в паровую турбину, соединенную с электрогенератором (заявки РСТ/ЕР 2012/058970 компании Alstom Technology Ltd и US 20140075939 компании General Electric Technology GmbH, приоритет 20.05.2011, описание практически идентично).
Недостатком этого устройства является необходимость строительства специального высотного сооружения, на котором располагаются регулируемые зеркала. Это сооружение достаточно дорогостоящее. Также вода в толще нагревается лишь в поверхностном слое, толщиной около 1 см, и имеются потери за счет испарения горячей воды с незакрытой поверхности.
Задачей изобретения является создание технологического процесса переработки энергии солнечного излучения в электроэнергию, в котором тепловой агент - вода, полностью поглощает свет и нагревается до необходимой температуры в непрерывном режиме в течение светового дня.
Техническим результатом изобретения является водно-солнечная электростанция, основные узлы которой - теплообменник, паровая турбина и электрогенератор стандартны и выпускаются промышленностью в широком ассортименте технических параметров, а вода, используемая в качестве теплоносителя, полностью поглощает солнечное излучение, при этом минимизированы потери тепла на испарение теплоносителя.
Указанный результат достигается тем, что генерирующий тепловую энергию канал имеет плоскую щель, накрытой стеклом, в которой вода движется с постоянной скоростью. Перед этим каналом расположен питающий бассейн. Скорость движения воды в щелевом канале регулируется уровнем воды в питающем бассейне. Вода в щелевом канале нагревается солнечным излучением через стекло, которое, в свою очередь, предотвращает испарение воды и тепловые потери, так как стекло является хорошим теплоизолятором. Требуемая температура воды, перед подачей в теплообменник, регулируется длиной щелевого канала, а количество подаваемой в теплообменник горячей воды - произведением площади поперечного сечения канала на скорость воды в нем. Желательная температура воды на выходе из теплового канала - около 90°С, чтобы кипящая вода не уменьшала светопропускание стекла.
Сущность изобретения поясняется схемой работы водно-солнечной электростанции. На схеме 1 - питающий бассейн, который может заполнятся как пресной, так и морской водой, очищенной от крупных минеральных или биологических примесей, 2 - тепловой канал, снабженный плоской щелью, покрытой стеклом 3 (может быть использовано обычное оконное стекло). Подача воды из питающего бассейна в тепловой канал происходит при открытии заслонки 4. Из теплового канала нагретая вода попадает в теплообменник 5. В контуре паровой турбины 6, пресная очищенная вода в блоке водоподготовки 7, переводится в пар, а через вал паровой турбины и редуктор 7 приводит во вращение вал электрогенератора 9.
Оценим работу водно-солнечной электростанции при следующих параметрах:
L=100 м, длина теплового канала;
d=1 м, ширина теплового канала;
h=0,01 м, высота теплового канала;
плотность воды;
скорость движения внутри теплового канала;
χ=0,88, коэффициент светопропускания оконного стекла толщиной 4 мм, покрывающего тепловой канал;
ΔT=60°С, разность температуры воды на выходе из теплового канала и на входе в тепловой канал;
теплоемкость воды;
средняя светимость на поверхности Земли на территории работы водно-солнечной электростанции.
При этих параметрах, с учетом работы теплового оборудования по циклу Ренкина и с учетом всех тепловых потерь, мощность электрогенератора составит 39 кВт.
2
На площади 1 км можно разместить водно-солнечную электростанцию с 5500 каналами, соответствующими тепловым оборудованием и генератором. Электрическая мощность такой электростанции составит 215 мВт.
Вышеописанная водно-солнечная электростанция по уровню удельных капитальных затрат (в пересчете на единицу мощности электрогенератора) наиболее экономически выгодная из всех известных к настоящему времени технических решений по преобразованию энергии солнечного излучения в товарную электроэнергию. При любом планируемом уровне мощности электростанции, капиталовложения окупаются менее, чем за год.
Целесообразно размещать водно-солнечные электростанции на территориях с большим количеством ясных дней в году. В России - это Чуйская степь Алтайского Края, Краснодарский Край, Волгоградская и Астраханская области. За границей - Казахстан, Узбекистан, Туркменистан, Саудовская Аравия. Наиболее выгодно располагать такие станции на территории пустыни Сахара.