ГЕЛИОАЭРОБАРИЧЕСКАЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК F24J2/42 

Изобретение относится к энергетическим комплексам, источником тепловой энергии в которых является солнечная энергия в ряде ее проявлений (прямая солнечная радиация, отраженные лучи, естественный ветер и другие).

Известно техническое решение, обеспечивающее создание гелиоаэробарической теплоэлектростанции (ГАБ ТЭС) повышенной эффективности с использованием солнечной энергии в комплексе ее компонент, проявленных в окружающей среде, с применением теплоаккумуляторов, созданных на основе водных или сыпучих теплоаккумулирующих материалов, гелиотеплопреобразующих устройств и текучих теплоносителей в виде воздуха или воды, воздухозаборного канала, ветротурбоэлектрогенератора, ветровоздухонаправляющих поверхностей и образованных ими энергетических пространств, тяговой трубы с управляемой надстройкой к ней и финишных участков указанных энергетических пространств с образованием вращательно-поступательной вихревой траектории движения центрального энергетического воздухопотока, приводящего во вращение ветротурбоэлектрогенератор, за счет чего ускоряется движение центрального энергетического воздухопотока и повышается коэффициент использования солнечной радиации и энергии ветра, поступающих на территорию ГАБ ТЭС (см. патенты РФ №2199703 «Энергетический комплекс», F24J 2/42, опубл. 27.02.2003 г.; №2200915 «Способ создания мощных гелиоэнергоустановок», F24J 2/42, опубл. 20.03.2003 г., №2199023 «Ветроэнергетический комплекс», F03D 9/00, F24J 2/42, опубл. 20.02.2003 г.). В этих патентах введена и дополнительная терминология в гелиоэнергетике, в том числе понятие «ГАБ ТЭС».

Кроме того, техника и технология создания вращательно-поступательного вихревого движения центрального энергетического воздухопотока, а также повышения эффективности применения прямых и отраженных солнечных лучей разработаны для ГАБ ТЭС в патентах РФ №2265161 «Способ преобразования солнечной энергии» (F24J2/42, 2/00, опубл. 27.11.2005 г.) и №2267061 «Способ термопреобразования солнечной энергии» (F24J 2/42, 2/15, 2/18, опубл. 27.12.2005 г.).

Данные технические решения позволяют, используя целый ряд компонент солнечной энергии, проявленных в окружающей среде, обеспечить устойчивое производство электрической энергии в течение всего года. Однако недостатком их является необходимость на осенне-зимний период запасать увеличенное количество тепловой энергии в теплоаккумуляторах из-за недостаточно эффективного использования его тепловой энергии при снижении его температуры ниже 90 градусов Цельсия, при которой эффективность создания вращательной компоненты движения центрального энергетического воздухопотока уже снижается и, как следствие, понижается КПД ГАБ ТЭС. Кроме того, недостатком данных технических решений является работа ГАБ ТЭС, что характерно для большинства гелиоэлектростанций, с одним источником электрической энергии, в данном случае - с одним ветротурбогенератором. При выходе его из строя или необходимости профилактического обслуживания отпуск электроэнергии потребителям останавливается. Второй из указанных недостатков является еще более существенным, так как он относится к размещению ГАБ ТЭС в местностях, где нет резервных источников электропитания, в том числе и в условиях энергообеспечения обширных территорий на Востоке и Севере России, оазисов в пустынных местностях, в которых отсутствуют развитые системы линий электропередач.

В связи с этим проводятся работы по устранению этих недостатков ГАБ ТЭС, в том числе путем поиска технических возможностей применения отдельно стоящих наземных турбогенераторов, в частности, с применением легко испаряемых жидкостей в качестве рабочего тела, успешно работающих на основе гелиотеплопреобразований, в частности, при температурах до 30-50 градусов Цельсия.

Известно техническое решение, содержащее ветроколесо, электрогенератор, теплоаккумулятор, использующее резервные мощности ветроустановки для нагрева воды и получения пара, направляемого в контур с дополнительно установленной паровой турбиной (см. патент США №5384489 «Ветроэлектрическая установка с системой аккумулирования энергии», F03D 9/02, F22B1 9/02, F22B 1/28, опубл. в 1993 году).

Данное техническое решение позволяет стабилизировать выработку электроэнергии ветроэлектроустановкой и повысить ее КПД, однако по своим техническим особенностям и конструкции такая ветроэлектроустановка не позволяет достигать технико-экономических показателей, характерных для разработанных ГАБ ТЭС.

Известно также техническое решение, основанное на преобразовании температуры водной поверхности, находящейся под тепловым воздействием солнечных лучей, в нагрев вспомогательной жидкости как рабочего тела с низкой температурной кипения и испарения. При этом образуемый пар легко испаряемой жидкости подается в паротурбогенератор для выработки электроэнергии (см. а.с. СССР №1495492 «Океаническая энергетическая установка», F03G 7/04, F01K 25/00, опубл. 23.07.89).

Данное техническое решение использует тепловую энергию солнечных лучей, образующуюся в результате их поглощения водной средой, и позволяет стабильно вырабатывать электрическую энергию, в том числе в местностях, где нет развитых линий электропередач (наземная установка может иметь несколько паровых турбин). Однако технико-экономическая эффективность данного технического решения является низкой из-за его конструктивно-технологических особенностей, отсутствия применения в нем других источников энергопреобразования, например, специальных гелиопоглощающих поверхностей из темного материала и естественного ветра.

Использование паротурбогенераторов на ТЭЦ или АЭС хорошо известно, однако они требуют применения ископаемых энергоносителей и засоряют окружающую среду, в том числе своими теплопотерями, а применение в них градирен не является полезным прототипом.

Другие, известные авторам, технические решения по применению паротурбогенераторов в гелиоветроэнергетике не имеют преимуществ перед описанным выше, а их технико-экономическая эффективность является низкой.

Наиболее близким техническом решением в виде дополнения к предлагаемому авторами варианту гелиоаэробарической теплоэлектростанции с использованием дополнительной электрогенерирующей установки является указанная выше «Океаническая энергетическая установка» (а. с. СССР №1495492, F03G 7/04, F01K 25/00, опубл. 23.07.89), которая может быть использована в качестве наиболее близкого прототипа отдельных отличительных признаков настоящего предлагаемого изобретения. В целом же базовым прототипом последнего являются известные технические решения по созданию ГАБ ТЭС, описанные в вышеуказанных патентах Российской Федерации, которые разработаны авторами настоящего предлагаемого изобретения.

Задачей настоящего технического решения является использование известных технических характеристик ГАБ ТЭС согласно названным патентам РФ №2199703 от 27.02.2003, №2200915 от 20.03.2003, №2199023 от 20.02.03 г., №2265161 от 27.11.05 г. и №2267061 от 27.12.05 г., обеспечивающих им высокие технико-экономические показатели, с разработкой и дополнением их новыми существенными признаками и доработкой их конструктивных решений для достижения более высокого коэффициента использования солнечной энергии, поступающей на территорию ГАБ ТЭС, а также повышения их надежности.

Техническим результатом настоящего предлагаемого изобретения является создание такого гелиоэнергокомплекса, в котором производится высокоэффективное преобразование прямых и отраженных солнечных лучей в тепловую энергию с помощью применения потоков высокотемпературного текучего теплоносителя, воздействующего на термовоздушные потоки с пониженной температурой в сочетании с энергией естественного ветра, с применением новой промышленной конструкции аккумулятора гелиотеплоэнергии. При этом эффективным дополнительным фактором является утилизация тепловых потерь, а также полезное изъятие из теплоаккумулятора тепловой энергии в зонах наиболее активных теплопотерь - для непрерывного производства пара специальной жидкости с пониженной точкой кипения, например, фреона, этилового спирта и его смесей, других веществ. Этот пар направляется в паротурбогенератор, установленный в машзале и вырабатывающий электроэнергию параллельно ветротурбогенератору, размещенному над землей, в устье тяговой трубы, причем с использованем тепловой энергии, теряемой в энергетической системе паротурбогенератора, особенно при конденсации пара, для подогрева термовоздушных потоков, входящих в канал центрального энергетического воздухопотока ГАБ ТЭС. Последнее позволяет интенсифицировать придание ему вращательно-поступательного движения, за счет чего значительно повышается коэффициент полезного использования солнечной энергии, поступающей на территорию ГАБ ТЭС. Вместо паровой турбины может быть эффективно применена и воздушная турбина наземной установки, с определенными технологическими особенностями, о которых будет сказано ниже.

