СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR OBTAINING HEAT AND ELECTRICAL ENERGY  AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии, горячей воды и пара.
Прототипом является способ получения тепловой и электрической энергии, включающий фокусирование солнечных лучей концентратором на неподвижную тепловоспринимающую поверхность и последующее передвижение по ней фокуса в соответствии с перемещением солнца, нагрев через тепловоспринимающую поверхность теплоносителя и преобразование полученной тепловой энергии в электрическую [Пат. РФ 2254522, МПК F24J 2/42, 2005].
Недостатками прототипа являются:
- небольшая температура нагрева тепловоспринимающей поверхности, обусловленная, во-первых, рассеиванием части лучей в концентраторе, а во-вторых, недостаточной прозрачностью концентратора;
- возможность получения только относительно низкой температуры теплоносителя, что связано с нагревом находящейся вверху (а не внизу), тепловоспринимающей поверхности, в результате чего отсутствует конвекционный ток теплоносителя, приводящий к отсутствию нагрева нижних слоев;
- сложность получения стабильных параметров воды и пара в течение суток.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение стабильности параметров энергоносителей, выработка их с более высоким КПД, а также улучшение эксплуатационных характеристик.
Задача решается тем, что в способе получения тепловой и электрической энергии, включающем фокусирование солнечных лучей концентратором на неподвижную тепловоспринимающую поверхность и последующее передвижение по ней фокуса в соответствии с перемещением солнца, нагрев через тепловоспринимающую поверхность теплоносителя и преобразование полученной тепловой энергии в электрическую, в качестве концентратора используют вогнутое зеркало, которое перемещают путем слежения за солнцем, при этом тепловоспринимающую поверхность размещают на пересечении вертикальной и горизонтальных осей, вокруг которых осуществляют поворот концентратора при слежении.
Поворот концентратора при слежении осуществляют двигателями, которые устанавливают вне элементов, движущихся заодно с концентратором. После прохождения тепловоспринимающей поверхности теплоноситель подают на теплопередающую поверхность, в качестве которой используют поверхности труб котла, который топят ископаемым топливом. Теплообменную поверхность выполняют выпуклой сферической по отношению к падающим на нее солнечным лучам.
Устройство для осуществления способа получения тепловой и электрической энергии, содержащее концентратор солнечных лучей и неподвижный теплообменник, дополнительно снабжено платформой и электрическими двигателями, соединенными, по крайней мере, двумя кинематическими связями с концентратором и установленными с возможностью перемещать его вокруг горизонтальной и вертикальной геометрических осей, при этом одна часть первой кинематической связи выполнена, в виде двух червяков со скрещивающимися взаимно перпендикулярными осями и червячного колеса, которое жестко закреплено на оси одного червяка, размещенного на платформе и взаимодействующего с зубчатым сектором, который второй частью первой кинематической связи соединен с горизонтальной осью поворота концентратора, и сопряжено с другим червяком, ось которого совмещена с вертикальной осью поворота платформы и концентратора, выполненного в виде вогнутого зеркала.
Вторая часть первой кинематической связи выполнена в виде цепной передачи. Вторая кинематическая связь выполнена в виде червячной передачи. Один червяк выполнен глобоидным. Червячная передача выполнена самотормозящейся. Червяк намагничен в радиальном направлении.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Использование в качестве концентратора вогнутого зеркала, которое перемещают путем слежения за солнцем, при этом тепловоспринимающую поверхность размещают на пересечении вертикальной и горизонтальных осей, вокруг которых осуществляют поворот концентратора при слежении, способствует более высокой температуре нагрева, так как на пути солнечных лучей отсутствуют какие-либо элементы. При этом нагретая поверхность создает восходящий поток воздуха, увлекающий пыль, что защищает зеркальную поверхность от загрязнения. Это повышает КПД использования солнечной энергии и улучшает эксплуатационные характеристики.
Осуществление поворота концентратора при слежении двигателями, которые устанавливаю вне элементов, движущихся заодно с концентратором, снижает момент инерции поворотного механизма, его вес и уменьшает потребление энергии.
Подача теплоносителя после прохождения им тепловоспринимающей поверхности на теплопередающую поверхность, в качестве которой используют поверхности труб котла, который топят ископаемым топливом, позволяет получать, во-первых, пар высоких параметров (давления и температуры) перед подачей его в паровую турбину, что повышает КПД. Во-вторых, дает возможность стабильно держать параметры энергоносителей в любое время суток за счет изменения количества сжигаемого в котле ископаемого топлива. Это повышает эксплуатационные характеристики.
