СОЛНЕЧНО-ВОЗДУШНАЯ ВОЗДУХОТУРБИННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2011 года по МПК F24J2/42 F03G6/06 F02C1/05 

1. Область техники, к которой относится изобретение

К энергетике по выработке электроэнергии за счет солнечной лучистой энергии и частично за счет тепла, отбираемого от атмосферного воздуха при его изотермическом расширении.

2. Уровень техники

Электростанция предназначена для выработки дешевой электроэнергии для населения, живущего в районах пустынной местности, где много солнечной лучистой энергии в течение всего времени и нет воды для работы электростанций.

По мере увеличения количества этих электростанций в пустынях, а также в районах, примыкающих к ним, и увеличения количества вырабатываемой электроэнергии, она может транспортироваться по ДЭП и кабелям в другие отдаленные местности, находящиеся вдали от их расположения. Электростанции, расположенные на севере Африки, на побережье Средиземного моря, избыточную электроэнергию могут транспортировать в европейские страны по кабелю, проложенному по дну Средиземного моря. Из аравийских пустынь, если там будут построены электростанции, электроэнергия будет транспортироваться по ЛЭП в прилегающие государства вплоть до Кавказа. Из Средней Азии, если там будут подобные электростанции, электроэнергия может по ЛЭП поступать на Урал, в Астраханскую, Волгоградскую области и Калмыкию. В РФ солнечно-воздушные электростанции в недалеком будущем станут альтернативными станциям атомной энергетике и постепенно вытеснят станции, работающие на природном газе, что очень важно в современных условиях, когда от их работы происходит потепление климата. Выбрасываемые в большом количестве частички углерода от работы обычных электростанций и автомобильного транспорта ведут к образованию мощных циклонов, которые приводят к затоплениям и разрушению инфраструктуры в приморских районах ряда стран, в том числе и на Дальнем востоке РФ.

В связи с тем что солнечно-воздушные электростанции просты в конструктивном отношении, дешевы в производстве, имеют высокий КПД, то придет время, когда они будут основными электростанциями для большинства стран мира, так как с 1 м² поверхности будут снимать до 75% солнечной энергии и преобразовывать ее в электроэнергию и тепло.

3. Раскрытие изобретения

Солнечно-воздушная воздухотурбинная электростанция предназначена для выработки электроэнергии в безводных районах пустынной местности и в прилегающих к ним регионах.

Электростанция имеет в своем составе следующие части (см. чертеж):

- изотермическую часть, состоящую из двух рядов изотермических цилиндров, предназначенных для отбора энергии (тепла) от окружающего их атмосферного воздуха при изотермическом расширении воздуха в цилиндрах, адиабатических цилиндров, где расширенный изотермически воздух сжимается адиабатически, в результате чего имеем прибавку тепла на 80-90% за счет отбора тепла от атмосферного воздуха при изотермическом расширении и направляем это тепло на нагрев воды для бытовых целей в спиральном нагревателе для воды;

- основную изотермическую часть, состоящую из 12 цилиндров, где сжимается воздух изотермически до давления 25 кг/см² и направляется в спиральный нагреватель в качестве рабочего тела, где нагревается нагретым воздухом в солнечных спиральных нагревателях и поступает в спиральный нагреватель в туннель, нагревает рабочее тело, которое поступает в турбину, вращая ее, а она вращает электрогенератор, вырабатывая электрический ток. Нагреваемый воздух в солнечных спиральных нагревателях имеет постоянный объем, и перекачивается он насосом по трубам 3-х солнечно-спиральных нагревателей;

- спиральный нагреватель, где поступивший из изотермических цилиндров сжатия сжатый до 25 кг/см² воздух нагревается воздухом, поступившим из солнечных спиральных нагревателей в туннель, и, двигаясь на встречных направлениях, отдает тепло рабочему телу с давлением 25 кг/см², который и направляется в турбину для ее работы по выработке электрического тока электрогенератором;

- турбину с электрогенератором для выработки электроэнергии;

- три солнечных спиральных нагревателя, работающих последовательно, где постоянно циркулирует один и тот же объем воздуха под действием насоса. Такой маршрут движения постоянного объема воздуха выгоден; он то нагревается солнечными лучами, то отдает тепло в спиральном нагревателе рабочему телу, что является главным отличием от других станций. Последовательность нагрева осуществляется так: воздух под действием насоса поступает в первый солнечный нагреватель, нагревается и нагретым поступает во второй солнечный нагреватель, где еще нагревается и поступает в третий солнечный нагреватель, где тоже нагревается, а из него по трубе - в спиральный нагреватель для нагрева рабочего тела на встречных направлениях с ним, отдавая ему тепло.

