СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ И СИСТЕМА, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ КОТЕЛ НА БИОТОПЛИВЕ В КАЧЕСТВЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛОТЫ Российский патент 2015 года по МПК F24J2/42 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу производства электроэнергии из солнечной энергии, а также к системе, использующей котел на биотопливе в качестве дополнительного источника теплоты, которые относятся к области новых способов производства электроэнергии, а именно к генерации «чистой» электроэнергии из биотоплива и солнечной энергии.

Предшествующий уровень техники

В связи с сокращением запасов традиционных видов ископаемого топлива (угля, нефти, природного газа) и загрязнением окружающей среды при использовании их энергии, что угрожает развитию и жизни человека, необходимо обеспечить возобновляемую и экологически чистую энергию в мировом масштабе. Солнечная энергия характеризуется широким распространением, практически неограниченным запасом, чистой аккумуляцией и утилизацией и отсутствием генерации CO₂.

Тем не менее, масштабное использование и утилизация солнечной энергии стоит намного дороже, чем использование энергии обычного ископаемого топлива. К тому же, производство электроэнергии из солнечной энергии зависит от изменений погоды, что делает производство нестабильным и непостоянным. Поэтому решение вышеуказанных проблем стало актуальным вопросом исследований в области энергетики.

Являясь органическим веществом, образовавшимся в процессе фотосинтеза растений, биомасса характеризуется широким распространением, большим количеством запасов, чистотой в сравнении с ископаемым топливом, отсутствием генерации CO₂. Таким образом биомасса является очень важным возобновляемым источником энергии, а возобновление и использование биомассы также является актуальным вопросом исследований в области энергетики. В качестве биотоплива теплоэлектростанции с котлом на биотопливе стали использоваться скошенное сено, топливо из лесной древесины и отходы деревообработки после промышленной обработки древесины. Однако калорийность биотоплива намного меньше калорийности угля того же объема. Для обеспечения непрерывной работы теплоэлектростанции с котлом на биотопливе требуются большие площади для хранения биотоплива, которые занимают большой участок земли. К тому же, биотопливо, которое хранится на открытом воздухе, высыхает, что может вызвать возгорание, а некоторые виды биотоплива способны к самовозгоранию в сухой окружающей среде. Все эти недостатки критически нивелируют преимущества и ограничивают использование теплоэлектростанций с котлом на биотопливе.

Американская компания eSolar разработала солнечную электростанцию башенного типа. Башня системы II использует сотни или тысячи зеркал (также известных как гелиостаты) для отражения солнечных лучей на накопитель (также известный как солнечный бойлер). Максимальная температура достигает 1000°C. Расплавленная соль (или проводящее масло), используемая в качестве теплоносителя, нагревается примерно до 560°C и запасается в теплоаккумулирующем баке. Вода нагревается и превращается в пар с высокой температурой и высоким давлением за счет теплоты расплавленной соли (или проводящего масла) с помощью теплообменника. Затем пар подается на турбину для выработки электроэнергии.

Израильская компания LUZ разработала девять комплексов параболоцилиндрических систем для производства электроэнергии из солнечной энергии в пустыне Южной Калифорнии. Солнечная энергия концентрируется на трубках солнечного коллектора, расположенных на фокальной линии параболоида. Масло, являющееся теплоносителем, нагревается и запасается в баке аккумуляторе. За счет теплопередачи масло нагревает воду, превращая ее в пар с температурой 372°C в теплообменнике. Далее пар подается на турбину для генерации электроэнергии.

Из-за того, что солнечное излучение сильно зависит от погоды и облачности, а солнечное излучение может улавливаться только в определенный промежуток времени с 8:00 до 17:00, то для вышеописанной башенной или параболоцилиндрической системы производства электроэнергии из солнечной энергии используется специально разработанная турбина быстрого запуска (также известная как солнечная турбина, которая способна работать днем и останавливаться ночью или работающая в солнечные дни и останавливающаяся в облачные), адаптированная к характеристикам преобразования солнечной энергии, к частоте и скорости запуска системы для обеспечения стабильной работы турбины. В сравнении с обычной турбиной, приспособленной для работы по преобразованию энергии ископаемого топлива, солнечная турбина характеризуется тем, что она не требует много времени для предварительного нагрева за счет обеспечения системой хранения достаточно большого количества теплоты с помощью аккумулирующей насадки, а также двойным теплообменом между теплоносителем (теплопередающим маслом или расплавленной солью) и рабочим телом (водяным паром). Однако такая техническая схема делает систему более сложной, что увеличивает стоимость. Двойной теплообмен снижает эффективность термоэлектрического преобразования. Также солнечная турбина имеет большие габариты, высокую стоимость и низкую тепловую эффективность из-за использования специальных конструкционных материалов и особой конструкции.

Также, если в системе в качестве теплоносителя используется расплавленная соль, то работа системы обеспечивается достаточно сложно. Если температура снижается до 260°C, то расплавленная соль переходит из жидкого состояния в твердое, а соль в твердом состоянии влияет на работу системы вне зависимости от того, находится ли она в трубках или в баке аккумуляторе. Таким образом, температура расплавленной соли должна поддерживаться выше 260°C длительное время, что является энергозатратным и достаточно сложным в осуществлении.