Частными техническими результатами предложенного технического решения являются снижение удельных капитальных затрат на организацию гелиоэнергетического производства электрической и тепловой энергии, существенное снижение их себестоимости, обеспечение более равномерного производства и реализации вырабатываемой энергии, а также высокоточная стабилизация скоростных режимов электрогенераторов и качественных показателей вырабатываемой электроэнергии.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения в гелиоаэробарической теплоэлектростанции с дополнительными источниками электрогенерации, содержащей гелиотеплопреобразующие источники тепловой энергии, ветровоздухонаправляющие поверхности и образованные ими энергетические пространства, ветротурбину с присоединенным к ней электрогенератором, которая приводится во вращение центральным энергетическим воздухопотоком, воздухоотводящий канал, расположенный над ветротурбиной и состоящий из стационарной тяговой трубы и управляемой надстройки к ней, канал термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока перед поступлением его в ветротурбину в качестве финишного участка названных энергетических пространств, включающий энергопреобразующие модули со встроенными теплообменными и/или теплопередающими элементами, подключенными к источникам теплового воздействия на них, и воздухонаправляющими аэродинамическими элементами, посредством которых для центрального энергетического воздухопотока создана вращательно-поступательная траектория движения, теплоаккумулятор, в котором хранится запас тепловой энергии на несолнечный и маловетреный периоды, ветровоздухозаборный канал, связанный с помощью воздухонаправляющего проема с каналом термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока и снабженный ветровоздухонаправляющими поверхностями, которые придают, благодаря образованным между ними щелевым проемам, вращательное движение воздушной среде в нем, и машинный зал, расположенный под ним, причем указанные энергопреобразующие модули расположены вертикально друг над другом и имеют общую центральную ось симметрии совместно с ветротурбиной, воздухоотводящим и ветровоздухозаборным каналами и центральным энергетическим воздухопотоком, имеются отличия в том, что теплопередающие элементы энергопреобразующих модулей подключены, по меньшей мере, к одной центральной емкости высокотемпературного текучего теплоносителя, расположенной в машинном зале, а последняя, в свою очередь, подключена к высокотемпературному гелиотеплопреобразующему устройству в качестве нагревателя проходящего через них теплоносителя, которое оборудовано средствами поглощения солнечных лучей, передачи тепловой энергии данному теплоносителю и утилизации тепловых потерь, теплоизолированными от окружающей среды светопроницаемыми материалами, и связана термодинамически с внутренней средой теплоаккумулятора, который создан за счет устройства емкости, теплоизолированной по всей ее поверхности посредством жесткого пеноматериала, и заполнения последней теплоаккумулирующим материалом, где протекает высокотемпературный теплоноситель, при этом названный теплоаккумулирующий материал термодинамически связан посредством теплоносителя с теплообменным агрегатом, выполненным с применением теплопроводного трубного коллектора, в который поступает для испарения второй теплоноситель, в частности, в виде жидкости с пониженной точкой кипения, и который соединен отводящим паропроводом со входом паротурбогенератора, а подводящим гидроканалом - с гидравлическим насосом, подключенным к выходу холодильника - конденсатора пара жидкого теплоносителя, причем вход последнего соединен вторым паропроводом с выходом паротурбогенератора, за счет чего создан, по меньшей мере, один дополнительный контур производства электрической энергии, электрогенератор в котором применен как независимый источник электрогенерации параллельно электрогенератору ветротурбины, при этом указанный холодильник содержит конденсирующий трубный коллектор, соединенный по циркуляционному каналу охлаждающего рабочего тела со входом теплового преобразователя, нагретый тепловой отвод которого термодинамически связан со вспомогательным теплогенератором, размещенным в ветровоздухозаборном канале и/или посредством управляемой надстройки к тяговой трубе и выполненным в виде теплопередающих жалюзи, щелевые проемы в которых охватывают ее центральную ось и дополнительно усиливают вращательную и поступательную компоненты движения центрального энергетического воздухопотока.

Имеется отличие также в том, что электрические выходы электрогенераторов ветротурбины и, по меньшей мере, одного паротурбогенератора посредством вспомогательных устройств соединены между собой параллельно.

Имеется отличие и в том, что по меньшей мере в один из ее термодинамических каналов включен преобразователь электрической энергии в тепловую, электрические входы которого через устройство управления подключены к электрогенератору ветротурбины, а тепловой отвод посредством высокотемпературного теплоносителя - к одному из названных приемников тепловой энергии, например к центральной емкости и/или к теплоаккумулятору.

Имеется отличие также в том, что названный теплообменный агрегат, включающий теплопроводный трубный коллектор, выполнен во вспомогательной емкости повышенного давления, выход внутренней полости которой подключен через обратный или дистанционно управляемый клапан на вход автономной воздушный турбины, установленной в машинном зале параллельно паровой турбине, а вход ее внутренней полости присоединен к воздухоподающему компрессору, при этом указанный теплопроводный трубный коллектор соединен по циркуляционному термодинамическому каналу с источником тепловой энергии, например, с высокотемпературным гелиотеплопреобразователем, а выходной канал воздушной турбины соединен с энергетическим пространством преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока и/или с внутренней полостью воздухоотводящего канала.

Отличие состоит также в том, что в циркуляционный термодинамический канал, соединяющий названный теплообменный агрегат с теплоаккумулятором посредством текучего теплоносителя, дополнительно включен тепловой преобразователь, содержащий технический аналог вихревой трубки Ранка как средство повышения температуры во внутренней среде теплообменного агрегата.

Следствием указанного технического решения является создание высокотемпературной гидравлической или воздушной системы, обеспечивающей перетоки тепловой энергии между гелиотеплопреобразующим устройством, теплоаккумулятором и теплопередающими элементами канала центрального энергетического воздухопотока, что позволяет осуществлять эффективные воздействия на последний, а также разработка систем энергетического дублирования параллельных по отношению к ветротурбогенератору агрегатов, которые имеют приблизительно одинаковые мощности. Этим повышается надежность при эксплуатации ГАБ ТЭС. Одновременно с этим в данное техническое решение включены такие схемные компоновки, которые позволяют дополнительно снижать теплопотери в ГАБ ТЭС на основе использования следующих конструктивных особенностей.

1. Так как в теплоаккумуляторе температура теплоаккумулирующего материала может достигать значительной величины, его теплопотери через теплоизолированное днище в землю могут быть существенными (и безвозвратными), в то время как теплопотери его через стены и потолочную часть будут направляться, с помощью специальной системы утилизации их, на формирование центрального энергетического воздухопотока. В связи с этим предусматривается расположение одного из теплообменных агрегатов с пониженной внутренней температурой в непосредственной близости к днищу, причем последний применен в канале паротурбогенератора для генерации пара жидкости с пониженной точкой кипения. Таким образом, температура теплоаккумулирующего материала у днища теплоаккумулятора будет значительно сниженной и безвозвратные теплопотери в землю будут меньшими. Если же в теплоаккумулирующей емкости указанный трубный коллектор не устанавливается, а размещается в отдельно стоящей емкости, внутренние среды которых соединены термодинамически, то отбор тепловой энергии от теплоаккумулятора осуществляется в его верхней части, а канал отработанного теплопотока располагается у его днища, чем достигается аналогичный эффект.

