СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1994 года по МПК F24J2/42 F24J2/32 

Изобретение относится к области непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую.

Известны солнечные термоэлектронные энергоустановки наземного применения, в которых используют высокотемпературные термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) тепловой энергии. Энергоустановка включает гелиоконцентратор, теплоприемник ТЭП с системой отвода неиспользованного тепла и подсистемы преобразования постоянного тока в переменный.

Недостатком такой установки является неоптимальное использование тепловой энергии солнца.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа солнечная энергетическая установка, содержащая теплоприемник, установленный в фокусе концентратора, преобразователь энергии в виде термоэмиссионных модулей и тепловые трубы, испарительные зоны которых являются анодами термоэмиссионных модулей.

Недостаток установки состоит в низком КПД преобразования тепловой энергии солнца, а также сбросе тепла с большим температурным потенциалом, оправданном в условиях космоса, но не в наземных условиях, где массогабаритные параметры не являются определяющим критерием солнечной энергетической установки.

Задачей изобретения является повышение КПД солнечной установки, а ее решением - создание двухкаскадной солнечной установки, в которой непреобразованное тепло высокотемпературного термоэмиссионного каскада не сбрасывается, а передается рабочему телу низкотемпературного каскада в виде двигателя Стирлинга с электрогенератором с помощью электрически изолированных от термоэмиссионных модулей тепловых труб, испарительная зона которых является анодами термоэмиссионных модулей и расположена в теплоприемнике, а зона конденсации является нагревателем двигателя Стирлинга.

На фиг. 1 представлен общий вид солнечной установки; на фиг. 2 - двухкаскадный преорбразователь солнечной энергии в электрическую.

Установка содержит концентратор 1 солнечной энергии в виде зеркала, двухкаскадный преобразователь энергии 2 соединенный штангами с концентратором, снабженным приводом с устройством слежения за Солнцем 3.

Двухкаскадный преобразователь включает высокотемпературный каскад в виде установленной в теплоприемник 4 батареи последовательно соединенных преобразователей, коллекторы 5 которых через слой изоляции 6 закреплены на испарительной зоне тепловой трубы 7, зона конденсации которой служит нагревателем 8 рабочего тела двигателя Стирлинга. Тепловая труба 7 электрически изолирована от эмиттера 9 гермовводом 10, обеспечивающим также изолированный вывод тока с коллектора, и от корпуса 11 гермовводом 12.

Двигатель Стирлингла содержит паровую камеру 13, заполненную рабочим телом, например парами натрия, теплообменник 14, заполненный рабочим телом, например гелием, охладитель 15, регенератор 16, свободнопоршневой цилиндр 17, вытеснительный поршень 18, цилиндр линейного электрогенератора 19, рабочий поршень 20, якорь 21 линейного генератора, обмотку 22 линейного генератора, клеммник нагрузки постоянного тока 23 и переменного тока 24.

Работает предложенная энергетическая установка следующим образом. Солнечная энергия концентратором 1 передается эмиттерам 9 термоэмиссионных преобразователей. Часть тепла при переходе с эмиттера 9 на коллектор 5 ТЭП преобразуется в постоянный ток с КПД до 12% , снимаемый с клемм 23. Непреобразованное ТЭП тепло отводится от коллекторов 5 через слой изоляции 6 тепловыми трубами 7 в паровую камеру 13 двигателя Стирлинга. Зона конденсации тепловых труб обеспечивает нагрев рабочего тела (паров натрия), передающего тепло в теплообменнике 14 рабочему газу (гелию), поступающему в свободнопоршневой цилиндр 17 с вытеснительным поршнем 18. Регенератор 16 и охладитель 15 обеспечивают реализацию термодинамического цикла. Полезная нагрузка снимается линейным электрогенератором 19 с помощью приводимого рабочим поршнем 20 двигателя якоря 21, индуцирующего при колебаниях ЭДС переменного тока в обмотках 22. Возможность создания двухкаскадной наземной солнечной энергетической установки обусловлена благоприятным сочетанием температуры на стыке каскадов, когда отводимое от коллекторов ТЭП тепло является оптимальным для двигателя Стирлинга, а потери тепла на тепловой трубе пренебрежимо малы.

Двухкаскадное устройство, дважды преобразующее тепловую энергию Солнца от одного концентратора, существенно выше по КПД суммы двух устройств - высокотемпературного термоэмиссионного и низкотемпературного - двигателя Стирлинга, каждый из которых должен быть снабжен собственным концентратором с подсистемой ориентации и слежения за Солнцем, а поэтому предложенное устройство компактнее за счет объединения каскадов.

Кроме того, двухкаскадное устройство имеет дополнительные удобства при эксплуатации в том, что генерируемая ТЭП ЭДС при разогреве высокотемпературного каскада используется как источник системы автоматического запуска всей установки, что исключает необходимость использования внешнего источника электроэнергии.

КПД предложенного двухкаскадного устройства составляет 40-50% , что существенно выше КПД прототипа ( ≈10% ).

Использование: преобразование солнечной энергии в электрическую в наземных энергетических установках. Цель: более полное использование солнечной энергии. Сущность изобретения: солнечная энергетическая установка содержит установленный в фокусе концентратора теплоприемник с расположенными в нем термоэмиссионными модулями, снабженными электроизолированными тепловыми трубами, испарительные зоны которых являются анодами термоэмиссионных модулей, а конденсационные зоны являются нагревателями двигателя Стирлинга с электрогенератором. 2 ил.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая теплоприемник, установленный в фокусе концентратора, преобразователь энергии в виде термоэмиссионных модулей и тепловые трубы, испарительные зоны которых являются анодами термоэмиссионных модулей, отличающаяся тем, что, с целью более полного использования солнечной энергии, установка содержит дополнительный преобразователь в виде двигателя Стирлинга с электрогенератором, нагревателем двигателя являются конденсационные зоны тепловых труб, электрически изолированных от термоэмиссионных модулей, а последние расположены в теплоприемнике.