ГЕОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЕЕ МОЩНОСТИ
GEOPOWER PLANT AND METHOD TO INCREASE ITS CAPACITY

Изобретение относится к теплоэнергетике.
В связи с сокращением запасов углеводородных топлив во всем мире большое внимание уделяется созданию энергетических установок, в частности электростанций, использующих гидро-, солнечную, ветровую, геотермальную и другие виды возобновляемой энергии.
Известна геотермическая электростанция, преобразующая внутреннее тепло Земли в электроэнергию. Источниками глубинного тепла являются радиоактивные превращения, химические реакции и другие процессы, происходящие в Земной коре. Температура пород с глубиной растет и на уровне 2000÷300 м от поверхности Земли превышает 100°С. Рабочим телом геотермической электростанции является вода (БЭС, том 6, третье издание. М.: Советская энциклопедия, 1971, стр.324).
Известны дымовые трубы для удаления в атмосферу газообразных продуктов сгорания, например, из котельных агрегатов. Трубы создают естественную тягу, под воздействием которой воздух поступает в топку (тепловую камеру), а дымовые газы удаляются из нее (БЭС, том 8, третье издание. М.: Советская энциклопедия, 1972, стр.559).
Известны шахты по добыче золота: «Тау-тона» и «Витватерсранд», расположенные в ЮАР, глубина которых 4500 метров.
Известны электрогенераторы (БЭС, том 30, третье издание. М.: Советская энциклопедия, 1978, стр.41).
Известна газотурбинная установка с подводом тепла при постоянном давлении (Нащекин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1975, с.254, рис.18-1). Установка состоит из тепловой камеры (камеры сгорания), канала подвода воздуха из атмосферы в тепловую камеру, канала отвода воздуха (газа) из тепловой камеры в атмосферу, компрессора, установленного на входе в тепловую камеру, турбины привода компрессора и других потребителей мощности (в том числе электрогенераторов), установленной на выходе из тепловой камеры. Газотурбинная установка является наиболее близким аналогом.
Поставленная цель (преобразование тепловой энергии Земли в электрическую) достигается тем, что тепловую камеру известной газотурбинной установки размещают на глубине более 1000 м от поверхности Земли.
Сущность изобретения заключается в том, что: а) тепловая камера аккумулирует тепло Земли и передает его воздуху; б) давление (вес) воздуха в подводящем (отводящем) каналах вследствие наличия перепада высот (более 1000 м) повышается, причем в подводящем канале давление (вес) повышается больше, чем в отводящем, что связано с разной температурой воздуха в указанных каналах; г) разница давлений в подводящем и отводящем каналах создает условия для непрерывного (цикличного) движения воздушных масс, которые совершают механическую работу, преобразуемую в электроэнергию; д) термодинамические процессы, происходящие с воздухом, образуют цикл Брайтона.
Эффективность термодинамического цикла повышается, если: а) забор (выпуск) воздуха из атмосферы осуществлять на высоте более 100 метров над поверхностью Земли; б) на входе в канал подвода воздуха (при разнице температур воздуха в тепловой камере и атмосфере более 50°С) установить вентилятор (компрессор); в) стенки каналов подвода и отвода воздуха выполнить из теплоизолирующего материала; г) на выходе из канала отвода воздуха установить водовоздушный теплообменник, утилизирующий излишки теплоты.
Размеры тепловой камеры уменьшаются, если: а) тепловую камеру сделать из теплопроводящего материала, установить внутри и снаружи камеры теплообменные элементы; б) внутри тепловой камеры разместить водовоздушный теплообменник, через который пропустить геотермальные воды.
Недостатком геоэлектростанции является существенное снижение мощности при увеличении температуры атмосферного (наружного) воздуха, которое может привести к остановке станции.
Указанный недостаток устраняется, если при положительных температурах наружного воздуха (более 0°С) в канал подвода воздуха подавать воду.
