СОЛНЕЧНАЯ ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2005 года по МПК F24J2/42 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к паротурбинным установкам малой мощности с органическими рабочими телами, использующими приемники солнечного излучения в качестве источников тепловой энергии, и может быть использовано для электроснабжения малых потребителей, в частности в сельском хозяйстве, лесоперерабатывающей промышленности, а также в качестве источника электроэнергии и горячей воды в местах временной, сезонной или спонтанно возникшей потребности в энергоносителях, в местностях с нарушенной инфраструктурой (при ликвидации последствий стихийных бедствий или техногенных катастроф), а также в других экстремальных условиях, обусловленных природным, техногенным или человеческим фактором.

Известна (RU, патент 2170852, 2001) солнечная энергетическая установка, содержащая приемник солнечной энергии в виде бассейна, заполненного рабочим телом и герметично закрытым прозрачной пленкой, при этом в указанном бассейне дополнительно расположено твердое тело, поглощающее энергию. Кроме того, установка содержит конденсатор отработанного рабочего тела, выход которого соединен с объемом указанного бассейна, и парогазовую турбину, на одной оси с которой расположены газовый компрессор и электрогенератор. Пространство над рабочим телом в бассейне соединено с входом парогазовой турбины.

Недостатком известного устройства следует признать невозможность его работы при низкой солнечной активности, поскольку концентрация паров рабочего тела может быть недостаточна для работы парогазовой турбины.

Известна солнечная паротурбинная установка (SU, авторское свидетельство 826052, 1981), содержащая концентратор солнечной энергии, включенный в контур циркуляции рабочего тела. В состав указанного контура также входят последовательно расположенные парогенератор, турбина, регенератор с патрубками подвода и отвода нагреваемой и нагревающей сред, струйный конденсатор, вход которого соединен с выходом регенератора по нагревающей среде, радиатор, вход которого соединен с выходом струйного конденсатора, а выход - с входом струйного конденсатора.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения можно признать (Гелиомеханика, том 1, “Солнечные электрические стации”, § 2.3.5, /под ред. Р.Б.Ахмедова и др./, М. 1986) паротурбинную установку солнечной электростанции башенного типа, содержащую солнечный концентратор, солнечный приемник-теплообменник, емкость аккумулятор горячего теплоносителя, емкость отработанного теплоносителя, насос циркуляционный теплоносителя, парогенератор, паровую турбину, регенеративный подогреватель, конденсатор и насос циркуляционный рабочего тела.

Однако в этой паротурбинной установке солнечный приемник-теплообменник расположен в фокальной части единого концентратора, что приводит к усложнению конструкции и удорожанию системы ориентации солнечного приемника. К недостаткам контура теплоносителя следует отнести то, что циркуляцию теплоносителя в приемнике-теплообменнике осуществляет циркуляционным насосом, что требует внешнего источника электроэнергии при запуске солнечной паротурбинной установки.

Техническая задача, решаемая посредством предложенного устройства, состоит в повышении работоспособности и эксплуатационной возможности установки при одновременном упрощении и удешевлении конструкции.

Технический результат, получаемый в результате реализации предложенного устройства, состоит в уменьшении себестоимости получаемых энергоносителей - электричества и тепловой энергии.

Поставленная задача достигается тем, что в солнечной паротурбинной установке, содержащей контур циркуляции рабочего тела, в котором последовательно соединены между собой трубопроводами парогенератор с патрубками входа жидкого рабочего тела и выхода пара, паровая турбина, совмещенная с электрогенератором, регенеративный подогреватель с патрубками подвода и отвода греющей и нагреваемой сред, конденсатор с патрубками подвода и отвода охлаждаемой среды и насос циркуляционный рабочего тела, и контур циркуляции теплоносителя, в котором также последовательно соединены трубопроводами в единую цепь солнечный приемник, емкость-аккумулятор горячего теплоносителя, указанный парогенератор с патрубками подвода горячего и отвода отработанного теплоносителя, емкость отработанного теплоносителя и насос циркуляционный теплоносителя, причем солнечный приемник выполнен в виде отдельных независимых секций, соединенных между собой параллельно в любом количестве, а контур циркуляции теплоносителя снабжен емкостью напорной, подключенной входным патрубком к выходному патрубку насоса циркуляционного теплоносителя, а выходным патрубком к входному патрубку солнечного приемника. Каждая секция солнечного приемника состоит из концентратора солнечной энергии, в фокальной части которого установлен теплообменник, входной патрубок которого соединен с выходным патрубком емкости напорной, а выходной патрубок соединен с входным патрубком емкости-аккумулятора горячего теплоносителя, при этом каждая указанная секция снабжена термостатом, установленным в выходном патрубке теплообменника.