Зимой, в ночное время или при затяжном снегопаде и облачности, когда температура падает ниже 0°C, вышеуказанная солнечная турбина не может работать непрерывно. Помимо ее бесполезности при простое, достаточно сложной и энергозатратной задачей является предотвращение перемерзания системы в это время.

Раскрытие изобретения

В виду существования вышеуказанных проблем, одной из технических задач настоящего изобретения является обеспечение способа производства электроэнергии из солнечной энергии с использованием котла на биотопливе в качестве дополнительного источника теплоты и системы, в которой используется такой котел. В настоящем изобретении в качестве дополнительного источника теплоты используется котел на биотопливе, и комбинация использования энергии биотоплива и солнечной энергии эффективно решает проблему нестабильности солнечной энергии.

Настоящее изобретение обеспечивает следующее техническое решение: способ производства электроэнергии из солнечной энергии с использованием котла на биотопливе в качестве дополнительного источника теплоты в системе, включающей концентрирующий солнечный коллектор, котел на биотопливе и турбогенератор. В концентрирующем солнечном коллекторе и котле на биотопливе в качестве рабочего тела для поглощения и накопления теплоты используют воду. Котел на биотопливе используют в качестве вспомогательного источника теплоты для обеспечения дополнительного источника теплоты при производстве электроэнергии из солнечной энергии.

Такой способ включает следующие этапы:

1) разжигают котел на биотопливе, когда уровень воды L1 в барабане котла на биотопливе достигает заданного, запускают турбогенератор в соответствии с рабочим процессом теплоэлектростанции с котлом на биотопливе;

2) запускают концентрирующий солнечный коллектор; определяют температуру t3 воды на выходе из концентрирующего солнечного коллектора; открывают второй клапан управления, расположенный между выходом воды концентрирующего солнечного коллектора и барабаном котла на биотопливе, когда t3 ≥? 95°C, и открывают третий клапан управления для регулирования подачи воды к трубке солнечного коллектора; подают воду в барабан котла на биотопливе; регулируют подачу воды к трубке солнечного коллектора для обеспечения t3 ≥95°C в соответствии с температурой воды t3 и осуществляют автоматическое регулирование с помощью системы управления турбогенератора для поддержания уровня воды в барабане котла на биотопливе, давления пара и температуры пара на выходе из котла на биотопливе в заданных интервалах значений, а также поддержания устойчивого режима работы турбогенератора;

3) закрывают второй клапан управления на выходе воды из концентрирующего солнечного коллектора и третий клапан управления для регулирования подачи воды к трубке солнечного коллектора для предотвращения вытекания воды из трубки солнечного коллектора и сохранения теплоты и поддержания в рабочем состоянии, если подача воды в трубку солнечного коллектора установлена на минимальном уровне, а температура воды t3 при этом на выходе воды из концентрирующего солнечного коллектора определена турбогенератором и составляет t3<95°C; переключают турбогенератор в режим теплоэлектростанции; увеличивают подачу топлива в котел на биотопливе с помощью системы управления турбогенератора с автоматическим регулированием для поддержания заданных значений давления и температуры пара на выходе пара из котла на биотопливе и поддержания устойчивого режима работы турбогенератора;

4) открывают первый клапан управления, расположенный между выходом воды из концентрирующего солнечного коллектора и подпиточным баком, если температура t3 на выходе воды из концентрирующего солнечного коллектора продолжает падать и становится ниже t3=5-9°C; открывают перепускной клапан для сброса воды комнатной температуры из трубки солнечного коллектора в бак запаса обессоленной воды; открывают сливной клапан для сброса воды из трубок солнечного коллектора; подают сжатый воздух через отверстие в перепускном клапане во все трубки солнечного коллектора до полного удаления воды; поддерживают концентрирующий солнечный коллектор и трубки солнечного коллектора в сухом состоянии, предотвращающем перемерзание; переключают турбогенератор в режим работы теплоэлектростанции с котлом на биотопливе; и

5) повторяют этап 1), если температура воды в трубке солнечного коллектора увеличивается и достигает t3 ≥95°C при возобновлении солнечного излучения; подают воду в котел на биотопливе и снижают подачу топлива в котел на биотопливе за счет автоматического регулирования турбогенератора.

Система производства электроэнергии из солнечной энергии, использующая котел на биотопливе в качестве дополнительного источника теплоты в соответствии с вышеописанным способом, включает концентрирующий солнечный коллектор, котел на биотопливе и турбогенератор. При этом в концентрирующем солнечном коллекторе и котле на биотопливе в качестве рабочего тела для поглощения и удержания теплоты используется вода. Концентрирующий солнечный коллектор включает трубки солнечного коллектора среднего давления, скомбинированные в последовательно-параллельную матрицу. Выход концентрирующего солнечного коллектора соединен с основанием барабана котла на биотопливе через второй клапан управления. Выход пара из барабана котла на биотопливе соединен с цилиндром турбины.

