МОЩНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОТЕПЛОСТАНЦИЯ ГЕРУНИ-"АРЕВ" (МСЭТС ГЕРУНИ-АРЕВ") Российский патент 2007 года по МПК F24J2/42 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к мощным солнечным электротеплостанциям (МСЭТС).

Известна МСЭТС [1] с неподвижным сферическим зеркалом-концентратором, подвижной фермой, следящей за Солнцем, воздушным контуром открытого типа для выработки электро- и тепловой энергии, с основным теплообменником (ОТО) для выработки электроэнергии и дополнительным теплообменником (ДТО) для выработки электро- или тепловой энергии.

В указанной МСЭТС ОТО имеет профиль в соответствии с уравнением

х=cos θ - A cos 2θ-(sinθ)ctg 2θ,

у=A sin 2θ,

где х, у - координаты точек профиля ОТО,

l - расстояние от центра сферы (т.е. начала координат) до вершины профиля ОТО,

θ - угол между осью симметрии ОТО, направленной на Солнце и радиусом сферы в точке падения текущего луча от Солнца, причем

x, у, l - выражены в долях радиуса сферы, принятого за единицу.

Этим же уравнением задан профиль огибающей ОТО, выполненного в виде спирального воздуховода.

Это уравнение обеспечивает перпендикулярнность лучей от зеркала в каждой точке профиля ОТО.

Однако такой ОТО имеет низкие КПД и надежность, т.к. его стенки (в частности, в районе вершины ОТО и весь спиралевидный ОТО) не имеют достаточно тесного контакта с продуваемым воздухом-теплоносителем, а также велика вероятность расплавления верхней части ОТО (где интенсивность приходящих лучей максимальна); а также образования трещин в теле ОТО из-за сильных температурных деформаций, возникающих от быстрого и неравномерного перепада температуры (тепловой удар) в момент введения ОТО в фокальную область зеркала, в которой температура необдуваемого металла достигнет 2000°С, в то время как температура воздуха на входе турбины (и на выходной части ОТО) должна быть около 800°С.

Кроме того, длинный тракт передачи горячего воздуха от ОТО к турбине, установленной на вершине опорной башни, или у ее основания, а также неиспользованное тепло от горячего воздуха выхлопа турбины (с температурой около 400°С) приводят к потерям тепла и снижению КПД ОТО и МСЭТС в целом.

Целью настоящего изобретения является существенное повышение КПД, надежности и долговечности работы ОТО и МСЭТС в целом.

Поставленная цель достигается тем, что предложенная Мощная солнечная электротеплостанция Геруни-"APEB", содержащая неподвижно установленный зеркальный коллиматор, выполненный в виде вырезки из полусферы, воздушный контур выработки энергии открытого типа, подвижную ферму, следящую за Солнцем, установленную с возможностью вращения вокруг центра сферы, теплообменники, компрессор, турбину и электрогенератор, содержит РТО, ПТО, ОТО и ВТО, где ПТО имеет цилиндрический рабочий профиль, ОТО выполнен из двух последовательно соединенных частей, нижней входной с усеченным сверху профилем, к которой лучи приходят перпендикулярно к рабочей поверхности в каждой точке, и верхней выходной, выполненной в виде усеченного конуса, причем обе части выполнены в виде ряда продольных, примыкающих друг к другу отдельных воздуховодов трапециевидного сечения, ПТО выполнен из таких же воздуховодов и установлен в воздушном тракте между компрессором и основным теплообменником, выход которого подсоединен ко входу турбины, на выходе которой установлен РТО, а после него в выхлопном потоке воздуха от турбины установлен ВТО; при этом компрессор, РТО, ПТО, ВТО, турбина и электрогенератор соединены в компактный узел выработки энергии, расположенный в нижней и средней частях подвижной фермы.

Наличие причинно-следственных связей между совокупностью существенных признаков данного изобретения и достигаемым техническим результатом (целью изобретения) заключается прежде всего в следующем.

Новая конфигурация ОТО (из двух частей) и новая конструкция ОТО (из ряда продольных воздуховодов) позволяют резко повысить его эффективность, избежать расплавления тела ОТО в районе вершины, а также трещин при тепловом ударе.

Новая компановка ПТО, ОТО, РТО u BTO вместе с компрессором, турбиной и электрогенератором в единый узел выработки энергии, расположенный в нижней и средней частях вращающейся фермы, позволяет повысить КПД, надежность и срок безотказной службы МСЭТС путем устранения потерь тепла в высокотемпературных соединительных воздуховодах и исключения гибких (в двух плоскостях) соединений этих воздуховодов.