Предпочтительно для обеспечения возможности запуска паротурбинной установки в условиях отсутствия посторонних источников электроэнергии, в контуре циркуляции теплоносителя емкость напорную располагают выше емкости-аккумулятора горячего теплоносителя, а парогенератор - выше емкости отработанного теплоносителя и ниже емкости-аккумулятора горячего теплоносителя. Обычно парогенератор, емкость-аккумулятор горячего теплоносителя, емкость отработанного теплоносителя, емкость напорная, солнечная сторона теплообменника и трубопроводы, связывающие их между собой снаружи, изолируют от окружающей среды. Предпочтительно, в качестве рабочего тела использовано органическое вещество (жидкость или легковозгоняемое соединение).

На чертеже приведена блок-схема базового варианта предлагаемой солнечной паротурбинной установки.

В базовом варианте солнечная паротурбинная установка содержит солнечный приемник 1, парогенератор 2, паровую турбину 3 с электрогенератором 4, регенеративный подогреватель 5, конденсатор 6, насос 7 циркуляционный рабочего тела, емкость-аккумулятор 8 горячего теплоносителя, емкость 9 отработанного теплоносителя, насос 10 циркуляционный теплоносителя и емкость 11 напорную. Солнечный приемник 1 содержит секции 12. Каждая секция 12 содержит теплообменник 13, термостат 14 и концентратор 15 солнечной энергии.

Установка в предпочтительном варианте реализации работает следующим образом.

Перед началом работы установки емкость 11 напорная, емкость 9 отработанного теплоносителя и солнечный приемник 1 заполнены в необходимой степени теплоносителем, а термостаты 14 закрыты.

При поступлении солнечной радиации теплоноситель в теплообменниках солнечного приемника 1 нагревается, нагревая при этом чувствительные элементы термостатов 14 секций 12.

При достижении температуры теплоносителя в теплообменниках солнечного приемника 1 заданной величины термостаты 14 постепенно открываются в той степени, в какой необходимо для поддержания заданной температуры и под действием напора, создаваемого емкостью 11 напорной, теплоноситель поступает в емкость-аккумулятор 8 горячего теплоносителя и далее самотеком в парогенератор 2 и затем в емкость 9 отработанного теплоносителя. Объем емкости 11 напорной должен быть достаточен для нагрева рабочего тела в парогенераторе до необходимой температуры и запуска паротурбинной установки. Емкость-аккумулятор 8 горячего теплоносителя служит буфером между солнечным приемником 1 и парогенератором 2. По мере опорожнения емкости 11 напорной, периодически действием насоса 10 циркуляционного перекачивают теплоноситель из емкости 9 отработанного теплоносителя в емкость 11 напорную, откуда теплоноситель самотеком снова поступает в солнечный приемник 1 для нагрева.

Пар из парогенератора 2 поступает в паровую турбину 3, производит работу по вращению турбины и выработке электрического тока, а после выхода из паровой турбины 3 поступает в регенеративный подогреватель 5, дополнительно отдает часть тепла и поступает в конденсатор 6, где происходит его конденсация, после которой он скапливается в нижней части конденсатора в жидком виде. Из конденсатора 6 рабочее тело насосом 7 циркуляционным рабочего тела через регенеративный подогреватель 5 подают снова в парогенератор 2 и цикл повторяют.

Тепловую мощность солнечного приемника 1 устанавливают больше тепловой мощности, потребляемой паровой турбиной 3 при работе на номинальной мощности. Это дает возможность создавать запас горячего теплоносителя, который используется при переменной облачности, а в безоблачные дни обеспечивает продолжение бесперебойной работы установки после прекращения поступления солнечной радиации на солнечный приемник 1.