Солнечные спиральные нагреватели накрываются по всей площади стеклом, а сверху может быть линза, которая собирает лучи в центр солнечного спирального нагревателя и направляет их на центральную часть спирали, где витки спирали должны прилегать тесно друг к другу, что обеспечит лучший нагрев воздуха в них. Трубы спирали надо делать из чугуна: он черный по цвету и хорошо будет превращать солнечные лучи в тепло, которое в трубах и будет нагревать циркулирующий воздух. Солнечные спиральные нагреватели с боков и снизу должны иметь надежную теплоизоляцию, а также и труба подачи воздуха, нагретого до наиболее возможной температуры, идущая в спиральный нагреватель для нагрева рабочего тела с давлением 25 кг/см²;

- спиральный нагреватель воды для бытовых нужд, слева на чертеже, работает за счет тепла сжатого адиабатически воздуха в адиабатических цилиндрах и поступившего по трубе из адиабатических цилиндров или мятого рабочего тела из турбины, если мятое рабочее тело имеет температуру, достаточную для нагрева воды;

- два электродвигателя: верхний - для запуска в работу двух рядов верхних изотермических и адиабатических цилиндров; второй, около турбины, - для запуска в работу изотермических цилиндров сжатия воздуха и вращения турбины перед запуском. Двигатель имеет шкив и цепь Галя. Посредством их вращает шкив на валу турбины с электрогенератором. После запуска электродвигатель отключается.

4. Краткое описание чертежей

Чертеж состоит из следующих частей:

- верхняя часть имеет две системы изотермических цилиндров. В первой системе, самой верхней, осуществляется изотермическое расширение атмосферного воздуха в изотермических цилиндрах до давления 0,5 кг/см², а затем разреженный воздух поступает в адиабатические цилиндры 2, где сжимается до давления 1 кг/см² с ростом его температуры на 10%. Сжатый воздух по трубе 3 направляется в спиральный нагреватель воды 4 для хозяйственных нужд.

Во второй системе, нижней, осуществляется изотермическое сжатие воздуха в ее цилиндрах 19 до давления 25 кг/см². Указанные процессы разрежения и сжатия воздуха происходят следующим образом: в верхнем ряде цилиндров 1, 2 после включения электродвигателя 6 начинают вращаться на оси 5 сдвоенные диски 7 валом с зубьями 8 в разные стороны: один диск - вправо, второй - влево. Прикрепленные к ним шатуны 9 тянут штоки 10 навстречу друг другу. Закрепленные на штоках поршни 11 в цилиндрах 1, 2 засасывают воздух через клапан всасывания 12 в цилиндр 1 при открытом дренажном клапане 13, производится разрежение воздуха в цилиндрах 1. При обратном движении поршня разреженный воздух выталкивается в промежуточную трубу 14, а из нее - в камеру хранения 15 и далее по трубе 16 в адиабатические цилиндры 2 с давлением 0,5 кг/см². В адиабатических цилиндрах 2 поступивший через клапан 17 воздух сжимается до атмосферного давления 1 кг/см² и через выпускной клапан 18 выталкивается в трубу 3 и следует в спиральный нагреватель воды 4.