2. Конденсация паров жидкости в холодильнике (на выходе паротурбогенератора) будет выделять в нем значительную тепловую мощность - примерно 60% от мощности энергопреобразования. Обычно эта тепловая мощность в стандартных схемах с паровыми турбинами выбрасывается в окружающую среду, в том числе посредством градирен. В разработанном варианте, согласно предлагаемому изобретению, эта тепловая энергия не выбрасывается в окружающую среду, а направляется через тепловой преобразователь на формирование центрального энергетического воздухопотока, который передаст часть этой энергии ветротурбогенератору, дополнительно повышая коэффициент полезного использования солнечной энергии, поступающей на территорию ГАБ ТЭС.

В дополнение к этому, электрогенерирующие силовые установки в ГАБ ТЭС подключены параллельно потребляющей сети, с управляемым распределением нагрузок между ними, а избыток электроэнергии, вырабатываемой в благоприятных для этого погодных условиях, направляется в электротеплопреобразователь, передающий полученную тепловую энергию, например, в центральную емкость высокотемпературного теплоносителя, из которой частью поступает в теплоаккумулятор для накопления тепловой энергии впрок. В различных вариантах ГАБ ТЭС, согласно предлагаемому изобретению, может применяться не один, а ряд турбогенераторов наземного расположения.

На фиг.1 дана схематическая иллюстрация конструкции ГАБ ТЭС с применением паротурбогенератора как дополнительного источника электрогенерации.

На фиг.2 приведена схема главных электросвязей генераторов ветротурбины и паротурбины.

Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция в данном примере реализации включает в себя (фиг.1) основной источник тепловой энергии в виде гелиотеплопреобразующего устройства 1, через которое прокачивается текучий, в данном примере жидкий, высокотемпературный теплоноситель 2, теплоизолированный от окружающей среды светопроницаемыми материалами 3,4,5. При этом материалы 3,4, представляют собой преимущественно высокотемпературное стекло, а материал 5 - высокотемпературную пленочную теплоизоляцию, выполненную в виде сторон-стенок небольшой высоты, охватывающих также и воздушный объем 6, адсорбирующий теплопотери, который посредством управляемого воздухопотока направляется на формирование центрального энергетического воздухопотока 7 в различных его технологических зонах (на фиг.1 это не иллюстрируется). Последний имеет вращательно-поступательную вихревую форму движения вокруг и вдоль центральной оси 8, благодаря термодинамическим воздействиям на него в канале 9 термоаэродинамического преобразования и наращивания его мощности, в ветровоздухозаборном канале 10 и воздухоотводящем канале 11 (его конструкция в виде стационарной тяговой трубы и управляемой надстройки к ней на фиг.1 не показана).

Прямые 12 и отраженные 13 солнечные лучи выделяют тепловую энергию в гелиотеплопреобразующем устройстве 1, нагревая жидкий теплоноситель 2, который посредством циркуляционного насоса 14 и гидроканалов 15 непрерывно циркулирует между гелиотеплопреобразующим устройством 1 и центральной емкостью 16 высокотемпературного жидкого теплоносителя 2. Прямой и обратный потоки последнего между центральной емкостью 16 и гелиотеплопреобразующим устройством 1 иллюстрируются стрелками 17.

Теплопередающие элементы 18 энергопреобразующих модулей 19, 20, 21 и термоаэродинамических воздухонаправляющих межмодульных переходов 22 и 23, входящих в состав канала 9 термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока 7, с помощью созданных в последних аэротермодинамических поверхностей придают центральному энергетическому воздухопотоку ускоряющееся вращательно-вихревое движение на пути от энергопреобразующего модуля 19 к ветротурбине 24. Благодаря этому она приобретает вращательное движение, передаваемое электрогенератору (на фиг.1 не показан), который вырабатывает электроэнергию.

Центральный энергетический воздухопоток 7 создается за счет сложения части естественного ветра 25, поступающего в ветровоздухозаборный канал 10 через управляемые ветронаправляющие жалюзи-заслонки 26, созданные в боковой поверхности последнего, и воздуха 27 из окружающей среды, поступающего через неподвижные жалюзи 28 и, частично, через образованные щелевые проемы между заслонками 26, в результате чего внутри ветровоздухозаборного канала образуется вращающийся воздушный поток 29. Неподвижные жалюзи 28 в других исполнениях ГАБ ТЭС могут выполняться термодинамическими, с подключением к ним каналов теплоносителя, или исключаться из общей технологической схемы.

Приводы для поворота заслонок 26 в нужное угловое положение относительно радиальных направлений со всех сторон боковой поверхности ветровоздухозаборного канала 10, который симметрично охватывает центральную ось 8, не иллюстрируются. Между установленными в соответствующее угловое положение заслонками 26, по всей их высоте, образуются свободные проходы - щелевые проемы, через которые ветропоток 25 и воздух 27 поступают во внутреннюю полость ветровоздухозаборного канала 10 под острым углом к касательным, проведенным к его наружной боковой поверхности. За счет этого воздушной поток 29 приобретает вращательное движение вокруг центральной оси. В ветровоздухозаборном канале могут устанавливаться и дополнительные ветронаправляющие поверхности. Стационарные жалюзи 28 содержат наклонные пластины, проемы между которыми придают воздуху 27, поступающему снизу, вращательное движение в ту же сторону, а именно, по часовой стрелке, если смотреть сверху. Стационарные жалюзи 28 расположены в периферийной части днища 30 ветровоздухозаборного канала 10, которое является также потолком машзала 31 с наклонной воздухонаправляющей боковой стеной 32. Воздух 27 из окружающей среды предварительно подогревается о стену 32, поглощающую солнечные лучи, и от дорожного покрытия, охватывающего машзал 31. Во внутреннюю полость ветровоздухозаборного канала 10 поступает также часть термоводушных потоков, создаваемых в других гелиопреобразующих сооружениях ГАБ ТЭС, которые на фиг.1 не показаны, причем они подаются также с вращением в том же направлении (по часовой стрелке). В других исполнениях ГАБ ТЭС может быть установлено несколько термоактивных жалюзи, подобных 28, причем подобные жалюзи могут устанавливаться и посредством воздухоотводящего канала 11.

Воздушной поток 29 в процессе своего вращения поступает в энергопреобразующий модуль 19 через вторые стационарные жалюзи 33, образующие часть боковой поверхности последнего по высоте ветровоздухозаборного канала 10 и также охватывающие симметрично центральную ось 8. Жалюзи 33 образованы вертикальными пластинами, расположенными под соответствующими углами к радиальным направлениям, между которыми созданы щелевые проемы, стабилизирующие вращение воздушного потока, поступающего в энергопреобразующий модуль 19, в котором образуется основание центрального энергетического воздухопотока 7.

На пути воздушного потока 29 к стационарным жалюзи 33 он проходит через установленный в ветровоздухозаборном канале вспомогательный теплогенератор, который, в частности, выполнен в виде кольцевого трубного коллектора 34 (с воздушными проемами между его трубами) и к которому подводится жидкий теплоноситель сверху (может быть и газообразный) посредством подводящей кольцевой гидромагистрали 35 и отводится посредством кольцевой гидромагистрали 36. Трубный коллектор 34 вспомогательного теплогенератора также симметрично охватывает центральную ось 8, имеет преимущественно одинаковые воздушные проемы между трубами и имеет уклон кверху с целью придания центральному энергетическому воздухопотоку 7 не только вращательного движения, но и поступательного - вверх вдоль центральной оси 8. Для лучший теплопередачи от труб коллектора 34 вспомогательного теплогенератора в проходящий между ними воздушный поток 29 и сообщения ему соответствующего направленного движения внутрь энергопреобразующего модуля 19 через его стационарные жалюзи 33, на них закреплены воздухонаправляющие теплопроводные пластины 37, которые могут легко сниматься для прохода обслуживающего персонала к кольцевой наружной стороне жалюзи 33 (последние также могут сниматься для прохода внутрь энергопреобразующего модуля 19, однако в нем имеется для этого и съемный сегмент в его днище). Вспомогательный теплогенератор, его трубный коллектор 34 с воздухонаправляющими пластинами 37 в других исполнениях ГАБ ТЭС могут выполняться в виде термоактивных жалюзи 28. При этом в зависимости от установки последних применение жалюзи 33 и вспомогательного теплогенератора в канале 10 может быть даже исключено.