Выполнение теплообменной поверхности выпуклой сферической по отношению к падающим на нее солнечным лучам обеспечивает к ним перпендикулярность тепловоспринимающей поверхности и упрощает выдерживание фокусного расстояния при повороте концентратора в процессе слежения, что повышает КПД использования солнечной энергии и улучшает эксплуатационные характеристики.
Дополнительное снабжение устройства для получения тепловой и электрической энергии платформой и электрическими двигателями, соединенными, по крайней мере, двумя кинематическими связями с концентратором и установленными с возможностью перемещать его вокруг горизонтальной и вертикальной геометрических осей обеспечивает установку концентратора в нужное положение в процессе слежения, что повышает КПД использования солнечной энергии.
Выполнение одной части первой кинематической связи в виде двух червяков со скрещивающимися взаимно перпендикулярными осями и червячного колеса, которое жестко закреплено на оси одного червяка, размещенного на платформе и взаимодействующего с зубчатым сектором, который второй частью первой кинематической связи соединен с горизонтальной осью поворота концентратора, и сопряжено с другим червяком, ось которого совмещена с вертикальной осью поворота платформы и концентратора, выполненного в виде вогнутого зеркала, позволяет размещать электродвигатель, управляющий поворотом концентратора вокруг оси, вне платформы. Это снижает весогабаритные характеристики поворачивающихся частей, а также их момент инерции, что при частых пусках и остановках снижает энергопотребление, дает возможность применять менее мощный электродвигатель, улучшая тем самым эксплуатационные характеристики.
Выполнение второй части первой кинематической связи в виде цепной передачи снижает весогабаритные характеристики устройства, что снижает энергопотребление в процессе работы и улучшает эксплуатационные характеристики.
Выполнение второй кинематической связи в виде червячной передачи снижает весогабаритные характеристики устройства.
Выполнение червяка глобоидным уменьшает весогабаритные характеристики механизма, а выполнение червячной передачи самотормозящейся позволяет автоматически фиксировать концентратор в нужном положении после отключения электродвигателей, что упрощает конструкцию и улучшает эксплуатационные характеристики привода.
Намагничивание червяка в радиальном направлении позволяет использовать его в виде датчика угла поворота концентратора, разместив при этом рядом с червяком, например геркон или датчик Холла. Это упрощает конструкцию, повышает ее надежность и улучшает эксплуатационные характеристики привода.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена схема устройства для получения тепловой и электрической энергии. На фиг. 2 изображен вид А устройства. На фиг. 3 изображена схема котла, отапливаемого ископаемым топливом.
Устройство для получения тепловой и электрической энергии содержит платформу 1, закрепленную на червячном зубчатом колесе 2, установленном с возможностью поворота на втулке 3, неподвижно закрепленной на основании 4, и сопряженном с червяком 5, соединенным с первым электродвигателем (не показан) и вращающимся в опорах основания. В платформе с возможностью вращения установлена ось 6, на которой неподвижно закреплены ведущее колесо 7 (звездочка) цепной передачи 8 и зубчатый сектор 9, сопряженный с зубьями глобоидного червяка 10, который установлен в пазу 11 платформы 1 с возможностью осевого вращения и имеет жестко закрепленное на оси червячное колесо 12, сопряженное с червяком 13, вал 14 которого установлен во втулке 3 с возможностью вращения и соединен со вторым электродвигателем (не показан), закрепленным на основании 4. Ведомое колесо 15 цепной передачи и концентратор 16 солнечных лучей, неподвижно закреплены на установленной в платформе с возможностью вращения горизонтальной оси 17, на которой может быть размещен торсион 18 для компенсации неуравновешенности, создаваемой смещенным относительно горизонтальной оси центром тяжести концентратора. На пересечении горизонтальной и вертикальной осей вращения концентратора неподвижно размещена тепловоспринимающая поверхность в виде пустотелой сферы 19 (котла), имеющей трубы 20, 21 соответственно для подвода холодной и отвода горячей воды (пара), при этом труба 20 может быть с зазором пропущена сквозь червяк 13 и закреплена некоторым образом, например снизу основания 4. В этом случае концентратор должен иметь щель 22 шириной больше диаметра трубы, для пропуска последней в процессе работы. Заметим, что труба может быть закреплена и другим образом. Труба 21 может быть соединена с котлом 23, имеющим размещенные в воде 24 дымовые трубы 25, паровое пространство 26 которого через паропровод 27 и пароперегреватель 28 сообщено с паровой турбиной 29, которая кинематически связана с генератором 30, вырабатывающим электроэнергию для потребителя. В топке 31 котла размещены горелки 32 для сжигания, например газового топлива, продукты 33 горения которого через дымовые трубы котла и дымогарную трубу поступают в атмосферу.