Также в концентрирующем солнечном коллекторе могут использоваться вакуумные трубки среднего давления, скомбинированные в последовательно-параллельную матрицу, при этом выход концентрирующего солнечного коллектора соединен с основанием барабана котла на биотопливе через второй клапан управления, а выход пара из барабана котла на биотопливе соединен с цилиндром турбины.

В качестве варианта, пароперегреватель может устанавливаться последовательно между выходом пара из барабана котла на биотопливе и трубой, соединенной с цилиндром турбины. При этом пароперегреватель соединен со входом цилиндра высокого давления турбины, а также пароперегреватель размещен в дымоходе котла на биотопливе.

Также выход цилиндра высокого давления может быть соединен с промежуточным пароперегревателем с помощью трубы. При этом промежуточный пароперегреватель соединяют с входом цилиндра низкого давления турбины. Промежуточный пароперегреватель размещают в дымоходе котла на биотопливе.

В качестве варианта, конденсатор может быть соединен с выходом цилиндра турбины. При этом выход воды конденсатора соединен с деаэратором. Также выход воды конденсатора соединен с трубкой солнечного коллектора и/или с входом воды в котел на биотопливе через деаэратор и первым водяным насосом.

Дополнительно, экономайзер может быть установлен последовательно с трубой входа воды в котел на биотопливе, при этом экономайзер размещен в дымоходе котла на биотопливе.

В качестве варианта, подпиточный бак концентрирующего солнечного коллектора и котла на биотопливе может быть выполнен в виде бака запаса обессоленной воды, имеющего теплоизоляционный слой. Бак запаса обессоленной воды соединен с деаэратором через второй водяной насос и далее соединен с трубкой солнечного коллектора, входом воды в котел на биотопливе через деаэратор и первым водяным насосом. Бак запаса обессоленной воды соединен с выходом концентрирующего солнечного коллектора через первый клапан управления.

Дополнительно, датчик температуры Т3 может располагаться на трубе между выходом воды из концентрирующего солнечного коллектора и вторым клапаном управления и первым клапаном управления. Контрольное значение температуры, отображаемое датчиком температуры Т3, отправляется на систему управления второго клапана управления и первого клапана управления. Рабочая температура датчика температуры Т3 устанавливается в пределах значений температуры безопасной работы котла на биотопливе.

В качестве варианта, концентрирующий солнечный коллектор может включать параболоцилиндрическое зеркало и трубку солнечного коллектора, при этом трубка солнечного коллектора расположена на фокальной линии параболоцилиндрического зеркала.

В качестве варианта, концентрирующий солнечный коллектор может включать отражающую линзу Френеля и трубку солнечного коллектора, при этом трубка солнечного коллектора расположена на фокальной линии отражающей линзы Френеля.

В качестве варианта, концентрирующий солнечный коллектор может содержать пропускающую линзу Френеля и трубку солнечного коллектора, при этом трубка солнечного коллектора расположена на фокальной линии пропускающей линзы Френеля.

Настоящее изобретение имеет следующие преимущества.

Система, вырабатывающая электроэнергию от двух источников теплоты по настоящему изобретению, обеспечена множеством различных клапанов и способна переключаться в режим производства электроэнергии из солнечной энергии, в режим теплоэлектростанции с котлом на биотопливе или комбинированный режим производства электроэнергии, в зависимости от солнечного излучения, времени суток, а также погодных условий. Таким образом, турбогенератор способен работать непрерывно днем и ночью, и устраняется проблема перемерзания концентрирующего солнечного коллектора.

Если наибольшая температура воды, нагретой с помощью концентрирующего солнечного коллектора, намного ниже температуры воды, нагретой котлом, то котел на биотопливе по настоящему изобретению обеспечивают экономайзером, пароперегревателем и промежуточным пароперегревателем. Вода в концентрирующем солнечном коллекторе поступает в барабан котла на биотопливе и вспомогательные устройства для перегрева или промежуточного перегрева, тем самым достигается градиент температуры тепловой солнечной энергии, а также повышается эффективность работы всего турбогенератора.

Система производства электроэнергии по настоящему изобретению упрощена за счет исключения системы аккумулирования тепла (использующей теплопроводное масло или расплавленную соль в качестве рабочего тела), используемой в солнечных электростанциях предшествующего уровня техники, а также способна выборочно или совместно использовать источник теплоты от солнца или котла на биотопливе в зависимости от характера солнечного излучения, времени суток, а также погодных условий для непрерывной работы турбогенератора днем и ночью, тем самым эффективно повышая КПД системы производства электроэнергии из солнечной энергии и решая проблему перемерзания концентрирующего солнечного коллектора зимой.

Концентрирующий солнечный коллектор размещают на крыше складка биотоплива. За счет того, что площадь склада биотоплива достаточно велика, такое размещение защищает биотопливо от дождя и позволяет сэкономит пространство, занимаемое солнечной электростанцией, использующей котел на биотопливе в качестве второго источника теплоты.

Краткое описание фигур чертежей

Фиг. 1 - структурная схема, иллюстрирующая систему производства электроэнергии из солнечной энергии по настоящему изобретению.

Фиг. 2 - схематичный вид, иллюстрирующий концентрирующий солнечный коллектор параболоцилиндрического типа, размещенный на крыше склада биотоплива.