В верхней части энергопреобразующего модуля 19, перед термоаэродинамическим воздухонаправляющим межмодульным переходом 22, установлен акселератор 38 - регулятор мощности центрального энергетического воздухопотока 7 перед входом его в ветротурбину 24, что позволяет регулировать скорость вращения ветротурбины и потребляемую ею мощность. Акселератор 38 имеет в данном варианте плоскую многогранную конструкцию, и в каждой из этих граней расположена группа опор вращения радиально установленных осей, к которым закреплены плоские воздухонаправляющие пластины (конструкция акселератора на фиг.1 не иллюстрируется). При горизонтальном положении этих пластин сквозной вертикальный канал для прохождения центрального энергетического воздухопотока 7 полностью перекрывается, и он в ветротурбину 24 не поступает, сохраняя свое вращательное движение в энергетических модулях, благодаря определенным термоаэродинамическим воздействиям на него. При повороте пластин акселератора на некоторый угол центральный энергетический воздухопоток 7 начинает поступать в ветротурбину 24, отдавая в течение каждого оборота часть своей энергии и объема, то есть отдает ей кинетическую энергию своего вращательного движения. Лопасти ветротурбины сконструированы так, чтобы ею в максимальной степени отбиралась кинетическая энергия вращательной компоненты центрального энергетического воздухопотока. Последняя по модулю в 4-6 раз превышает вертикальную, поступательную компоненту его скорости, которая при ее значительной величине уносит большое количество тепловой энергии в атмосферу через вспомогательное аэродинамическое устройство 39 и воздухоотводящий канал 11. Поэтому канал 9 термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока 7 сконструирован таким образом, чтобы вертикальная скорость последнего была минимизирована по условиям максимальной отдачи мощности ветротурбине его скоростной вращательной компонентой. Это позволяет поднять коэффициент использования тепловой энергии гелиотеплопреобразующих устройств ГАБ ТЭС, а значит, и коэффициент полезного использования солнечной энергии, поступающей на территорию ГАБ ТЭС.

Теплопередающие элементы 18 подключены гидроканалами 40 через циркуляционный насос 41 к центральной емкости 16 высокотемпературного жидкого теплоносителя (2). Прямые и обратные потоки жидкого теплоэнергоносителя в гидроканалах 40 условно показаны стрелками 42. Скорость жидкого теплоносителя при его прохождении через теплообменные элементы 18 регулируется (регулирующие аппараты не иллюстрируются), вследствие чего регулируется и температура их воздействия на центральный энергетический воздухопоток 7. Диапазоны температур этого воздействия находятся в пределах 50-200 и более градусов Цельсия, в зависимости от региона размещения ГАБ ТЭС, конструкции гелиотеплопреобразующих устройств 1 и применяемых специальных тепловых преобразователей. Из этого диапазона следует, что мощность воздействия на компоненты скорости центрального энергетического воздухопотока 7, во взаимодействии со специальными аэродинамическими приспособлениями, может быть весьма большой. В случае реализации варианта ГАБТЭС, где в качестве основного теплоносителя применяется воздух, последний может не возвращаться по циркуляционному каналу 40, а выпускаться непосредственно в среду центрального энергетического воздухопотока, что невозможно при применении жидкого теплоносителя согласно рассматриваему примеру реализации изобретения. Для выпуска горячего воздушного теплоносителя в среду центрального энергетического воздухопотока в теплопередающих элементах 18 в таком варианте должны выполняться соответствующие проемы (отверстия или пазы, прорези в трубопроводах). Центральная емкость 16 высокотемпературного теплоносителя своим третьим (двухтрубным) каналом 43 соединена через циркуляционный насос 44 с теплообменным агрегатом 45, размещенным в теплоаккумуляторе 46. Прямые и обратные потоки жидкого теплоносителя между центральной емкостью 16 и теплообменным агрегатом 45 условно показаны стрелками 47. В других вариантах ГАБ ТЭС теплообменный агрегат 45 в теплоаккумуляторе 46 может не устанавливаться: связь между емкостью 16 и теплоаккумулятором 46 может осуществляться иными термодинамическими средствами.

Теплоаккумулятор 46 выполнен в виде емкости, заполненной, в частности, сыпучим материалом с повышенной теплоемкостью, например, суглинком. Суглинок представляет собой определенную смесь песка и глины, один кубический метр которого на каждый градус приращения температуры запасает тепловой энергии лишь на 20% меньше, чем запасает один кубический метр воды - вещества с особо высокой удельной теплоемкостью. При этом суглинок является дешевым материалом, часто имеющимся в структуре почвы под строящейся ГАБ ТЭС, и имеет свои преимущества как сыпучий высокотемпературный материал. В качестве теплоаккумулирующего материала может быть применен и щебень или жидкое вещество, которые могут взаимодействовать и с воздушным теплоносителем. Новые разработки могут открыть новые недорогие материалы с высокой удельной теплоемкостью, применение которых позволило бы уменьшить объем и стоимость теплоаккумуляторов. Указанная емкость по всему периметру хорошо теплоизолирована, например, пенобетоном - недорогим материалом с высокими теплоизоляционными характеристиками. При этом боковые стенки и потолок емкости после их теплоизоляции могут закрываться еще и вторым слоем теплоизоляции с воздушным теплоизолирующим промежутком между слоями, который, в свою очередь, может быть подключен в систему утилизации тепловых потерь. Под днищем емкости расположение второго слоя теплоизоляции и воздушного промежутка между ними связано с существенными техническими затруднениями и значительным удорожанием стоимости теплоаккумулятора. Поэтому чаще всего соглашаются с теплопотерями через днище из теплоаккумулятора, через хорошую теплоизоляцию в землю.

Дальнейшее описание второго контура производства электроэнергии в ГАБ ТЭС, связанного с важным аспектом предлагаемого изобретения, имеет отношение и к теплопотерям через днище теплоаккумулятора 46. Для обеспечения второго контура производства электроэнергии тепловой энергией в теплоаккумуляторе 46 устанавливается второй теплообменный агрегат 48. Последний предназначен для испарения специального жидкого рабочего тела, получения его пара и направления его в паротурбогенератор с целью привода его во вращение и выработки электроэнергии. В качестве испаряемого рабочего тела может применяться и вода, но значительно лучшим вариантом, при котором отбирается из теплоаккумулятора меньше тепловой энергии на каждый киловатт-час вырабатываемой электроэнергии, является использование жидкости с пониженной точкой кипения. В качестве последней может быть применен фреон, этиловый спирт, а еще лучше - вещества с точкой кипения в диапазоне 30-50 градусов Цельсия и пониженной теплотой испарения. Теплообменный агрегат 48 может быть установлен в других исполнениях ГАБ ТЭС в отдельной вспомогательной емкости, которые связаны между собой термодинамически.

Теплообменные агрегаты 45 и 48 выполнены в данном варианте в виде теплопроводных трубных коллекторов, расположенных в сыпучем теплоносителе и находящихся с ним в тепловом контакте. По первому из них циркулирует высокотемпературный жидкий теплоноситель, запасая в теплоаккумуляторе 46 тепловую энергию в солнечный период и отдавая ее из него в центральную емкость 16 при несолнечном периоде, а из последней тепловая энергия поступает к теплопередающим элементам 18. К теплопередающим элементам 18 текучий теплоноситель может подаваться также параллельно центральной емкости 16с применением переключателей.