Работает устройство для получения тепловой и электрической энергии следующим образом.
Для поворота концентратора 16 вокруг вертикальной оси включают первый электродвигатель, в результате чего червяк 5 начинает вращаться в опорах основания и поворачивать на втулке 3 зубчатое колесо 2 вместе с платформой 1 (фиг. 1-2). При этом происходит также поворот в горизонтальной плоскости оси 6 и глобоидного червяка 10 с червячным колесом 12, которое своими зубьями будет скользить по винтовой поверхности червяка 13. Так как угол поворота платформы 1 в процессе очередной коррекции своего положения по солнцу небольшой, а передаточное отношение от червяка 13 до сектора 9, наоборот, большое, то колесо 12 будет практически стоять на месте при повороте платформы, тем более не будет поворачиваться сектор 9 с горизонтальной осью 6 и колесами 7, 15, а следовательно, и концентратор 16 вместе с осью 17. При достижении концентратором нужного положения (азимута) выключают первый электродвигатель, обеспечивая за счет самоторможения червячной передачи его фиксацию.
Для поворота концентратора 16 вокруг горизонтальной оси включают второй электродвигатель, благодаря чему начинают вращаться вал 14 с червяком 13, который посредством зубчатого колеса 12 и связанного с ним червяка 10 поворачивает зубчатый сектор 9 с осью 6 и колесом 7. При этом за счет цепной передачи 8 происходит поворот ведомого колеса 15 с горизонтальной осью 17 и концентратором 16 до требуемого положения, после чего производят его фиксирование путем выключения двигателя. При этом на нижней части тепловоспринимающей поверхности сферы 19 формируется нагревающее теплоноситель световое пятно сконцентрированных солнечных лучей, перемещающееся по этой поверхности в процессе слежения за солнцем в течение светового дня, на протяжении которого коррекцию концентратора можно выполнять по заранее заданной программе. Заметим, что, так как оба электродвигателя размещены на основании 4, то механизм системы слежения за солнцем получается максимально облегченным, что позволяет использовать электродвигатели малой мощности на перемещение концентратора, положение которого можно легко «запоминать» по количеству оборотов червяков.
В результате воздействия солнечной энергии вода в сфере 19 будет постоянно нагреваться и поступать (например с помощью насоса) по трубе 21 в котел 23, где при необходимости будет нагреваться до большей температуры, соприкасаясь с теплопередающей поверхностью дымовых труб 25, обогреваемых продуктами 33 горения газового топлива, сжигаемого горелками 32 (фиг. 3). Заметим, что для нагрева большого количества воды с помощью солнечной энергии необходимо в котел 23 подавать горячую воду от нескольких сфер 19, нагреваемых автономно, отдельно стоящими концентраторами, являющимися часть описанного устройства. Из парового пространства 26 через паропровод 27 и пароперегреватель 28 пар высоких параметров поступает в турбину 29, вращающую генератор 30, который производит электроэнергию. Отработавший после турбины пар можно использовать для нагрева холодной воды или непосредственно для производственных нужд.
В пасмурную погоду увеличивают количество сжигаемого в топке газа на величину, обеспечивающую выделение в котле тепловой энергии, которая равна теплоте, передаваемой воде сферой 19. При этом количество вырабатываемой энергии для потребителя остается прежним. Заметим, что при этом можно повернуть концентратор 16 до занятия им максимально возможного верхнего положения, в котором его зеркало будет защищено от осадков.
Внедрение изобретения позволит создать простое по конструкции, надежное и удобное в эксплуатации устройство для получения тепловой и электрической энергии, которое можно эксплуатировать как отдельно, так и совместно с котлом, отапливаемым ископаемым топливом.