Фиг. 3 - схематичный вид, иллюстрирующий концентрирующий солнечный коллектор, содержащий отражающую линзу Френеля и вакуумную трубку солнечного коллектора.

Фиг. 4 - схематичный вид, иллюстрирующий концентрирующий солнечный коллектор, содержащий пропускающую линзу Френеля и вакуумную трубку солнечного коллектора.

Варианты осуществления изобретения

Способ производства электроэнергии из солнечной энергии с использованием котла на биотопливе в качестве дополнительного источника теплоты и система, отнесенная к этому способу, далее будут описаны более подробно со ссылкой на приложенные чертежи.

Обозначения на фиг.1: 1 - электрогенератор; 2 - турбина; 3 - цилиндр высокого давления турбины 2; 4 - цилиндр низкого давления турбины 2; 5 - конденсатор; 6 - котел на биотопливе; 7 - экономайзер, расположенный в дымоходе 6а котла на биотопливе 6; 8 - промежуточный пароперегреватель, расположенный в дымоходе 6а котла на биотопливе 6; 9 - пароперегреватель, расположенный в дымоходе 6а котла на биотопливе 6; 10 - первый водяной насос; 11 - второй водяной насос котла на биотопливе 6; 12 - бак запаса обессоленной воды, обеспеченный теплоизоляционным слоем для хранения мягкой воды, прошедшей обработку в устройстве химической очистки воды; 13 - вакуумная трубка солнечного коллектора; 14 - параболоцилиндрическое зеркало, здесь n трубок солнечного коллектора 13 и m параболоцилиндрических зеркал 14 расположены так, что образуют поле солнечного коллектора, где n и m - целые положительные числа; 19, 20, 21, 22 - отсекающие клапаны (пневматические, электрические, гидравлические или электромагнитные; на фиг.1 изображены пневматические отсекающие клапаны), которые переключают режимы работы всей системы производства электроэнергии; 23, 24, 25, 26 - регулирующие клапаны (пневматические, электрические или гидравлические; на фиг.1 изображены пневматические регулирующие клапаны), из них клапаны 23 и 24 способны регулировать подачу пара на турбину, клапан 25 способен регулировать подачу воды, а клапан 26 способен регулировать подачу воды в концентрирующий солнечный коллектор; 28 - деаэратор; L1 - уровнемер барабана котла на биотопливе; P1 - аэроманометр на выходе из котла на биотопливе (определяет давление p1); T1 - датчик температуры пара на выходе из котла на биотопливе (определяет температуру t1) и T3 - датчик температуры воды на выходе из концентрирующего солнечного коллектора (определяет температуру t3).

Система производства электроэнергии из солнечной энергии с использованием котла на биотопливе в качестве дополнительного источника теплоты включает концентрирующий солнечный коллектор, котел на биотопливе и турбогенератор. В концентрирующем коллекторе солнечной энергии и котле на биотопливе в качестве рабочего тела используется вода. В концентрирующем солнечном коллекторе используются вакуумные трубки солнечного коллектора 13 в виде вакуумных трубок среднего давления, скомбинированных в последовательно-параллельную матрицу. Выход концентрирующего солнечного коллектора соединен с основанием барабана котла на биотопливе 6а через второй отсекающий клапан 22. Выход пара из барабана котла на биотопливе 6а соединен с цилиндром турбины. Концентрирующий солнечный коллектор и котел на биотопливе нагревают одну и ту же воду для генерации водяного пара, который приводит в действие турбину, служащую для работы электрогенератора 2.

Труба входа воды в концентрирующий солнечный коллектор последовательно соединена с деаэратором 28 и первым водяным насосом 10.

Пароперегреватель 9 последовательно установлен между выходом пара из барабана котла на биотопливе 6а и трубой, соединенной с цилиндром турбины. Пароперегреватель 9 соединен с входом цилиндра высокого давления турбины 3. Пароперегреватель 9 размещен в дымоходе 6b котла на биотопливе. Уходящий газ из котла на биотопливе нагревает водяной пар и превращает его в сухой пар.

Выход цилиндра высокого давления 3 соединен с промежуточным пароперегревателем 8 через трубу. Промежуточный пароперегреватель 8 соединен с входом цилиндра низкого давления турбины. Промежуточный пароперегреватель 8 размещен в дымоходе 6b котла на биотопливе. Уходящие газы из котла на биотопливе нагревают пар.

Конденсатор 5 соединен с выходом цилиндра турбины. Выход воды конденсатора 5 соединен с деаэратором 28. Выход воды конденсатора 5 соединен с вакуумной трубкой солнечного коллектора 13 и/или с входом воды в котел на биотопливе через деаэратор 28 и первым водяным насосом 10, за счет чего обеспечивается циркуляция воды.

Экономайзер 7 последовательно соединен с трубой входа в котел на биотопливе 6, при этом экономайзер 7 размещен в дымоходе 6b котла на биотопливе. Уходящие газы из котла на биотопливе подогревают воду в котле на биотопливе.