На фиг.1 показана схема лучей от Солнца в системе МСЭТС, причем лучи перенумированы (0.1, 0.2,...) в долях радиуса зеркала. На фиг.2 представлены деформации ОТО при тепловом ударе. На фиг.3 показаны стенки ОТО и ПТО, выполненные из отдельных воздуховодов. На фиг.4 показана схема размещения основных узлов контура выработки энергии МСЭТС.

Из фиг.1 ясно, что плотность приходящих лучей в область у вершины кривой профиля прежнего ОТО (см. пунктирную линию с вершиной в точке l) гораздо выше, чем на нижних краях ОТО. В результате в области вершины (т.е. в квазифокусе зеркала) собирается тепловая энергия мощностью до мегаватт и выполнение этой области по пунктирной линии (как в прототипе) приведет к расплавлению материала ОТО. Расчеты показывают, что без струи воздуха от компрессора (продуваемого между двойными стенками ОТО), материал ОТО (сталь) прогреется до температуры более 2000°С. Но эта струя воздуха охлаждает ОТО до примерно 800°С. При этом воздух сам нагревается (от стенок) тоже примерно до 800°С и отдает это тепло турбине, вращая ее. В этом наша цель, но как избавиться от угрозы расплавления?

Проблему можно решить, увеличив площадь (прежнюю) рабочей поверхности ОТО у его вершины. На фиг.1 показано, что верхняя часть ОТО плавно переходит в усеченный конус с существенно большей (чем пунктир) поверхностью. В конической части углы падения лучей на рабочую поверхность не прямые, т.е. коэффициент поглощения меньше, однако отраженная часть энергии направлена на противоположную стенку конуса и поглощается ею. Такие многократные отражения от стенок конуса обеспечивают практически полное поглощение энергии от каждого луча. В этом смысле коническую часть ОТО можно назвать "черным телом", откуда попавшие туда лучи не выходят наружу, т.е. отдают свое тепло полностью (КПД равен почти 1).

В нижней же части ОТО, имеющей профиль в соответствии с приведенным уравнением, лучи приходят перпендикулярно к рабочей поверхности в каждой точке, что обеспечивает высокий коэффициент поглощения.

Кроме того, у теплообменников, в частности у ОТО и ПТО, существует проблема теплового удара, когда последние вводятся в фокальную область зеркала. Происходит резкое расширение стенок ОТО и ПТО, причем их внутренние стенки (рабочая поверхность) деформируются больше и раньше, чем наружные стенки, которые прогреются до той же температуры позже, спустя несколько минут. Но этого достаточно, чтобы в теле ОТО и ПТО возникли трещины из-за неравномерного нагрева. На фиг.2 показана продольная деформация стенок ОТО при тепловом ударе. Здесь условно принято, что зафиксирован стык между верхней и нижней частями ОТО. Проблему можно решить и резко уменьшить деформации, если выполнить стенки в виде продольных отдельных воздуховодов трапецевидного сечения, показанных на фиг.3а. При этом тепло от рабочей стенки к наружной стенке ОТО будет передаваться не только струёй воздуха, но и металлическими перемычками между внутренней и наружной стенками, что резко ускорит выравнивание температур между стенками. На фиг.3б показано поперечное сечение воздуховодов и видны перемычки между стенками и трапецевидное сечение воздуховодов. Введение отдельных воздуховодов плодотворно тем, что стенки ОТО и ПТО получают возможнсть "дышать" при тепловом ударе, иметь больше гибкости, одинаковые деформации и не ломаться.

На фиг.4 представлена схема компановки всего узла выработки энергии. Над ОТО представлена цепочка следующих узлов: стартер (С), компрессор (К), турбина (Т), регенеративный теплообменник (РТО), водяной теплообменник (ВТО), электрогенератор (ЭГ), редуктор (Р). Предварительный теплообменник (ПТО) на фиг.4 не показан, т.к. он может быть исключен из системы, при наличии РТО. При этом повышается КПД МСЭТС, т.к. сокращается длина горячих воздуховодов РТО-ОТО и потери в них тепла.

Приведенная на фиг.4 верхняя цепочка узлов (С, К, Т, РТО) свидетельствует о том, что ее роль в МСЭТС может исполнять авиационный (или танковый) газотурбинный двигатель (ГТД) с небольшими переделками: не нужны камеры сгорания, необходимо обеспечить фланцы для выхода воздуха от компрессора и его входа на турбину. Причем многие типы ГТД имеют вмонтированный внутри и РТО (как показано на фиг.4).