Нижний ряд цилиндров 19 предназначен для изотермического сжатия воздуха (рабочего тела) с 1 кг/см² до 25 кг/см². Воздух в цилиндры поступает через всасывающий клапан 20. Перед запуском нижнего ряда цилиндров 19 отключаем верхние два ряда муфтой 21 на общем валу 27. Изотермические цилиндры сжатия включаются в работу электродвигателем 22 с помощью шкивов 23 посредством цепи Галя 24. Одновременно при этом включении начинает вращение турбина 25 с электрогенератором 26, при этом начинают вращаться сдвоенные диски 28 с валами с зубьями 29, с помощью шатунов 30 тянут штоки 31 с закрепленными на них поршнями 32 в цилиндрах 19, засасывают воздух через клапаны впуска 20 в цилиндры 19, а затем сжимают воздух изотермически до давления 25 кг/см² и его выталкивают через клапан выпуска 33 при открытом дренажном клапане 34 в промежуточную трубу 35, а из нее воздух поступает в промежуточную камеру 36, а из камеры 36 поступает в трубу 37 в спиральный нагреватель 38, где нагревается поступившим воздухом, нагретым в солнечных спиральных нагревателях 39 по трубе 40. Поступивший нагретый воздух в спиральный нагреватель 38 отдает тепло рабочему телу на встречных направлениях с перепадом температур 20-30-40°С.

Самое интересное то, что воздух, который нагревается в солнечных спиральных нагревателях 39 под стеклом в трубах спирали 41, имеет постоянный объем и циркулирует по трубам 41 в солнечных спиральных нагревателях 39 последовательно и, поступив в спиральный нагреватель 38 в туннель 42, отдав тепло сжатому воздуху, не уходит в атмосферу, а насосом 43 опять направляется в солнечные спиральные нагреватели 39 по трубе 44. После запуска турбины 25 мятое рабочее тело по трубе 45 поступает в трубу 3 адиабатически сжатого воздуха в адиабатических цилиндрах и идет на нагрев воды в спиральном нагревателе воды 4.

- Средняя часть: турбина 25, электрогенератор 26, спиральный нагреватель 38, электродвигатель для запуска 22, труба 46 подвода сжатого воздуха из промежуточной камеры хранения воздуха 36 с давлением до 25 кг/см² в трубу спирали спирального нагревателя 38, которая заканчивается трубой в турбину 25. Выходящий воздух из спирального нагревателя 38, отдав тепло рабочему телу, поступает в насос 43, приводимый в действие электродвигателем 49, и направляется по трубе 44 в солнечные спиральные нагреватели 39 для нагрева, имея постоянный объем, что важно, ибо тепло не отводится с ним в атмосферу, а оставшееся поступает по трубе 44 в первый солнечный спиральный нагреватель, что повышает КПД станции.

Спиральный нагреватель 4 для нагрева воды для хозяйственных нужд работает за счет теплого воздуха, поступающего по трубе 3 из адиабатических цилиндров 2, и за счет тепла мятого рабочего тела, покидающего турбину 25. При отсутствии солнечной энергии адиабатические цилиндры 2 первых двух рядов работают за счет энергии электродвигателя 6, затрачивая энергии чуть больше на адиабатическое сжатие воздуха, чем получили при расширении воздуха. Но в итоге из 100% затраченной двигателем энергии в изотермических цилиндрах 90% тепла получили от атмосферного воздуха без затрат энергии через стенки цилиндров изотермического расширения от окружающего атмосферного воздуха. Поэтому в состав станции и входят изотермические цилиндры, чтобы отобрать тепло от атмосферного воздуха при расширении в них тоже атмосферного воздуха.

- Нижняя часть: три солнечных спиральных нагревателя 39, где циркулирует один и тот же объем воздуха. Под действием насоса 43 воздух проходит по всем трем трубам, свернутым в спираль, находящимся под стеклом, покрашенным черной краской, а если еще установлены стеклянные линзы, собирающие солнечные лучи и фокусирующие их в центр, то солнечные спиральные нагреватели 39 должны быть направлены строго на солнце. Для этого необходим механизм, поворачивающий их с применением часов, и второй механизм для разворота их по мере вращения Земли, чтобы линзы следовали за солнцем. Воздух в солнечных спиральных нагревателях нагревается последовательно: сначала в первом, из первого - во второй, из второго - в третий, а из третьего по трубе 40 в туннель спирального нагревателя 42 для нагрева рабочего тела на встречных направлениях, отдав тепло, поступает в насос 43, а из него - в первый солнечный спиральный нагреватель.