Подпиточный бак воды концентрирующего солнечного коллектора и котла на биотопливе является баком запаса обессоленной воды 12, имеющим теплоизоляционный слой. Бак запаса обессоленной воды 12 соединен с деаэратором 28 через второй водяной насос 11 и далее с вакуумной трубкой солнечного коллектора 13 и с входом воды в котел на биотопливе через деаэратор 28, а также с первым водяным насосом 10. Бак запаса обессоленной воды 12 соединен с выходом концентрирующего солнечного коллектора через первый отсекающий клапан 21.

Датчик температуры T3 расположен на трубе между выходом воды концентрирующего солнечного коллектора и вторым отсекающим клапаном 22 и первым отсекающим клапаном 21. Контрольное значение температуры, отображаемое температурным датчиком Т3, передается на управляющую систему второго отсекающего клапана 22 и первого отсекающего клапана 21. Рабочая температура температурного датчика Т3 устанавливается в пределах значения температуры безопасной работы котла на биотопливе.

На фиг.2 показана схема параболоцилиндрического концентрирующего солнечного коллектора, размещенного на крыше склада биотоплива. Концентрирующий солнечный коллектор включает параболоцилиндрическое зеркало 14 и вакуумную трубку солнечного коллектора 13, где вакуумная трубка солнечного коллектора 13 расположена на фокальной линии параболоцилиндрического зеркала. Здесь, позицией 17 обозначена крыша склада биотоплива.

На фиг.3 показана схема концентрирующего солнечного коллектора, включающего отражающую линзу Френеля и вакуумную трубку солнечного коллектора. Концентрирующий солнечный коллектор включает отражающую линзу Френеля 30 и вакуумную трубку солнечного коллектора 13. Вакуумная трубка солнечного коллектора 13 расположена на фокальной линии отражающей линзы Френеля 30.

На фиг.4 показана схема концентрирующего солнечного коллектора, включающего пропускающую линзу Френеля и вакуумную трубку солнечного коллектора. Концентрирующий солнечный коллектор включает пропускающую линзу Френеля 31 и вакуумную трубку солнечного коллектора 13. Вакуумная трубка солнечного коллектора 13 расположена на фокальной линии пропускающей линзы Френеля 31.

Склад запаса биотоплива для котла на биотопливе имеет крышу подходящей длины и достаточно большой площади. Концентрирующий солнечный коллектор расположен на крыше склада запаса биотоплива. Вода используется в качестве теплоносителя в концентрирующем солнечном коллекторе и котле на биотопливе и по выбору или одновременно подается в вакуумную трубку солнечного коллектора и котел на биотопливе после обработки с помощью устройства химической очистки воды (бак запаса обессоленной воды для любого известного устройства химической очистки воды необходимо обеспечить теплоизоляционным слоем). Далее вода превращается в пар, который поступает в турбину для привода электрогенератора.

Котел на биотопливе и концентрирующий солнечный коллектор обеспечены отсекающими клапанами 18, 19, 20, 22 (пневматическими, электрическими, гидравлическими или электромагнитными). Рабочее состояние воды и пара в котле на биотопливе и концентрирующем солнечном коллекторе может быть легко изменено с помощью открытия или закрытия некоторых отсекающих клапанов, таким образом вся система производства электроэнергии может работать в режиме производства электроэнергии из солнечной энергии, производства электроэнергии с помощью котла на биотопливе или в комбинированном режиме производства электроэнергии.

Очевидно, что котел на биотопливе 6 с фиг.1 может быть заменен на котел, работающий на синтезированном газе, угле, мазуте, природном газе, метане из каменного угля, или на другой известный котел.

Также понятно, что вакуумная трубка солнечного коллектора с фиг.1-4 может быть заменена на известную черную трубку солнечного коллектора.

Работа системы производства электроэнергии из солнечной энергии описана далее со ссылкой на фиг.1 и 2.

В концентрирующем коллекторе солнечной энергии и котле на биотопливе в качестве рабочего тела для поглощения и удержания теплоты используется вода. Котел на биотопливе работает как второй источник теплоты для обеспечения дополнительного источника теплоты при производстве электроэнергии из солнечной энергии. Котел на биотопливе и концентрирующий солнечный коллектор запускаются одновременно.

Процесс работы включает следующие этапы:

1) разжигают котел на биотопливе, когда уровень воды в барабане котла на биотопливе достигает заданного; включают турбогенератор для работы в режиме теплоэлектростанции с котлом на биотопливе;

2) запускают концентрирующий солнечный коллектор (в этот момент первый клапан управления находится в закрытом состоянии); замеряют температуру t3 воды на выходе из концентрирующего солнечного коллектора; открывают второй клапан управления, расположенный между выходом воды концентрирующего солнечного коллектора и барабаном котла на биотопливе, когда t3 ≥95°C, и открывают третий клапан управления для регулирования подачи воды к трубке солнечного коллектора; подают воду в барабан котла на биотопливе; регулируют подачу воды в трубку солнечного коллектора для обеспечения t3 ≥95°C в соответствии с температурой воды t3 и поддерживают уровень воды в барабане котла на биотопливе, давление пара и температуру пара на выходе из котла на биотопливе в заданных интервалах значений, а также поддерживают устойчивый режим работы турбины за счет автоматического регулирования системой управления турбогенератора;