По второму теплообменному агрегату циркулирует испаряемая жидкость с температурой кипения значительно ниже, чем температура теплоаккумулирующего материала, а в случае применения легкоиспаряемой жидкости она не превышает 80 градусов Цельсия (чаще всего не более 50 градусов Цельсия). Таким образом, если испарительный теплообменный агрегат 48 будет размещен непосредственно над днищем, то он будет представлять собой прокладку, понижающую температуру днища до 50-100 градусов Цельсия. Следовательно, теплопотери через теплоизолированное днище в землю значительно понижаются. Если теплообменный агрегат 48 расположен в отдельно стоящей емкости, то аналогичный эффект понижения температуры днища достигается термодинамически.

В теплообменный агрегат 48 по гидравлическому каналу 49 поступает испаряемое жидкое рабочее тело посредством насосного агрегата 50. Пар рабочего тела под заданным давлением поступает по второму каналу-пароводу 51 на вход паровой турбины 52, с выхода которой по проводу 53 отработанный пар поступает в холодильник-конденсатор 54 паров рабочего тела, где последнее переходит в жидкое состояние и поступает к насосному агрегату 50. Движение рабочего тела - легкоиспаряемой жидкости по контуру отмечено стрелками без нумерации.

В холодильнике 54 размещен теплообменный агрегат 55, задачей которого является отвод тепловой энергии из холодильника, возникающей в нем в результате конденсации пара легкоиспаряемой жидкости. В связи с этим теплообменный агрегат 55 по двухтрубному каналу 56 (направления движения охлаждающей жидкости (или газовой среды) показано стрелками 57) подключен к тепловому преобразователю 58, например, тепловому насосу, который обеспечивает охлаждение рабочего тела, циркулирующего в теплообменном агрегате 55 посредством двухтрубного канала 56, и нагревание рабочего тела в канале 59, теплопередача которого отмечена стрелкой 60. При определенном варианте исполнения теплового преобразователя 58 теплопередача к емкости 61 может осуществляться непосредственным тепловым контактом с ней, в частности ее внутренними компонентами, то есть между ними и горячими теплоотводами теплового преобразователя 58. За счет последнего нагревается емкость 61, заполненная, в частности, водой, которая через циркуляционный насос 62 и двухтрубный канал 63 поступает к подводящей кольцевой магистрали 35 трубного коллектора 34 вспомогательного теплогенератора и направляется через отводящую кольцевую магистраль 36 обратно в емкость 61. Стрелками 64 показано движение воды по каналу 63, а пунктирной стрелкой 65 условно показан поток охлажденной во вспомогательном теплогенераторе воды в канал 63 и далее в емкость 61. Благодаря такому техническому решению, согласно предлагаемому изобретению, основное количество теплопотерь в канале паровой турбины 52, в первую очередь выделяющихся в процессе конденсации пара, передается в трубный коллектор 34, который дополнительно подогревает воздушный поток 29 в ветровоздухозаборном канале 10 и в котором происходит охлаждение воды, циркулирующей между ним и емкостью 61. Теплопотери, возникающие непосредственно в паровой турбине и в присоединенном к ней электрогенераторе, адсорбируются вентиляционными потоками, которые направляются в виде термовоздушных потоков на формирование центрального энергетического воздухопотока 7 (на фиг.1 это не показано), что способствует увеличению выработки электроэнергии в ветротурбине 24. В других исполнениях ГАБ ТЭС в канале 63 и трубном коллекторе 34 (или термоактивных жалюзи) может циркулировать газовая среда, в частности, воздух при соответствующем исполнении теплового преобразователя.

В этом случае приведенная технологическая схема легко преобразуется (поэтому не требуется отдельной иллюстрации) в направлении замены паровой (в том числе фреоновой) на воздушную турбину. При этом теплообменный агрегат 48, который, как указано выше, может быть установлен в отдельной вспомогательной емкости, является источником тепловой энергии в ней. Если ее внутренняя полость заполнена не водой, а воздухом, то подача в нее тепловой энергии приводит к увеличению давления в нем (следовательно, такая емкость должна быть рассчитана на повышенное давление ). Образующееся избыточное давление в изначально холодной воздушной среде данной емкости, при определенном ее нагреве, может приводить во вращение воздушную турбину, если в последнюю сжатая (из-за нагрева) воздушная среда будет поступать импульсно, с соответствующей частотой. В таком варианте выходной канал из внутренней среды замкнутой емкости соединяется с входом воздушной турбины через обратный (подпружиненный) клапан или через клапан с дистанционным автоматическим управлением (в частности, через дистанционно управляемые задвижки, пластинчатые заслонки). При достижении заданного избыточного давления воздушной среды в емкости, вследствие ее нагрева, клапаны (заслонки) открываются, и сжатый воздух поступает на лопасти воздушной турбины (с избыточным давлением в диапазоне от долей до нескольких единиц атмосфер). Пройдя турбину, отработавший воздух с пониженным избыточным давлением направляется прямо в центральный энергетический воздухопоток, чем утилизируются потери, в то время как с фреоном так сделать нельзя. Входной канал во внутреннюю среду замкнутой емкости соединяется с автономным воздухоподающим компрессором, который подает в нее воздух с заданным малым давлением. Теплообменный агрегат 48, нагревающий воздух в емкости, по циркуляционному каналу может получать тепловую энергию непосредственно от теплоаккумулятора (гелиотеплопреобразователя) или через тепловой преобразователь - «трансформатор» температуры. Если последний представляет собой, в случае применения воздушного теплоносителя, соединение дополнительного воздухокомпрессора (подающего нагретый воздух) с техническим аналогом вихревой трубки Ранка, то теплообменный агрегат 48 может получать на вход теплоноситель с температурой 200°С и выше. Следовательно, температура воздействия на воздушную среду в замкнутой вспомогательной емкости и нарастание (периодическое) давления в ней будет больше.

На фиг.2 показано соединение генераторов 66 и 67 ветротурбины 24 и паровой турбины 52 силовыми трехфазными электрическими каналами 68 между собой и с внешней электрической сетью через устройства 69, 70 преобразования и синхронизации напряжений U₁, U₂, U₃, со счетчиками электрической энергии 71, 72, 73. Устройства 69. 70 преимущественно выполняются в виде полупроводниковых преобразователей, преобразующих частоту, напряжение и мощность электрической энергии генераторов 66, 67 к частоте и напряжению внешней трехфазной сети 50 Герц. При параллельной работе генераторов их электрические нагрузки могут быть различными, что в первую очередь определяется мощностью центрального энергетического воздухопотока 7 в каждый конкретный период времени и мощностью энергии, потребляемой электрической сетью.

В благоприятные погодные периоды, когда мощность, вырабатываемая генераторами 66, 67, превышает мощность, необходимую заказчикам электроэнергии, избыток вырабатываемой электроэнергии направляется через коммутирующие устройства 74, 75, 76 в преобразователь 77 электрической энергии в тепловую, расположенный во вспомогательной емкости 78 высокотемпературного рабочего тела -теплоносителя 2, которая заполнена последним и включена в гидравлический канал 40 (в один из его трубопроводов), в частности, между теплообменными элементами 18 (фиг.1) и центральной емкостью 16 высокотемпературного теплоносителя, теплоаккумулятором 46.

Коммутирующие устройства 74, 75 выполняются, преимущественно, с помощью быстродействующих силовых полупроводников и подключают преобразователь 77, как правило, непосредственно к выходам генераторов 66, 67 (U₂, U₃), до устройств 69, 70 преобразования и синхронизации напряжений U₂, U₃ (применительно к параметрам внешней электрической сети с напряжением U₁). Такое подключение целесообразно тем, что в этом случае уменьшаются нагрузки на полупроводниковые устройства 69, 70, в частности высокодинамические нагрузки. Последние возникают при колебаниях величины электрического тока, потребляемого внешней сетью, и энергетических параметров центрального воздухопотока 7 в соответствии с возникновением порывов естественного ветропотока 25 (фиг.1). Порывы ветропотока 25 могут приводить к нестабильности скорости вращения ветротурбины 24, что компенсируется быстродействующим образом посредством вариации активной токовой нагрузки преобразователя 77, выполненного в большинстве случаев посредством электрических сопротивлений. Относительно инерционное воздействие на скорость вращения турбины 24 осуществляется посредством акселератора 38 с управлением приводами, которые на фиг.1 не показаны. Этим достигается, как минимум, двухконтурное регулирование скорости ветротурбины 24, с реализацией принципов инвариантного управления.