5. Осуществление изобретения

Солнечно-воздушная воздухотурбинная электростанция состоит из следующих основных частей (см. чертеж):

- изотермической системы цилиндров (верхняя часть чертежа), состоящей из двух рядов цилиндров: изотермического расширения воздуха, первая группа из 16 цилиндров; вторая группа из 8 цилиндров адиабатического сжатия воздуха, поступающего из 16 изотермических цилиндров одновременно. Нижний ряд цилиндров, их 12, изотермического сжатия воздуха (рабочего тела) до давления 25 кг/см², который направляется в промежуточные камеры хранения 36, а из них в спиральный нагреватель 38, где сжатый воздух нагревается нагретым воздухом в солнечных спиральных нагревателях 39, имеющих стеклянные линзы для сбора и фокусировки солнечных лучей в солнечных спиральных нагревателях или без линз, накрытых только стеклом;

- спирального нагревателя (средняя часть чертежа) для нагрева сжатого воздуха (рабочего тела) с давлением до 25 кг/см² нагретым воздухом в солнечных спиральных нагревателях до определенной температуры на встречных направлениях;

- воздушной турбины 25 с электрогенератором 26 (средняя часть чертежа) для выработки электрического тока при расширении сжатого воздуха в турбине;

- солнечных спиральных нагревателей (нижняя часть чертежа) со стеклянными линзами на них, собирающими солнечные лучи и фокусирующие их в центр спиральных солнечных нагревателей, где спирали плотно прилегают друг к другу для лучшего нагрева. Нагрев воздуха в солнечных спиральных нагревателях (их три) происходит поочередно, т.е. сначала в первом солнечном нагревателе, из него воздух, уже нагретый, поступает во второй солнечный нагреватель, где дополнительно нагревается, из него воздух, уже дважды нагретый, поступает в третий спиральный нагреватель, где еще нагревается и по трубе 40 поступает в спиральный нагреватель в туннель 42 и, двигаясь навстречу с рабочим телом (сжатым воздухом), отдает ему тепло с перепадом температур 20-30-40°С. Солнечные спиральные нагреватели могут работать и без линз, накрытые стеклом спирали трубы, а туннели между ними должны иметь черный цвет для лучшего преобразования солнечных лучей в тепло;

- спирального нагревателя воды для бытовых нужд. Производится сжатым адиабатически воздухом в адиабатических цилиндрах с повышением температуры на +30-40-50°С. Конечная температура этого воздуха может достигать +70-80°С, что достаточно для нагрева воды. Спиральный нагреватель 39 может иметь стеклянную линзу, которая днем может поднять температуру до +120°С. КПД может достигнуть 55-60%.

Работа солнечно-воздушной воздухотурбинной электростанции

1. Отключаем муфтой 21 нижнюю систему цилиндров от верхних двух рядов цилиндров изотермического и адиабатического сжатия воздуха. Включаем электродвигатель 6 для работы отключенных верхних двух рядов цилиндров, они будут работать от электродвигателя и направлять воздух по трубе в первый солнечный спиральный нагреватель 39 с давлением 1 кг/см².

2. Включаем электродвигатель 22 для вращения турбины 25 с электрогенератором 26, на оси которых сверху имеются сдвоенные диски 28. Они будут с помощью шатунов 30 двигать в цилиндрах поршни 32, сжимая воздух до 25 кг/см², который будет поступать в промежуточные камеры хранения 36, а из них в спиральный нагреватель - в трубу 38, свернутую в спираль. В это же время будет поступать нагретый до определенной температуры воздух из трех солнечных спиральных нагревателей по трубе 40 в центр спирального нагревателя, а из центра - в туннель между спиралями трубы на встречных направлениях с рабочим телом, отдавая ему тепло, нагревая его при движении с перепадом температур 20-30-40°С. Как только турбина заработала, открываем кран подачи из турбины 25 воздуха 45 (мятого рабочего тела) в спиральный нагреватель воды 4. Включаем муфту 21, отключаем электродвигатели 6, 22, и вся система будет работать за счет мощности турбины 25. При выключении турбины 25 включаем электродвигатель 6 для работы двух верхних рядов цилиндров, они будут подавать горячий воздух в спиральный нагреватель воды 4 для ее нагрева для бытовых нужд. Регулировать давление в солнечных спиральных нагревателях необходимо насосом 43, он включается перед запуском турбины. После запуска турбины 25 отключаем двигатель 22 для ее запуска.