3) закрывают второй клапан управления на выходе воды из концентрирующего солнечного коллектора и третий клапан управления для регулирования подачи воды к трубке солнечного коллектора для предотвращения вытекания воды из трубки солнечного коллектора и сохранения теплоты и поддержания в рабочем состоянии, если подача воды в трубку солнечного коллектора устанавливается на минимальном уровне, при этом если температура воды t3 на выходе воды из концентрирующего солнечного коллектора, определенная системой управления турбогенератора, снизилась до t3<95°C; переключают турбогенератор в режим теплоэлектростанции; увеличивают подачу топлива в котел на биотопливе автоматическим регулированием системой управления турбогенератора для поддержания заданных значений давления и температуры пара на выходе пара из котла на биотопливе и поддержания устойчивого режима работы турбогенератора;

4) открывают первый клапан управления, расположенный между выходом воды из концентрирующего солнечного коллектора и подпиточным баком, если температура t3 на выходе воды из концентрирующего солнечного коллектора продолжает падать и становится ниже t3=5-9°C; открывают перепускной клапан для сброса воды комнатной температуры из трубки солнечного коллектора в бак запаса обессоленной воды; открывают сливной клапан для сброса воды из трубок солнечного коллектора; подают сжатый воздух через отверстие в перепускном клапане во все трубки солнечного коллектора до полного удаления воды; поддерживают концентрирующий солнечный коллектор и трубки солнечного коллектора в сухом состоянии, предотвращающем перемерзание; переключают турбогенератор в режим работы теплоэлектростанции с котлом на биотопливе; и

5) повторяют этап 1), если температура воды в трубке солнечного коллектора увеличивается и достигает t3 ≥95°C при возобновлении солнечного излучения; подают воду в котел на биотопливе и снижают подачу топлива в котел на биотопливе за счет автоматического регулирования системой управления турбогенератора.

Новый запуск системы производства электроэнергии из солнечной энергии (или перезапуск всей системы после капитального ремонта) по настоящему изобретению: до восхода солнца закрывают отсекающий клапан 21, открывают отсекающие клапаны 18, 19, 20, 22 и запускают второй водяной насос 11 для заполнения барабана котла на биотопливе 6а до заданного уровня, определяемого уровнемером L1, и вода заполняет все вакуумные трубки солнечного коллектора. Во время восхода солнца разжигают котел на биотопливе и запускают турбогенератор для обеспечения рабочего процесса в режиме теплоэлектростанции с котлом на биотопливе. Во время восхода солнца солнечное излучение резко возрастает до наивысшего значения за полчаса в 8:00, нагретая вода из концентрирующего солнечного коллектора поступает в барабан котла на биотопливе 6а. При расходе 65 т/ч средняя температура и давление в котле на биотопливе могут быть: давление p1=5,29 мПа, температура t1=450°C, а температура воды на выходе из экономайзера 7 составляет примерно 231°C. Поддержание уровня воды в барабане котла на биотопливе 6а, а также значений p1 и t1 в заданных интервалах является условием устойчивого режима работы турбогенератора.

Схема А применима если концентрирующий солнечный коллектор и котел на биотопливе, используемый в качестве дополнительного источника теплоты, работают одновременно в виду облачных и дождливых дней с суточной периодичностью. Особенности схемы А являются следующими.

В облачные и дождливые дни с суточной периодичностью температура воды t3 на выходе воды из концентрирующего солнечного коллектора падает, из-за чего система управления турбогенератора производит автоматическое регулирование для увеличения подачи топлива в котел на биотопливе до тех пор, пока уровень воды в барабане 6а, а также значения p1 и t1 не будут поддерживаться в заданных интервалах. Когда слой облаков утолщается и начинается дождь, температура воды t3 на выходе воды из солнечного коллектора продолжает падать, и когда температура t3 опускается с 231°C примерно до 95°C (что соответствует наименьшему температурному значению для безопасной работы котла на биотопливе), второй отсекающий клапан 22 на выходе воды из концентрирующего солнечного коллектора и третий отсекающий клапан 19 закрываются для предотвращения вытекания воды из вакуумной трубки солнечного коллектора и поддержания воды в нагретом и рабочем состоянии. Таким образом, турбогенератор переходит в режим теплоэлектростанции. Когда облака рассеиваются и появляется солнечное излучение, температура воды t3 на выходе воды из концентрирующего солнечного коллектора увеличивается и становится выше 95°C, второй отсекающий клапан 22 и третий отсекающий клапан 19 открываются для продолжения работы солнечного коллектора и поступления воды в барабан котла на биотопливе 6а. Вместе с ростом температуры воды в вакуумных трубках солнечного коллектора подача топлива в котел на биотопливе снижается за счет автоматического регулирования турбогенератора.

Схема В применима в темное ночное время, а особенности процесса работы по схеме В являются следующими.

Перед наступлением ночи, когда солнечные лучи не попадают на концентрирующий солнечный коллектор, температура воды на выходе из концентрирующего солнечного коллектора падает, и если t3 упадет до интервала значений от 9°C до 5°C (t3 ≥5°C), система выполняет схему А. Вода в вакуумной трубке солнечного коллектора не вытекает и находится в нагретом рабочем состоянии. Турбогенератор переключен в режим теплоэлектростанции до тех пор, пока не наступит безоблачный день и не появятся солнечные лучи.