Задачи быстродействующей стабилизации скорости паровой турбины 52 также являются актуальными, в первую очередь из-за нестабильности нагрузок внешней электрической сети.

В этой связи в схему, представленную на фиг.2, включено вычислительное устройство 79, на входы которого поступают сигналы от датчика 80 температуры и датчика 81 давления во вспомогательной емкости 78 и от датчиков скорости 82, 83 ветротурбины 24 и паровой турбины 52. Вычислительное устройство по управляющим каналам 84, 85, 86 подключено на входы полупроводниковых коммутаторов 74, 75, 76, благодаря чему осуществляется стабилизация на заданных уровнях температуры и давления высокотемпературного теплоносителя во вспомогательной емкости 78 и скорости вращения ветротурбины 24 и паровой турбины 52. Кроме того, выходной канал 87 вычислительного устройства 79 подключен на вход системы управления приводами акселератора 38, которые на фиг.2 не показаны. Вариант схемы, приведенной на фиг.2, легко трансформируется в многогенераторный. Он очевиден и не нуждается в специальных иллюстрациях.

Работает устройство - предложенная гелиоаэробарическая теплоэлектростанция - следующим образом (фиг.1, 2).

Прямые и отраженные (12, 13) солнечные лучи поступают через теплоизолирующие светопроницаемые материалы 3, 4 (листовое стекло) на темные теплопроводные конструкции гелиотеплопреобразующего устройства 1 и проходящий через последнее текучий теплоноситель 2, нагревая его в солнечный период до высокой температуры. Тепловые потери, проходящие при этом через двойную светопроницаемую теплоизоляцию с воздушными, аргоновыми или вакуумированными зазорами, поступают в воздушный объем 6, который связан теплоизолированными воздуховодами с системой утилизации термовоздушных потоков (на иллюстрациях она не показана). Таким образом теплопотери направляются в центральный энергетический воздухопоток 7.

Нагреваемый теплоноситель 2 циркулирует с помощью циркуляционного насоса 14 и гидравлических каналов 15 между гелиотеплопреобразующим устройством 1 и центральной емкостью 16 высокотемпературного жидкого теплоносителя, передавая в нее тепловую энергию. В других исполнениях ГАБ ТЭС теплоносителем в устройствах 1, 16, 18, 46 может быть газообразная среда.

Из центральной емкости 16 непрерывно подогреваемый теплоноситель 2 через другой циркуляционный насос 41 и гидравлические каналы 40 поступает в теплообменные элементы 18, установленные в энергопреобразующих модулях 19, 20, 21 и в термоаэродинамических воздухонаправляющих межмодульных переходах 22, 23. Нагретые теплообменные элементы последовательно наращивают энергию вращательно-поступательного вихревого движения центрального энергетического воздухопотока 7 с увеличением соотношения модулей вращательной и поступательной компонент его скорости, вплоть до значений 4-6:1 перед входом в ветротурбину 24. Ее лопасти сконструированы таким образом, чтобы вращательная компонента скорости воздухопотока максимально преобразовывалась в энергию вращения ветротурбины с минимизацией его скорости выхода из нее, генератор которой 66 (фиг.2) вырабатывает электроэнергию с напряжением U₂, поступающую через полупроводниковый преобразователь и синхронизатор 69, электрические каналы 68 и счетчики энергии 71, 73 во внешнюю сеть с напряжением U₁. Задача устройства 69 заключается в том, чтобы согласовать частоту, форму и фазу напряжения U₂ генератора 66 с трехфазным напряжением промышленной частоты внешней электросети.

Вихревые компоненты в поперечном сечении центрального энергетического воздухопотока 7 создаются специальными формами аэродинамических приспособлений, размещаемых в энергопреобразующих модулях на его пути, чем создается существенное подобие его управляемому смерчу. Последнее усиливает воздействие воздухопотока 7 на ветротурбину 24, а также усиливает аэродинамические процессы тяги при продвижении его за ветротурбиной, со значительно уменьшенной скоростью вращения на ее выходе вокруг оси 8, через сопрягающее устройство 39, воздухоотводящий канал 11 и слои атмосферы над ней.

Более подробное описание термоаэродинамических средств, приводящих центральный энергетический воздухопоток 7 к ускоряющемуся вращательно-вихревому движению, не является предметом настоящего предлагаемого изобретения.

Естественный ветропоток 25 и воздух 27 из окружающей среды, подогреваемый солнечными лучами посредством различных устройств и энергетических пространств (не раскрывается более подробно) в солнечный период, в том числе стенками 32 машзала 31, поступают внутрь ветровоздухозаборного канала 10 через управляемые жалюзи 26 и неуправляемые жалюзи 28, образуя в нем вращающийся поток воздуха 29.

Последний, вращаясь вокруг центральной оси 8, продвигается во внутреннюю среду нижнего энергопреобразующего модуля 19 благодаря существующей в нем конвективной тяге, аэродинамическому подпору и влиянию воздухоотводящего канала 11. Одним из устройств, создающих подпор воздухопотока снизу, является кольцевой наклонный трубный коллектор 34 вспомогательного теплогенератора, по которому от верхней кольцевой магистрали 35 к нижней кольцевой магистрали 36 протекает горячая жидкость, преимущественно, горячая вода, передающая свою тепловую энергию вращающемуся воздушному потоку 29. Так как трубный коллектор 34 снабжен радиаторными и воздухонаправляющими теплопроводными пластинами 37, отрезающими от вращающегося воздушного потока 29 слои воздуха, направляемые внутрь модуля 19, с подпором вверх (благодаря показанному на фиг.1 уклону трубного коллектора 34 и его пластин 37), воздушный поток 29 проходит через щелевые проемы между вторыми стационарными жалюзи 33, дополнительно сообщающими ему вращательное движение, и образует основание центрального энергетического воздухопотока 7 с начальным вращательно-поступательным движением. Горячая вода, проходящая внутри кольцевого трубного коллектора 34, энергетически усиливает этот процесс, а тепловая энергия для нагрева воды поступает, преимущественно, благодаря утилизации теплопотерь во втором контуре производства электроэнергии в ГАБ ТЭС.

В этом контуре источником тепловой энергии является теплоаккумулятор 46, который, в свою очередь, снабжается тепловой энергией через теплообменный агрегат 45, трубный коллектор которого подключен с помощью циркуляционного насоса 44 и гидравлического канала 43 к центральной емкости 16 высокотемпературного теплоносителя 2. Фактически тепловая энергия в теплоаккумулятор, на достаточно высоком потенциальном уровне, поступает от гелиотеплопреобразующих устройств 1. В других вариантах канал 43 может быть подключен через переключатели одновременно и к гелиотеплопреобразователю 1.

Для энергетического обеспечения второго контура производства электрической энергии, согласно предлагаемому изобретению, в теплоаккумуляторе 46 установлен второй теплообменный агрегат 48, в который насосным агрегатом 50 подается жидкость с пониженной точкой кипения и соответственно пониженной температурой интенсивного парообразования. В связи с этим в теплообменном агрегате создается избыточное давление пара, который по паропроводу 51 поступает в паровую турбину 52, которая приводит во вращение генератор 67 (фиг.2). Последний через полупроводниковое устройство 70, которое преобразует амплитуду, частоту и фазу напряжения U₃, подключен к внешней электрической сети и параллельно - к генератору 66 ветротурбины 24.