Наличие в солнечной паротурбинной установке солнечного приемника, состоящего из отдельных секций, снабженных теплообменниками и термостатами, обеспечивающими нагрев теплоносителя до заданной температуры, позволяет использовать солнечные приемники простой конструкции без ориентации или с частичной ориентацией на солнце, что упрощает и удешевляет конструкцию, а возможность накопления запаса горячего теплоносителя повышает работоспособность установки и расширяет эксплуатационные возможности. Наличие в контуре теплоносителя напорной емкости и взаиморасположение в пространстве емкостей и парогенератора, обеспечивающее самотек теплоносителя, позволяет запустить солнечную паротурбинную установку из холодного состояния без иных, кроме солнечного, источников энергии.

Это обстоятельство обеспечивает полную автономность работы солнечной паротурбинной установки.

Применение предложенной конструкции позволяет относительно конструкции, использованной в качестве ближайшего аналога, уменьшить себестоимость получаемых энергоносителей - электричества и тепловой энергии примерно на 9,7%.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к паротурбинным установкам малой мощности с органическими рабочими телами, использующими приемники солнечного излучения в качестве источников тепловой энергии, и может быть использовано для электроснабжения малых потребителей. Солнечная паротурбинная установка содержит контур циркуляции рабочего тела с последовательно соединенными парогенератором с патрубками входа жидкого рабочего тела и выхода пара, паровой турбиной, совмещенной с электрогенератором, регенеративным подогревателем с патрубками подвода и отвода греющей и нагреваемой сред, конденсатором с патрубками подвода и отвода охлаждаемой среды и циркуляционным насосом рабочего тела, и контур циркуляции теплоносителя, в котором также последовательно соединены трубопроводами в единую цепь, солнечный приемник, емкость-аккумулятор горячего теплоносителя, парогенератор с патрубками подвода горячего и отвода отработанного теплоносителя, емкость отработанного теплоносителя и циркуляционный насос теплоносителя, при этом солнечный приемник выполнен в виде отдельных независимых секций, соединенных между собой параллельно в любом количестве, а контур циркуляции теплоносителя снабжен напорной емкостью. Изобретение должно обеспечить повышение работоспособности при упрощении конструкции. 4 з.п.ф-лы,1 ил.

1. Солнечная паротурбинная установка, содержащая контур циркуляции рабочего тела, в котором последовательно соединены между собой трубопроводами парогенератор с патрубками входа жидкого рабочего тела и выхода пара, паровая турбина, совмещенная с электрогенератором, регенеративный подогреватель с патрубками подвода и отвода греющей и нагреваемой сред, конденсатор с патрубками подвода и отвода охлаждаемой среды и насос циркуляционный рабочего тела, и контур циркуляции теплоносителя, в котором также последовательно соединены трубопроводами в единую цепь солнечный приемник, емкость-аккумулятор горячего теплоносителя, парогенератор с патрубками подвода горячего и отвода отработанного теплоносителя, емкость отработанного теплоносителя и насос циркуляционный теплоносителя, отличающаяся тем, что солнечный приемник выполнен в виде отдельных независимых секций, соединенных между собой параллельно в любом количестве, а контур циркуляции теплоносителя снабжен емкостью напорной, подключенной входным патрубком к выходному патрубку насоса циркуляционного теплоносителя, а выходным патрубком - к входному патрубку солнечного приемника.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каждая секция солнечного приемника состоит из концентратора солнечной энергии, в фокальной части которого установлен теплообменник, входной патрубок которого соединен с выходным патрубком емкости напорной, а выходной патрубок соединен с входным патрубком емкости-аккумулятора горячего теплоносителя.3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что каждая секция снабжена термостатом, установленным в выходном патрубке теплообменника.4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в контуре циркуляции теплоносителя емкость напорная расположена выше емкости-аккумулятора горячего теплоносителя, а парогенератор -выше емкости отработанного теплоносителя и ниже емкости-аккумулятора горячего теплоносителя.5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что парогенератор, емкость-аккумулятор горячего теплоносителя, емкость отработанного теплоносителя, емкость напорная, солнечная сторона теплообменника и трубопроводы, связывающие их между собой снаружи, теплоизолированы.