Схема C применяется в ночное время, когда температура падает до точки замерзания воды (или в облачные дни, когда температура падает до точки замерзания воды), особенности процесса работы по схеме C являются следующими.

Перед наступлением ночи и темноты, когда солнечные лучи не падают на концентрирующий солнечный коллектор, система применяет схему C. Если t3 продолжает падать и становится t3=5-9°C, первый отсекающий клапан 21 и перепускной клапан 27 открываются для сброса воды комнатной температуры из вакуумной трубки солнечного коллектора в бак запаса обессоленной воды 12. Сливной клапан 29 открыт для удаления воды, оставшейся в вакуумных трубках солнечного коллектора. Сжатый воздух подается через отверстие перепускного клапана во все вакуумные трубки до полного удаления из них воды. Таким образом, концентрирующий солнечный коллектор и его вакуумные трубки поддерживаются в сухом состоянии для предотвращения перемерзания, а турбогенератор переключается в режим производства электроэнергии от котла на биотопливе.

Заключение

Система производства электроэнергии по настоящему изобретению является системой производства электроэнергии из солнечной энергии с использованием котла на биотопливе в качестве дополнительного источника теплоты, в которой нагревается вода. Настоящее изобретение упрощено за счет исключения системы аккумулирования тепла (использующей теплопроводящее масло или расплавленную соль в качестве теплоносителя), используемой в солнечных электростанциях предшествующего уровня техники, а также способно выборочно или одновременно использовать источник тепла от солнца или котла на биотопливе в зависимости от изменения солнечного излучения, при смене дня и ночи, изменении погоды для поддержания непрерывной работы турбогенератора днем и ночью, в результате чего повышается КПД системы производства электроэнергии из солнечной энергии, а также решается проблема перемерзания концентрирующего солнечного коллектора зимой.

Изобретение относится к способу производства электроэнергии из биотоплива и солнечной энергии. Заявляется система производства электроэнергии из солнечной энергии с использованием котла на биотопливе (6) в качестве дополнительного источника теплоты, которая включает концентрирующий солнечный коллектор, котел на биотопливе (6), турбогенератор, при этом в концентрирующем солнечном коллекторе в качестве рабочего тела используется вода и применяются трубки солнечного коллектора (13) среднего давления, скомбинированные в последовательно-параллельную матрицу, выход концентрирующего солнечного коллектора соединен с основанием барабана (6а) котла на биотопливе (6) через второй клапан управления (22), а выход пара из барабана котла на биотопливе (6а) соединен с цилиндром (3) турбогенератора (1). В такой системе селективно используются солнечная энергия и источник тепла от котла на биотопливе в зависимости от погодных условий. Также раскрыт способ производства электроэнергии с использованием системы. Изобретение обеспечивает стабильную работу, что повышает эффективность ее использования. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ производства электроэнергии из солнечной энергии с использованием котла на биотопливе в качестве дополнительного источника теплоты в системе, включающей:
концентрирующий солнечный коллектор,
котел на биотопливе и
турбогенератор,
характеризующейся тем, что
в концентрирующем солнечном коллекторе и котле на биотопливе в качестве рабочего тела для поглощения и накапливания теплоты используют воду,
котел на биотопливе используют в качестве вспомогательного источника теплоты для обеспечения дополнительного источника теплоты при производстве электроэнергии из солнечной энергии,
при этом способ включает следующие этапы:
(1) разжигают котел на биотопливе, когда уровень воды L1 в барабане котла на биотопливе достигает заданного уровня, запускают турбогенератор в соответствии с рабочим процессом теплоэлектростанции с котлом на биотопливе;
(2) запускают концентрирующий солнечный коллектор; определяют температуру воды t3 на выходе из концентрирующего солнечного коллектора; открывают второй клапан управления, расположенный между выходом воды концентрирующего солнечного коллектора и барабаном котла на биотопливе, когда t3 ≥? 95°C, и открывают третий клапан управления для регулирования подачи воды к трубке солнечного коллектора; подают воду в барабан котла на биотопливе; регулируют подачу воды к трубке солнечного коллектора для обеспечения t3 ≥95°C в соответствии с температурой воды t3 и поддерживают уровень воды в барабане котла на биотопливе, давление пара и температуру пара на выходе из котла на биотопливе в заданных интервалах значений, а также поддерживают устойчивый режим работы турбогенератора с помощью автоматического регулирования системой управления турбогенератора;
(3) закрывают второй клапан управления на выходе воды из концентрирующего солнечного коллектора и третий клапан управления для регулирования подачи воды к трубке солнечного коллектора для предотвращения вытекания воды из трубки солнечного коллектора и сохранения теплоты, и поддержания в рабочем состоянии, если подача воды в трубку солнечного коллектора установлена на минимальном уровне, а температура воды t3 на выходе воды из концентрирующего солнечного коллектора, определенная турбогенератором, снизилась при этом до t3<95°C; переключают турбогенератор в режим теплоэлектростанции; увеличивают подачу топлива в котел на биотопливе с помощью системы управления турбогенератора для поддержания заданных значений давления и температуры пара на выходе пара из котла на биотопливе и поддержания устойчивого режима работы турбогенератора;
(4) открывают первый клапан управления, расположенный между выходом воды из концентрирующего солнечного коллектора и подпиточным баком, если температура t3 на выходе воды из концентрирующего солнечного коллектора продолжает падать ниже t3=5-9°C; открывают перепускной клапан для сброса воды комнатной температуры из трубки солнечного коллектора в бак запаса обессоленной воды; открывают сливной клапан для сброса оставшейся воды из трубок солнечного коллектора; подают сжатый воздух через отверстие в перепускном клапане во все трубки солнечного коллектора до полного удаления из них воды; поддерживают концентрирующий солнечный коллектор и трубки солнечного коллектора в сухом состоянии, предотвращающем перемерзание; переключают турбогенератор в режим работы теплоэлектростанции с котлом на биотопливе; и
(5) повторяют этап (1), если температура воды в трубке солнечного коллектора возрастает до t3 ≥95°C при возобновлении солнечного излучения; подают воду в котел на биотопливе и снижают подачу топлива в котел на биотопливе с помощью автоматического регулирования турбогенератора.

