ГЕНЕРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА Российский патент 2014 года по МПК F02G1/45 

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике, более конкретно - к возобновляемы источникам энергии на основе солнечных башенных электростанций.

Известны устройства (аналоги) - солнечные башенные электростанции на основе реализации цикла Ренкина с использованием расположенных на большой площади следящих за Солнцем плоских зеркал, отражающих солнечные лучи на центральный приемник (котел), помещенный на вершине башни (Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1990. Стр.134-136).

В таблице приведены основные характеристики некоторых созданных в мире солнечных башенных электростанций с реализацией цикла Ренкина.

Характеристики Название солнечной башенной электростанции с циклом Ренкина Solar-1 (Барстоу, США) СЭС-5 (Крым, СССР) THEMIS (Таргасонн, Франция) Eurelios (Андрано, Италия) CESA-1 (Альмерия, Испания) CRS(Альмерия, Испания) Форма поля Эллипс Круг Сектор Сектор Сектор Сектор Электрическая мощность, МВт 10 5 2.5 1 1.2 0.5 Суммарная площадь зеркал, тыс.м² 73.2 40 10.8 6.2 11.4 3.7 Число зеркал (гелиостатов) 1818 1600 201 70 300 93 Площадь гелиостата, м² 40.3 25.5 53.7 53.7 38 39 Коэффициент отражения зеркал 0.9 0.71 0.9 0.77 0.87 0.91 Высота башни, м 91 89 101.5 55 60 43 Тип приемника (котла) Отрытый цилиндр Отрытый цилиндр Полостной Полостной Полостной Полостной Площадь приемника, м² 294 154 16 16 11.6 9.7 Температура приемника,°С 516 250 505 512 520 530 Полный КПД 0.137 0.125 0.231 0.161 0.105 0.135

Недостаток устройств-аналогов - низкая эффективность, заключающаяся, как следует из последней строки таблицы, в низком КПД. Полный реальный КПД определяется для солнечного ясного полдня при плотности потока солнечного излучения G=1 кВт/м² по формуле: η= $$\frac{P}{G\cdot S},$$ Р[кВт] - электрическая мощность по второй строке таблицы, 8[м²] - суммарная площадь зеркал по третьей строке таблицы. Например, для СЭС-5 η= $$\frac{P}{G\cdot S}=\frac{5000}{1\cdot 40000}=\mathrm{0.125.}$$

Известна когенерационная установка, содержащая двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, гидролинии, систему охлаждения двигателя Стирлинга с насосом, камеру сгорания двигателя Стирлинга, теплообменник для передачи тепловой энергии потребителям, теплообменники утилизации теплоты систем охлаждения двигателя Стирлинга, отработанных газов, газофикатор, магистраль генераторного газа, магистраль отработанных газов, двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на одном валу с ним, дополнительные системы охлаждения, утилизации теплоты. (Жаров А.В., Павлов А.А. Когенерационная установка с двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга. Патент РФ №2440504, опубл. 20.01.2012)

Данная установка-прототип обладает тем недостатком, что использует для своей работы углеводородное топливо различных видов, следствием чего всегда является выброс в окружающую среду углекислого газа, что ухудшает экологическую обстановку среды.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении эффективности солнечных башенных электростанций при одновременном улучшении экологической обстановки среды путем исключения выброса в окружающую среду углекислого газа при работе устройства.

Технический результат, заключающийся в повышении КПД солнечных башенных электростанций» достигается тем, что в известной генерирующей установке, содержащей двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга и нагреватель двигателя Стирлинга, согласно изобретению, нагреватель двигателя Стирлинга помещен на вершине башни солнечной башенной электростанции с зеркалами, которые выполнены с возможностью слежения за Солнцем и отражения солнечных лучей на нагреватель двигателя Стирлинга, при этом установка снабжена выпрямительным и инверторным блоками, регулятором, датчиком температуры рабочего тела в нагревателе двигателя Стирлинга, выход которого соединен с входом регулятора, выход последнего соединен с управляющими входами выпрямительного и инверторного блоков, силовой выход электрогенератора соединен с силовым входом выпрямительного блока, а силовой выход инверторного блока соединен с сетью потребителей. На чертеже представлен общий вид генерирующей установки, содержащей двигатель Стирлинга 1 с электрогенератором 2 на одном валу, систему охлаждения 3 двигателя Стирлинга и нагреватель 4 двигателя Стирлинга. Нагреватель 4 двигателя Стирлинга помещен на вершине башни 5 солнечной башенной электростанции, а расположенные на большой площади зеркала 6 выполнены с возможностью слежения за Солнцем и отражения солнечных лучей 7 на нагреватель 4 двигателя-Стирлинга, при этом электрогенератор 2 снабжен выпрямительным 8 и инверторным 9 блоками, регулятором 10 скорости вращения электрогенератора 2, датчиком 11 температуры рабочего тела в нагревателе 4 двигателя Стирлинга, выход которого соединен с входом регулятора 10, выход последнего соединен с управляющими входами 12 и 13 соответственно выпрямительного 8 и инверторного 9 блоков, силовой выход 14 электрогенератора 2 соединен с силовым входом 15 выпрямительного блока 8, а силовой выход 16 инверторного блока 9 соединен с сетью 17 потребителей. К цепи между выпрямителем 8 и инвертором 9 подключена аккумуляторная батарея 18.