Сущность изобретения (способа повышения мощности геоэлектростанции) заключается в том, что в термодинамическом цикле появляется дополнительный «холодильник» - само рабочее тело, а точнее вода, которая испаряется и становится составной частью воздуха, участвующего в термодинамических процессах (в конечном счете, вода вместе с поглощенной теплотой удаляется в атмосферу). Испарение воды сопровождается понижением температуры воздуха в процессе его сжатия. Это позволяет увеличить работу цикла по трем причинам: а) увеличивается тепловой поток, проходящий через тепловую камеру; б) увеличивается степень сжатия воздуха; в) увеличивается теплоемкость воздуха.
На фиг.1 изображена геоэлектростанция.
На фиг.2 изображен термодинамический цикл геоэлектростанции.
На фиг.3 показаны зависимости эффективной работы термодинамического цикла геоэлектростанции от внешних условий (температуры наружного воздуха и расположения тепловой камеры).
На фиг.4 изображен термодинамический цикл геоэлектростанции.
На фиг.5 показаны зависимости эффективной работы термодинамического цикла геоэлектростанции от внешних условий (температуры наружного воздуха и расположения тепловой камеры).
Геоэлектростанция (фиг.1) состоит из тепловой камеры 1, расположенной на глубине более 1000 м от поверхности Земли, канала подвода воздуха 2, канала отвода воздуха 3 (каналы установлены вертикально, соединяют тепловую камеру с атмосферой), турбины 4, установленной на выходе из тепловой камеры, электрогенератора 5, приводимого в действие турбиной 4, газовых горелок, установленных в нижней части канала 3. Корпус тепловой камеры выполнен из теплопроводящего материала (например, алюминий), внутри и снаружи корпуса имеются теплообменные элементы (например, алюминиевые пластины). Стенки каналов 2 и 3 покрыты теплоизолирующим материалом.
Геоэлектростанция (фиг.1) работает следующим образом. Воздух, находящийся в канале 3, нагревается с помощью газовых горелок. Нагретый воздух поднимается вверх и заполняет канал 3. По мере заполнения канала давление (вес) воздуха в канале 3 становится меньше давления (веса) воздуха в канале 2. В результате между входом и выходом тепловой камеры устанавливается перепад давлений, под действием которого воздух из тепловой камеры поступает в канал 3, а воздух из атмосферы - в канал 2 и далее в тепловую камеру. Горелки выключают. Движение воздуха при этом не прекращается (функцию горелок выполняет тепловая камера).
Между корпусом (теплообменными элементами) тепловой камеры и воздухом, поступающим в тепловую камеру, существует разница температур, благодаря которой внутреннее тепло Земли передается воздуху.
При прохождении канала 3 воздух попадает в турбину 4, которая преобразует часть энергии (теплосодержания) воздуха в механическую работу, которая в электрогенераторе 5 преобразуется в электроэнергию.
На фиг.2 изображен термодинамический цикл геоэлектростанции в P-V координатах. Под действием сил гравитации в канале 2 происходит адиабатическое сжатие воздуха - процесс н-к. Процесс подвода тепла в тепловой камере характеризуется изобарой к-г. Адиабатическое расширение воздуха происходит в турбине - процесс г-т и канале 3 - процесс т-в. В канале 3 воздух преодолевает сопротивление сил гравитации и совершает работу, равную той, которую эти силы совершают при сжатии воздуха в канале 2. Точка т, характеризующая состояние воздуха за турбиной, определяется из условия равенства этих работ. Процесс отвода тепла в атмосферу соответствует отрезку в-н.
На фиг.3 показаны зависимости эффективной работы термодинамического цикла геоэлектростанции Le от глубины шахты L (расположения тепловой камеры) и температуры наружного воздуха Тн.
Цикл (фиг.2) является циклом Брайтона. Эффективная работа цикла определяется по формуле
где Ср - теплоемкость воздуха;
к - показатель адиабаты;
π - степень повышения давления воздуха в канале 2;
Тг - температура воздуха в тепловой камере;
c
p
η, η - к.п.д. в процессах сжатия и расширения.