2. Система производства электроэнергии из солнечной энергии, использующая котел на биотопливе в качестве дополнительного источника теплоты в соответствии со способом по п.1, включающая:
концентрирующий солнечный коллектор,
котел на биотопливе и
турбогенератор,
характеризующаяся тем, что:
в концентрирующем солнечном коллекторе и в котле на биотопливе в качестве рабочего тела для поглощения и удержания теплоты используют воду;
концентрирующий солнечный коллектор включает трубки солнечного коллектора, скомбинированные в последовательно-параллельную матрицу;
выход концентрирующего солнечного коллектора соединен с основанием барабана котла на биотопливе (6а) через второй клапан управления; и
выход пара из барабана котла на биотопливе (6а) соединен с цилиндром турбины.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что:
концентрирующий солнечный коллектор включает вакуумные трубки среднего давления, скомбинированные в последовательно-параллельную матрицу;
выход концентрирующего солнечного коллектора соединен с основанием барабана котла на биотопливе (6а) через второй клапан управления; и
выход пара из барабана котла на биотопливе (6а) соединен с цилиндром турбины.

4. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что:
пароперегреватель (9) установлен последовательно между выходом пара из барабана котла на биотопливе (6а) и трубой, соединенной с цилиндром турбины;
пароперегреватель (9) соединен с входом цилиндра высокого давления турбины (3); и
пароперегреватель (9) размещен в дымоходе (6b) котла на биотопливе.

5. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что:
выход цилиндра высокого давления (3) соединен с промежуточным пароперегревателем (8) с помощью трубы;
промежуточный пароперегреватель (8) соединен с входом цилиндра низкого давления турбины; и
промежуточный пароперегреватель (8) размещен в дымоходе (6b) котла на биотопливе.

6. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что:
конденсатор (5) соединен с выходом цилиндра турбины;
выход воды конденсатора (5) соединен с деаэратором (28); и
выход воды конденсатора (5) соединен с трубкой солнечного коллектора (13) и/или с входом воды в котел на биотопливе через деаэратор (28) и первым водяным насосом (10).

7. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что экономайзер (7) установлен последовательно с трубой входа воды в котел на биотопливе (6), при этом экономайзер (7) размещен в дымоходе (6b) котла на биотопливе.

8. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что:
подпиточный бак концентрирующего солнечного коллектора и котла на биотопливе выполнен в виде бака запаса обессоленной воды (12), имеющего теплоизоляционный слой;
бак запаса обессоленной воды (12) соединен с деаэратором (28) через второй водяной насос (11) и далее соединен с трубкой солнечного коллектора (13), входом воды в котел на биотопливе через деаэратор (28) и первым водяным насосом (10); и
бак запаса обессоленной воды (12) соединен с выходом концентрирующего солнечного коллектора через первый клапан управления (21).

9. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что:
датчик температуры (Т3) расположен на трубе между выходом воды из концентрирующего солнечного коллектора и вторым клапаном управления (22) и первым клапаном управления (21);
датчик температуры (Т3) выполнен с возможностью отправлять определенное им контрольное значение температуры на систему управления второго клапана управления (22) и первого клапана управления (21); и
рабочая температура датчика температуры (Т3) установлена в пределах значений температуры безопасной работы котла на биотопливе.

10. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что концентрирующий солнечный коллектор содержит параболоцилиндрическое зеркало (14) и трубку солнечного коллектора (13), при этом трубка солнечного коллектора (13) расположена на фокальной линии параболоцилиндрического зеркала.

11. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что концентрирующий солнечный коллектор содержит отражающую линзу Френеля (30) и трубку солнечного коллектора (13), при этом трубка солнечного коллектора (13) расположена на фокальной линии отражающей линзы Френеля (30).

12. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что концентрирующий солнечный коллектор содержит пропускающую линзу Френеля (31) и трубку солнечного коллектора (13), при этом трубка солнечного коллектора (13) расположена на фокальной линии пропускающей линзы Френеля (31).