Отработанный пар, прошедший через турбину 52, по паропроводу 53 поступает в холодильник-конденсатор 54, где пар (легкоиспаряемой жидкости) проходит стадию конденсации, превращаясь в жидкость, благодаря подаче в трубный коллектор - теплообменный агрегат 55 охлаждающего рабочего тела, поступающего из температурного преобразователя 58 по циркуляционному каналу 56. Температурный преобразователь 58 может быть выполнен посредством применения классического теплового насоса, который отнимает тепло от теплообменного агрегата 55 и передает его на повышенном потенциальном уровне в емкость 61, заполненную, в частности, водой.

Последняя, непрерывно нагреваясь от теплоотвода температурного преобразователя 58, поступает с помощью циркуляционного насоса 62 в подводящую кольцевую гидромагистраль 35 трубного коллектора 34 вспомогательного теплогенератора и возвращается в емкость 61 через его отводящую кольцевую гидромагистраль 36 и гидравлический канал 63. Горячая вода, достигающая температуры 95 градусов Цельсия, передает свое тепло через трубный коллектор 34 и его радиаторные воздухонаправляющие пластины 37 вращающемуся воздушному потоку 29 во внутренней среде ветровоздухозаборного канала 10.

Вследствие этого центральный энергетический воздухопоток 7 получает энергетическую прибавку, определяемую величиной теплопотерь во втором контуре производства электроэнергии, в первую очередь, вследствие конденсации пара легко испаряемой жидкости в холодильнике 54, что позволяет увеличить выработку электроэнергии ветротурбиной 24, соединенной с электрогенератором 66 (фиг.2). Такая добавка может быть большей, если в трубный коллектор 34 поступает не горячая вода, а другой теплоноситель с более высокой температурой.

Таким образом, из изложенного следует, что согласно предлагаемому изобретению с помощью теплоаккумулятора 46, паровой турбины 52, соединенной с электрогенератором 67, и холодильника-конденсатора 54 паров легкоиспаряемой жидкости, направляемой насосом 50 в теплообменный агрегат 48 теплоаккумулятора, в ГАБ ТЭС создан второй контур производства электроэнергии, чем повышается надежность электроснабжения потребителей. В этом контуре, как известно из теории и практики работы ТЭЦ, имеются теплопотери, превышающие мощность вырабатываемой электроэнергии паротурбогенератором. В ТЭЦ эти теплопотери отводятся (через градирни) частично в окружающую среду, а частично - в систему теплоснабжения потребителей тепловой энергии. В ГАБ ТЭС эти теплопотери не отводятся в окружающую среду, а утилизируются в дополнительную выработку электроэнергии ветротурбогенератором посредством их направления на формирование центрального энергетического воздухопотока 7, вращающего ветротурбину 24. Повышение надежности электроснабжения потребителей электроэнергии ГАБ ТЭС достигается тем, что электрические выходы электрогенераторов 66, 67 соответственно ветротурбины 24 и паровой турбины 52 посредством вспомогательных устройств 69, 70 и контролирующих энергопотоки счетчиков электрической энергии соединены между собой параллельно и вместе подключены к внешней электросети. При этом распределение нагрузок между турбинами автоматически оптимизируется.

Параллельно работающие электрогенераторы 66, 67 в ГАБ ТЭС в определенные промежутки времени вырабатывают избыток электроэнергии относительно графиков планового электроснабжения потребителей, который по известным принципам перерабатывается в тепловую энергию, запасаемую впрок в теплоаккумулирующем материале. В ГАБ ТЭС конструктивное исполнение такого принципиального решения иное. Для этих целей установлена вспомогательная емкость 78, которая заполнена высокотемпературным теплоносителем 2, содержит преобразователь 77 электрической энергии в тепловую, например, теплоэлектронагреватель с активными электрическими сопротивлениями, и она подключена гидравлически в рассечку, в частности, гидромагистрали 40, между теплообменными элементами 18 и центральной емкостью 16 высокотемпературного теплоносителя. Вследствие этого избыток электроэнергии, подаваемый на теплоэлектронагреватель 77, задается и регулируется с помощью быстродействующих полупроводниковых коммутаторов 74, 75, 76, управляемых посредством вычислительного устройства 79. Каналы ввода исходной информации в последнее, например, график планового отпуска электроэнергии потребителям, характеристики погодных условий и другой на фиг.2 не иллюстрируются, а показаны лишь датчики обратной связи - температуры 80, давления 81 жидкого теплоносителя в емкости 78, скорости 82, 83 вращения ветротурбины и паровой турбины. Датчики скорости 82, 83 необходимы для стабилизации скорости вращения обоих турбин: вначале быстродействующим соответствующим изменением их токовых активных нагрузок через полупроводниковые коммутаторы 74, 75 и электронагреватель 77 как нагрузочное устройство, а затем - более инерционными средствами регулирования их скоростей, в том числе посредством акселератора 38 (через канал 87 вычислительного устройства 79). Среди возмущающих воздействий наиболее существенным является быстродействующие колебания нагрузок электрической сети и порывы ветра при непогоде, воздействующие через центральной энергетический воздухопоток 7 на ветротурбину 24.

Таким образом, подключение к генераторам 66,67 управляемого нагрузочного устройства 77 решает две важных задачи:

а) преобразование избытка электроэнергии, получаемого при благоприятных для этого погодных условиях в тепловую энергию, запасаемую в теплоаккумуляторе 46 впрок и используемую для производства необходимого количества электроэнергии согласно плановому графику ее поставок в несолнечное маловетреное время;

б) стабилизация скорости турбин 24 и 52 по схеме двухконтурного инвариантного управления, когда вначале быстродействующее возмущение компенсируется весьма быстродействующим контуром управления балластной нагрузкой 77, а затем по показателям этой нагрузки (по величине токов, проходящих через коммутаторы 74,75) приводятся в действие более инерционные средства стабилизации скоростей (более детальное рассмотрение двухконтурной инвариантной системы стабилизации скорости вращения турбин 24, 52 не является предметом настоящего предлагаемого изобретения).

Полупроводниковый коммутатор 76, позволяющий управлять электротермопреобразователем 77 непосредственно от внешней сети необходим в период наладочных работ при вводе ГАБ ТЭС в действие, когда отсутствует необходимый запас тепловой энергии и температуры в теплоаккумуляторе 46.

Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция, согласно предлагаемому изобретению, может использоваться для энергоснабжения также маломощных крестьянских хозяйств в диапазоне 5-50 кВт.

В случае мощностей величиной около 5 кВт может применяться лишь второй контур производства электроэнергии - с паровой турбиной и рабочим телом, в частности, с пониженной точкой кипения. При этом теплоаккумулятор будет иметь небольшую величину, прост в изготовлении и дешев. Тепловая энергия и горячая бытовая вода для таких потребителей вырабатываются на базе емкости 61, куда сливаются теплопотери конденсации паров жидкости (например, воды, фреона, этилового спирта или его смесей).

При мощностях в десятки киловатт уже нецелесообразен отказ от ветротурбогенератора, приводимого во вращение центральным энергетическим воздухопотоком 7. Однако до мощностей 50 кВт канал термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока может быть значительно упрощен с соответствующим понижением и КПД, и стоимости мини-ГАБ ТЭС.

Описанный вариант реализации предлагаемого изобретения показывает возможность его реализации для случая применения жидкого теплоносителя. Однако из приведенного описания понятна реализуемость ГАБ ТЭС, согласно предлагаемому изобретению, и в случае применения воздушного теплоносителя, жидкостного теплоаккумулятора, а также воздушных наземных турбин параллельно фреоновым турбинам или взамен их. Формула изобретения в полной мере соответствует тексту описания и дополнительным пояснениям.