Схема на фиг.4 утрирована. На самом деле общая длина верхней цепочки меньше, чем нижний диаметр ОТО, так что вся цепочка входит в габариты поперечного сечения подвижной фермы, несущей ОТО.

Работа всей системы, представленной на фиг.4, происходит следующим образом. Включается стартер (С) от внешнего источника питания (напр., аккумулятора) и компрессор (К) прогоняет воздух через РТО и ОТО, после чего ОТО вводится в фокальную область зеркала, стартер выключается, и прогретый в РТО и ОТО воздух поступает на турбину (Т) и, отдавая ей тепло, вращает ее и электрогенератор. На пути все еще горячего выхлопного потока воздуха от турбины стоит водяной теплообменник (ВТО), на вход которого подается вода, которая выходит из ВТО в горячем виде или в виде пара.

МСЭТС "Арев" экологически чистая. Она берет воздух из атмосферы и возвращает его обратно, не загрязняя его продуктами сгорания, не сжигая его кислород и т.д.

МСЭТС "Арев" могут быть мощностью до 20 МВт каждая, причем эта мощность одинаковая зимой и летом. КПД каждой мощной станции равен 0.4-0.5. Себестоимость выработанной электроэнергии составляет около 0.002 ам. доллара (0.2) или примерно 5.6 копейки за 1 кВт·час. При необходимости иметь очень большие мощности, экономически целесобразнее строить несколько МСЭТС "Арев" по 10-20 МВт каждая.

Литература

1. Геруни П.М. Патент РФ 2034204, приоритет от 18.08.92, публ. Из. № 12, 1995 г.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к мощным солнечным электротеплостанциям (МСЭТС). Электротеплостанция Геруни-"Арев" содержит неподвижный сферический зеркальный концентратор, воздушный контур выработки энергии открытого типа, подвижную ферму, вращающуюся вокруг центра сферы и следящую за движением Солнца, предварительный, основной и водяной теплообменники (ПТО, ОТО, ВТО), компрессор, турбину и электрогенератор. При этом ПТО имеет цилиндрический профиль, а ОТО - профиль, заданный специальным параметрическим уравнением. ОТО выполнен из двух последовательно соединенных частей - нижней, усеченный сверху профиль которой выполнен в соответствии с уравнением, и верхней части, выполненной в виде усеченного конуса, причем обе части, как ПТО, выполнены в виде продольных, примыкающих друг к другу отдельных воздуховодов трапециевидного сечения, ПТО установлен в воздушном тракте между компрессором (или регенеративным теплообменником РТО, если он имеется) и ОТО, выход которого подсоединен ко входу турбины, на выходе которой установлен РТО, а после него в выходном потоке воздуха от турбины установлен ВТО, при этом компрессор, РТО, ПТО, ОТО, турбина, электрогенератор и ВТО соединены в компактный узел выработки энергии, расположенный в нижней и средней частях подвижной фермы. Изобретение должно повысить КПД и надежность работы. 4 ил.

Мощная солнечная электротеплостанция Геруни-"Арев", содержащая неподвижно установленный зеркальный коллиматор, выполненный в виде вырезки из полусферы, воздушный контур выработки энергии открытого типа, подвижную ферму, следящую за Солнцем, установленную с возможностью вращения вокруг центра сферы, теплообменники, компрессор, турбину и электрогенератор, отличающаяся тем, что электротеплостанция содержит регенеративный, предварительный, основной и водяной теплообменники, где предварительный теплообменник имеет цилиндрический рабочий профиль, основной теплообменник выполнен из двух последовательно соединенных частей, нижней входной с усеченным сверху профилем, к которой лучи приходят перпендикулярно к рабочей поверхности в каждой точке, и верхней выходной, выполненной в виде усеченного конуса, причем обе части выполнены в виде ряда продольных, примыкающих друг к другу отдельных воздуховодов трапециевидного сечения, предварительный теплообменник выполнен из таких же воздуховодов и установлен в воздушном тракте между компрессором и основным теплообменником, выход которого подсоединен ко входу турбины, на выходе которой установлен регенеративный теплообменник, а после него, в выхлопном потоке воздуха от турбины установлен водяной теплообменник, при этом компрессор, регенеративный, предварительный, водяной теплообменники, турбина и электрогенератор соединены в компактный узел выработки энергии, расположенный в нижней и средней частях подвижной фермы.