Степень повышения давления воздуха в канале 2 определяется как
Rг - газовая постоянная воздуха;
g - ускорение свободного падения;
Тх - средняя температура воздуха в канале 2.
При определении зависимостей (фиг.3) принято, что температура Земли не зависит от температуры наружного воздуха и увеличивается с удалением от поверхности Земли на 30°С на каждый километр (например, на глубине 3 км температура Земли - 90°С). Потери работы в процессах сжатия (расширения) приняты равными 5%.
Недостатком геоэлектростанции является существенное снижение эффективной работы цикла (мощности геоэлектростанции) при увеличении температуры наружного воздуха (фиг.3).
Эффективная работа цикла (мощность геоэлектростанции) повышается, если при положительных температурах наружного воздуха (более 0°С) в канал 2 (фиг.1) подавать воду.
Способ повышения мощности геоэлектростанции осуществляется следующим образом. В канал 2 (фиг.1) через форсунки, установленные на входе, подается распыленная вода. Под действием сил гравитации вода вместе с воздухом опускается вниз. При движении (смешении) водовоздушных масс происходит испарение воды с поглощением теплоты (внутренней энергии) воздуха. Процесс сжатия воздуха в этом случае является политропным.
4
3
4
4
На фиг.4 показан цикл геоэлектростанции с подачей воды в канал 2. Здесь н-к' - процесс сжатия воздуха с отбором теплоты Q, которая равна теплоте парообразования воды, н-к - процесс сжатия воздуха без отбора теплоты (адиабата). Темным цветом (цикл - н-к'-к-н) показано приращение работы цикла геоэлектростанции, происходящее при применении способа (подача воды в канал 2). Величина приращения работы равна разнице теплоты Q, которая подводится в тепловой камере в процессе к'-к, и теплоты Q, которая отводится (поглощается водой) в процессе сжатия воздуха н-к'. Теплота Q (в скрытом виде) удаляется в атмосферу вместе с воздухом (процесс в-н).
4
Величина теплоты Q зависит от количества воды, которое может поглотить воздух. При попадании в канал 2 воздух имеет относительную влажность, как правило, 40÷70 процентов. При движении по каналу 2 воздух поглощает воду, которая находится во взвешенном состоянии. При этом происходят два термодинамических процесса: а) сжатие воздуха с увеличением его температуры; б) испарение воды с поглощением теплоты и уменьшением температуры воздуха. В результате влагосодержание воздуха увеличивается до величины, при которой наступает насыщение воздуха водой при фактических температуре и давлении воздуха (относительная влажность 100 процентов). Дальнейшее увеличение воды уже не приводит к понижению температуры воздуха (вода выпадает в виде осадка). Появление осадка является признаком насыщения воздуха, по которому осуществляется регулирование расхода воды.
На фиг.5 показаны зависимости эффективной работы термодинамического цикла геоэлектростанции Le от глубины шахты L и температуры наружного воздуха Тн при использовании предлагаемого способа. Вода в количестве, обеспечивающем насыщение воздуха, подавалась в канал 2 (фиг.1) при температурах наружного воздуха от 0 до +30°С. Исходная относительная влажность воздуха принималась равной 50 процентам. Показатель политропы в расчетах изменялся в пределах n=1,24÷1,03; расход воды - 24÷12 г на килограмм воздуха.
Следует отметить, что при расположении геоэлектростанции (тепловой камеры) в геотермически активной зоне (например, в Исландии) ее мощность при тех же технических характеристиках существенно увеличивается.
Геоэлектростанция генерирует электроэнергию 24 часа в сутки при любых погодных условиях, не требует затрат энергии со стороны потребителя, не нарушает экологию, является безопасной, позволяет снизить себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии по отношению к известным способам ее получения.