Рассмотренные технические решения, согласно предлагаемому изобретению, при реализации двухконтурного или многоконтурного производства электроэнергии, существенно повышают устойчивость работы ГАБ ТЭС, величину коэффициента использования солнечной энергии, поступающей на территорию ГАБ ТЭС, и ее экономическую эффективность. В таком виде ГАБ ТЭС будут служить целенаправленному переустройству глобальной энергетики. Последнее в значительной мере достигается при реализации п.1 формы изобретения, однако реализация всех пунктов формулы изобретения дополнительно повышает эффективность ГАБ ТЭС.

Изобретение относится к области солнечной энергетики, а именно к развитию конструкций и технологий гелиоаэробарических теплоэлектростанций, в том числе к применению в них дополнительных источников электрогенерации, параллельных электрогенератору ветротурбины. В гелиоаэробарических теплоэлектростанциях (ГАБ ТЭС), согласно предлагаемому изобретению, используются одновременно, во взаимодействии, ряд компонент солнечной энергии: энергия прямых и отраженных солнечных лучей, поступающих на высокотемпературные гелиотеплопреобразующие устройства, где протекает нагреваемый теплоноситель; энергия естественного ветра, в том числе концентрируемая во входных проемах ветровоздухозаборного канала; энергия фазовых преобразований воды в различных технологических процессах и другие. Естественный ветропоток и воздух из окружающей среды посредством жалюзи ветровоздухозаборного канала образуют основание центрального энергетического воздухопотока с вращательно-поступательной вихревой траекторией движения, который приводит во вращение ветротурбогенератор, являющийся источником электроэнергии в первом контуре ее производства. Горячий теплоноситель от высокотемпературных гелиотеплопреобразующих устройств поступает в теплообменные или теплопередающие элементы, оснащенные аэродинамическими приспособлениями, посредством чего производится дополнительное энергетическое насыщение центрального воздухопотока. Горячий теплоноситель поступает также в теплоаккумулирующий материал, размещенный в теплоизолированном теплоаккумуляторе, благодаря чему в нем накапливается тепловая энергия в течение солнечных погодных периодов. При этом внутренняя среда теплоаккумулятора термодинамически соединена с трубным коллектором, который обеспечивает тепловой энергией второй контур производства электроэнергии, содержащий паровую турбину с электрогенератором. В этот трубный коллектор подается легко испаряемая жидкость, пар которой приводит во вращение турбину. После выхода из турбины отработанный пар конденсируется в холодильнике, а тепловая энергия конденсации через тепловой преобразователь поступает в центральный энергетический воздухопоток. ГАБ ТЭС в дополнение к значительным техническим возможностям, приобретает повышенную надежность. Этим повышается конкурентоспособность ГАБ ТЭС относительно ТЭЦ, АЭС и ветроэлектроагрегатов, что способствует развитию гелиоэнергетического строительства. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция с дополнительными источниками электрогенерации, содержащая гелиотеплопреобразующие источники энергии, ветровоздухонаправляющие поверхности и образованные ими энергетические пространства, ветротурбину с присоединенным к ней электрогенератором, которая приводится во вращение центральным энергетическим воздухопотоком, воздухоотводящий канал, расположенный над ветротурбиной и состоящий из стационарной тяговой трубы и управляемой надстройки к ней, канал термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока перед поступлением его в ветротурбину в качестве финишного участка названных энергетических пространств, включающий энергопреобразующие модули со встроенными теплообменными и/или теплопередающими элементами, подключенными к источникам теплового воздействия на них, и воздухонаправляющими аэродинамическими элементами, посредством которых для центрального энергетического воздухопотока создана вращательно-поступательная траектория движения, теплоаккумулятор, в котором хранится запас тепловой энергии на несолнечный и маловетреный периоды, ветровоздухозаборный канал, связанный с помощью воздухонаправляющего проема с каналом термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока и снабженный ветровоздухонаправляющими поверхностями, которые придают, благодаря образованным между ними щелевым проемам, вращательное движение воздушной среде в нем, и машинный зал, расположенный под ним, причем указанные энергопреобразующие модули расположены вертикально друг над другом и имеют общую центральную ось симметрии совместно с ветротурбиной, воздухоотводящим и ветровоздухозаборным каналами и центральным энергетическим воздухопотоком, отличающаяся тем, что теплопередающие элементы энергопреобразующих модулей подключены, по меньшей мере, к одной центральной емкости высокотемпературного текучего теплоносителя, расположенной в машинном зале, а последняя, в свою очередь, подключена к высокотемпературному гелиотеплопреобразующему устройству в качестве нагревателя проходящего через них теплоносителя, которое оборудовано средствами поглощения солнечных лучей, передачи тепловой энергии данному теплоносителю и утилизации тепловых потерь, теплоизолированными от окружающей среды светопроницаемыми материалами, и связана термодинамически с внутренней средой теплоаккумулятора, который создан за счет устройства емкости, теплоизолированной по всей ее поверхности посредством жесткого пеноматериала, и заполнения последней теплоаккумулирующим материалом, где протекает высокотемпературный теплоноситель, при этом названный теплоаккумулирующий материал термодинамически связан посредством теплоносителя с теплообменным агрегатом, выполненным с применением теплопроводного трубного коллектора, в который поступает для испарения второй теплоноситель, в частности, в виде жидкости с пониженной точкой кипения, и который соединен отводящим паропроводом со входом паротурбогенератора, а подводящим гидроканалом - с гидравлическим насосом, подключенным к выходу холодильника - конденсатора пара жидкого теплоносителя, причем вход последнего соединен вторым паропроводом с выходом паротурбогенератора, за счет чего создан, по меньшей мере, один дополнительный контур производства электрической энергии, электрогенератор в котором применен как независимый источник электрогенерации параллельно электрогенератору ветротурбины, при этом указанный холодильник содержит конденсирующий трубный коллектор, соединенный по циркуляционному каналу охлаждающего рабочего тела со входом теплового преобразователя, нагретый тепловой отвод которого термодинамически связан со вспомогательным теплогенератором, размещенным в ветровоздухозаборном канале и/или посредством управляемой надстройки - в тяговой трубе и выполненным в виде теплопередающих жалюзи, щелевые проемы в которых охватывают ее центральную ось и дополнительно усиливают вращательную и поступательную компоненты движения центрального энергетического воздухопотока.2. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция с дополнительными источниками электрогенерации по п.1, отличающаяся тем, что электрические выходы электрогенераторов ветротурбины и, по меньшей мере, одного паротурбогенератора посредством вспомогательных устройств соединены между собой параллельно.3. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция с дополнительными источниками электрогенерации по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, в один из ее термодинамических каналов включен преобразователь электрической энергии в тепловую, электрические входы которого через устройство управления подключены к электрогенератору ветротурбины, а тепловой отвод посредством высокотемпературного теплоносителя - к одному из названных приемников тепловой энергии, например к центральной емкости и/или теплоаккумулятору.4. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция с дополнительными источниками электрогенерации по п.1, отличающаяся тем, что названный теплообменный агрегат, включающий теплопроводный трубный коллектор, выполнен во вспомогательной емкости повышенного давления, выход внутренней полости которой подключен через обратный и/или дистанционно управляемый клапан на вход воздушной турбины, установленной в машинном зале параллельно паровой турбине, а вход ее внутренней полости присоединен к воздухоподающему компрессору, при этом указанный теплопроводный трубный коллектор соединен по циркуляционному термодинамическому каналу с источником тепловой энергии, например с высокотемпературным гелиотеплопреобразователем, а выходной канал воздушной турбины соединен с энергетическим пространством преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока и/или с внутренней полостью воздухоотводящего канала.5. Гелиоаэробарическая теплоэлектростанция с дополнительными источниками электрогенерации по п.1, отличающаяся тем, что в циркуляционный термодинамический канал, соединяющий названный теплопроводный трубный коллектор с теплоаккумулятором и/или гелиотеплопреобразующим устройством посредством текучего теплоносителя, дополнительно включен тепловой преобразователь, содержащий технический аналог вихревой трубки Ранка, как средство повышения температуры во внутренней среде теплообменного агрегата.