Предложения по реализации изобретения

С целью получения большего количества тепла на нагрев воды для хозяйственных нужд желательно на первом же построенном образце электростанции провести опыт: заключить все три ряда цилиндров в теплоизоляционный каркас, и тогда изотермическая система цилиндров сжатия воздуха будет отдавать выделяемое тепло расширяемому воздуху в изотермических цилиндрах верхних двух рядов. От такой компоновки, по мнению автора, КПД не увеличится, но все тепло, полученное в изотермических цилиндрах расширения, увеличит его количество, и оно будет поступать в спиральный нагреватель воды, если в этом есть необходимость. Количество изотермических и адиабатических цилиндров придется увеличить.

Самое главное - изготовление изотермических цилиндров. Их сделать можно довольно просто из стальных, чугунных или дюралевых труб. Допустим, надо иметь 12 цилиндров длиной по 50 см каждый. Надо брать трубу из указанных выше металлов нужного диаметра, к примеру 100 см, и отрезать 12 цилиндров по 50 см длиной. Приготовить фланцы для цилиндров по 2 на каждый цилиндр. Внутренний диаметр фланца равен внешнему диаметру цилиндра. Во фланцах просверлить по 6 отверстий для винтов. Полученные фланцы приварить на самые концы цилиндров впотай. По размерам фланцев изготовить толстые деревянные диски из осины или дуба, в каждом по центру отверстия, равные размеру внешнего диаметра трубы, идущей к редуктору и соединенной с редуктором (сдвоенными дисками) шатунами. На эту трубу насаживается первый диск, к нему цилиндр с фланцем, и скрепляем их винтами. Но прежде чем насаживать на трубу (шток), надо на диске установить все три клапана: всасывающий, выпускной и дренажный. В этот цилиндр, насаженный на внутреннюю трубу (шток), вставляем приготовленный поршень и закрепляем его на внутренней трубе (штоке) около клапанов (всех трех). Таким образом, первый цилиндр готов к работе. Вставляем на внутреннюю трубу (штоки) второй диск, а потом второй цилиндр и скрепляем их винтами, вставляем их в отверстия фланцев второго цилиндра и диска, расположенного между ними.

Изготовили 12 поршней. Для их изготовления годятся диски из дюраля, по два на каждый поршень, с внешним диаметром на 4 мм меньше внутреннего диаметра цилиндра и имеющие отверстия в центре, равные внешнему диаметру внутренней трубы (штока). Между дисками из дюраля вставляется диск из войлока, диаметром на 5-7 мм больше диска. Войлок будет выполнять роль колец в цилиндрах поршневых двигателей, т.е для герметичности. Получается поршень, закрепив его на внутренней трубе (штоке) неподвижно винтами под войлочным диском. И далее, насаживается поршень на внутреннюю трубу (шток) из двух дюралевых дисков, между ними войлочный диск, и закрепляем их на трубе (штоке) во втором цилиндре, как это сделали в первом цилиндре перед диском с клапанами. И далее, по этой методике насаживаем на внутреннюю трубу (шток) 3-й, 4-й, 5-й, 6-й цилиндры. 6-й цилиндр с внешней стороны закрываем диском и закрепляем его на фланцы винтами. Внутренняя труба (шток) должна выступать наружу через центр диска.

Таким образом, монтируются на 2-й внутренней трубе (штоке) остальные 6 цилиндров. На этом работа по изготовлению изотермической части цилиндров закончена.

По этой методике изготовляются и адиабатические цилиндры.