Генерирующая установка работает следующим образом.

При нормальной работе плотность потока солнечного излучения в течение дня меняется по синусоидальному закону, т.е. в периоды восхода и заката плотность потока солнечного излучения имеет минимальное значение, а в солнечный полдень - максимальное значение, характерное для данного времени года (на плотность потока солнечного излучения влияет и облачность). По мере нарастания плотности потока солнечного излучения после восхода Солнца нарастает температура нагревателя 4 двигателя Стирлинга 1. Нагреватель 4 двигателя Стирлинга 1, помещенный на вершине башни 5 солнечной башенной электростанции, нагревается расположенными на большой площади зеркалами 6, следящими за Солнцем и отражающими солнечные лучи 7 на нагреватель двигателя Стирлинга 1.

По мере роста температуры нагревателя 4 растет температура рабочего тела в нем и тепловая мощность двигателя Стирлинга 1. Датчик 11 фиксирует температуру рабочего тела и формирует на своем выходе соответствующий сигнал, который поступает на вход регулятора 10. В простейшем случае регулятор 10 выполнен в виде функционального блока, который формирует на своем выходе сигнал задания скорости вращения электрогенератора 2 в функции температуры рабочего тела, например, по мере роста температуры рабочего тела растет и скорость вращения электрогенератора 2.

Сигнал задания скорости вращения электрогенератора 2 поступает на управляющие входы 12 и 13 соответственно выпрямительного 8 и инверторного 9 блоков, которые обеспечивают скорость вращения электрогенератора 2 в функции мощности двигателя Стирлинга 1. При этом при переменной скорости вращения электрогенератора 2 на выходе инвертора 9 обеспечивается качество электрической энергии, удовлетворяющее требованиям ГОСТ Р 54149-2010.

Особенностью некоторых типов двигателей Стирлинга является то, что в начале работы уже при достижении рабочей температуры двигатель не может стронуться с места. Для запуска в таких случаях предусмотрена возможность работы блоков 8 и 9 как в выпрямительном, так и в инверторном режимах, выполнив их на запираемых ключах, например на транзисторах. При этом, если сеть 17 выполнена автономной (т.е. не содержит других источников), для начального разворота двигателя Стирлинга к цепи между выпрямителем 8 и инвертором 9 подключена аккумуляторная батарея 18, что позволяет кратковременно электрогенератор 2 включить в двигательный режим.

Поставленная задача решена, т.к. повышена эффективность солнечных башенных электростанций применением двигателя Стирлинга, обладающего более высоким КПД (на практике до 35%) при сохранении присущей солнечным башенным электростанциям экологичности.

Изобретение относится к энергетике. Генерирующая установка содержит двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга и нагреватель двигателя Стирлинга. Установка снабжена солнечной башенной электростанцией с зеркалами. Нагреватель двигателя Стирлинга расположен на вершине башни солнечной башенной электростанции с зеркалами. Зеркала выполнены с возможностью слежения за Солнцем и отражения солнечных лучей на нагреватель двигателя Стирлинга. Установка снабжена выпрямительным и инверторным блоками, регулятором и датчиком температуры рабочего тела в нагревателе двигателя Стирлинга. Выход датчика температуры соединен с входом регулятора. Выход регулятора соединен с управляющими входами выпрямительного и инверторного блоков. Силовой выход электрогенератора соединен с силовым входом выпрямительного блока. Силовой выход инверторного блока соединен с сетью потребителей. Изобретение направлено на повышение КПД установки. 1 ил., 1 табл.

Генерирующая установка, содержащая двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга и нагреватель двигателя Стирлинга, отличающаяся тем, что она снабжена солнечной башенной электростанцией с зеркалами, нагреватель двигателя Стирлинга расположен на вершине башни солнечной башенной электростанции с зеркалами, которые выполнены с возможностью слежения за Солнцем и отражения солнечных лучей на нагреватель двигателя Стирлинга, при этом установка снабжена выпрямительным и инверторным блоками, регулятором, датчиком температуры рабочего тела в нагревателе двигателя Стирлинга, выход которого соединен с входом регулятора, выход последнего соединен с управляющими входами выпрямительного и инверторного блоков, силовой выход электрогенератора соединен с силовым входом выпрямительного блока, а силовой выход инверторного блока соединен с сетью потребителей.