И главное, деревянные диски надо выполнять толстыми из осины или дуба, чтобы в каждом можно смонтировать все три клапана: всасывающий, выпускной и дренажный. В этом случае поршни будут работать вплотную, доходя до дисков, прижимаясь при выдавливании в емкость и при окончании расширения воздуха в цилиндре. По этой методике изготавливаются и цилиндры изотермического сжатия воздуха.

Ввиду того что цилиндры с поршнями будут работать в пустынях, где очень высокая температура воздуха, то войлок, возможно, придется менять на другой материал.

Левые и правые группы цилиндров должны быть сверху и снизу соединены перемычками, чтобы цилиндры не перемещались при работе на стационарной площадке. Валы с зубьями, приводимые во вращение сдвоенными дисками, должны быть обрамлены обхватами, и обхваты должны быть надежно прикреплены болтами к стационарной площадке; вся электростанция должна надежно крепиться к этой площадке; все цилиндры станции должны иметь просвет 5-10 см над площадкой. Изотермические цилиндры сжатия воздуха не должны облучаться солнечными лучами, ибо облучение их потребует дополнительную работу на сжатие воздуха.

Изобретение относится к энергетике по выработке электроэнергии с использованием солнечной лучистой энергии. Солнечно-воздушная воздухотурбинная электростанция в результате нагрева сжатого воздуха (рабочего тела) до высоких температур применением новых спиральных солнечных нагревателей, накрытых стеклом или оборудованных стеклянными линзами, позволяет собрать и сфокусировать солнечную лучистую энергию и обеспечить троекратный нагрев рабочего тела последовательно в каждом из трех солнечных спиральных нагревателей по всем трем солнечным спиралям одновременно. Солнечные нагреватели могут работать с линзами и без линз. Нагретый воздух, направленный в спиральный нагреватель, отдает тепло рабочему телу, двигающемуся на встречных направлениях, который поступает в турбину, вращая ее, а она вращает электрогенератор, вырабатывая электрический ток. Станция имеет два ряда цилиндров изотермического расширения и адиабатического сжатия атмосферного воздуха одновременно, нагревая его. Часть воздуха направляется по трубе в спиральный нагреватель для нагрева воды для бытовых нужд, частично используя тепло, полученное от атмосферного воздуха при его изотермическом расширении в изотермических цилиндрах. В изотермических цилиндрах сжатия воздуха (рабочего тела) за счет отбора мощности турбины, наоборот, тепло при сжатии отдается атмосферному воздуху. Электростанция предназначена для выработки дешевой электроэнергии для населения, живущего в районах пустынной местности с большим количеством солнечной лучистой энергии. 1 ил.

Солнечно-воздушная воздухотурбинная электростанция, состоящая из двух рядов цилиндров системы изотермического расширения и адиабатического сжатия атмосферного воздуха одновременно, поступающего после его расширения с 0,5 кг/см², приводимых в работу электродвигателем посредством сдвоенных дисков с валами, представляющими редуктор, а также цилиндров второй системы изотермического сжатия воздуха, приводимой в работу турбиной, спирального нагревателя сжатого изотермически воздуха (рабочего тела) с давлением 25 кг/см², нагреваемого атмосферным воздухом, циркулирующим в солнечных спиральных нагревателях; солнечные спиральные нагреватели, накрытые стеклом или оборудованные стеклянными линзами, которые собирают и фокусируют солнечные лучи в центр спиральных солнечных нагревателей, и нагревают двигающийся в них атмосферный воздух в спиралях труб под воздействием насоса с электродвигателем последовательно в спиралях: сначала воздух поступает в первый нагреватель, из первого - во второй, из второго - в третий, повышая в каждом температуру воздуха на определенную величину, а затем нагретым направляется в спиральный нагреватель, в туннель, на встречных направлениях со сжатым воздухом, нагревая его в спиралях трубы, отдавая тепло, турбины с электрогенератором, в которую направляется нагретый сжатый воздух и, расширяясь, вращает турбину и электрогенератор, вырабатывая электрический ток; воздух, сжатый адиабатически в цилиндрах до давления 1 кг/см², по трубе поступает в спиральный нагреватель воды, нагревая ее для хозяйственных нужд.