СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2015 года по МПК F01K13/00 F01K3/18 F03G6/00 F24J2/42 B82B1/00 B82Y30/00 

Область техники

Изобретение относится к области энергетики, а именно к области использования солнечной энергии, и может быть применено при генерировании электрического тока с использованием энергии солнечного излучения в качестве источника теплового излучения.

Уровень техники

Известна солнечная энергетическая установка, содержащая заполненный низкокипящим рабочим веществом замкнутый циркуляционный контур, в который последовательно включены солнечный парогенератор, паровая турбина, кинематически соединенная с электрогенератором, и конденсатор. При этом замкнутый циркуляционный контур выполнен герметичным и установлен в вертикальной плоскости с образованием в нем восходящего участка для подъема паров рабочего вещества и опускного участка для стока рабочего вещества в жидком состоянии. Причем солнечный парогенератор и паровая турбина включены в циркуляционный контур на восходящем участке, конденсатор включен в циркуляционный контур в наивысшей его точке, а на опускном участке в циркуляционный контур дополнительно включена гидравлическая турбина, которая кинематически соединена с электрогенератором паровой турбины (RU 9901 U1, 16.05.1999).

Недостаткам известной установки является высокая себестоимость получаемой электроэнергии, а также относительно невысокий кпд.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является солнечная энергетическая установка, раскрытая в RU 2184873 С1, 10.07.2002.

Установка состоит из турбины с низкокипящим рабочим веществом, испарителя и конденсатора, при этом рабочее вещество испаряется в испарителе за счет солнечной энергии, поступающей в испаритель через теплоноситель, испарение рабочего вещества происходит в теплообменнике, одной полостью которого является испаритель, а в другой полости проходит теплоноситель, нагретый солнечной энергией.

Конденсатором является другой теплообменник, в одной полости которого проходит отработанный пар, а в другой - охладитель, который отбирает тепло у отработанного пара, превращая его в жидкость, охладителем может быть любое жидкое или газообразное вещество окружающей среды в месте нахождения установки, постоянно имеющее температуру 283 К и ниже. Если такого вещества окружающей среды с постоянной низкой температурой нет, как, например, в пустыне, то можно как охладитель использовать жидкость, охлаждая ее в ночное время холодным воздухом в дополнительном теплообменнике. Для того, чтобы установка могла работать не только днем, в часы, когда светит Солнце, но и в любое другое время, имеются дополнительные накопительные емкости, тщательно теплоизолированные, одна - для горячего теплоносителя, другая - для холодного теплоносителя, а при использовании дополнительного теплообменника для охлаждения охлаждающей жидкости также имеются две емкости, одна - для охладителя, поступающего из теплообменника, где он отдал свое тепло веществу окружающей среды, другая - для охладителя, поступающего из конденсатора, где он отбирает тепло у отработавшего пара, превращая его при этом в жидкость.

Главным недостатком известного технического решения является низкий кпд и, следовательно, невозможность повышения мощности всей установки.

Раскрытие изобретения

Задача предлагаемого технического решения состоит в разработке автономной солнечной энергетической установки.

Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности преобразования солнечной энергии.

Указанный технический результат достигается за счет того, что солнечная энергетическая установка содержит, по меньшей мере, один коллектор, теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии, парогенератор, паровую турбину, конденсатор, причем теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии заполнен высокотемпературной жидкостью. При этом установка включает первый замкнутый циркуляционный контур с высокотемпературным теплоносителем, в который последовательно включены коллектор и теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии, причем первый контур содержит теплообменник, расположенный в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии. Установка содержит второй замкнутый циркуляционный контур с высокотемпературной жидкостью, в который последовательно включены теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии и парогенератор, причем второй контур содержит два теплообменника, расположенные, соответственно, в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии и в парогенераторе, заполненном высокотемпературной жидкостью. Также установка содержит третий замкнутый циркуляционный контур с низкокипящим рабочим веществом, в который последовательно включены парогенератор, паровая турбина, кинематически соединенная с электрогенератором, и конденсатор, который включает теплообменник, соединенный с трубопроводом для подачи холодной воды и трубопроводом для выхода горячей воды, причем третий контур содержит теплообменник, расположенный в парогенераторе.

Кроме того, установка содержит четвертый замкнутый циркуляционный контур с высокотемпературной жидкостью, в который последовательно включены теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии и теплоаккумулятор длительного хранения тепловой энергии, заполненный высокотемпературной жидкостью, причем четвертый контур содержит два теплообменника, расположенные, соответственно, в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии и теплоаккумуляторе длительного хранения тепловой энергии.

В качестве высокотемпературного теплоносителя применяют минеральные масла, расплавы солей.

Высокотемпературный теплоноситель содержит добавку в виде углеродных нанотрубок в количестве 0,1-1 об.%.

Низкокипящее рабочее вещество представляет собой фреон, этиловый спирт.

В качестве высокотемпературной жидкости применяют минеральные масла, расплавы солей.

В качестве теплообменников используют кожухотрубные.

Краткое описание чертежа

Фиг. 1 - Схема солнечной энергетической установки.

1 - коллектор;

2 - теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии;

3-парогенератор;

4 - паровая турбина;

5 - электрогенератор;

6 - конденсатор;

7 - первый замкнутый циркуляционный контур;

8 - теплообменник первого контура;

9 - второй замкнутый циркуляционный контур;

10 - первый теплообменник второго контура;

11 - второй теплообменник второго контура;

12 - третий замкнутый циркуляционный контур;

13 - теплообменник конденсатора;

14 - трубопровод для подачи холодной воды;

15 - трубопровод для выхода горячей воды;

16 - теплообменник третьего контура;

17 - обратный клапан;

18 - четвертый замкнутый циркуляционный контур;

19 - теплоаккумулятор длительного хранения тепловой энергии;

20 - первый теплообменник четвертого контура;

21 - второй теплообменник четвертого контура.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 изображена солнечная энергетическая установка, которая содержит, по меньшей мере, один коллектор (1), теплоакуммулятор (2) кратковременного хранения тепловой энергии, парогенератор (3), паровую турбину (4) и конденсатор (5), причем теплоакуммулятор (2) кратковременного хранения тепловой энергии заполнен высокотемпературной жидкостью. При этом установка включает первый замкнутый циркуляционный контур (7) с высокотемпературным теплоносителем, в который последовательно включены коллектор (1) и теплоакуммулятор (2) кратковременного хранения тепловой энергии, причем первый контур (7) содержит теплообменник (8), расположенный в теплоакуммуляторе (2) кратковременного хранения тепловой энергии, а циркуляция высокотемпературного теплоносителя осуществляется при помощи циркуляционного насоса (не показан). Второй замкнутый циркуляционный контур (9) заполнен высокотемпературной жидкостью, в который последовательно включены теплоакуммулятор (2) кратковременного хранения тепловой энергии и парогенератор (3), причем второй контур (9) содержит два теплообменника (10, 11), расположенные, соответственно, в теплоакуммуляторе (2) кратковременного хранения тепловой энергии и в парогенераторе (3), заполненном высокотемпературной жидкостью, а циркуляция высокотемпературной жидкости осуществляется при помощи циркуляционного насоса (не показан). Третий замкнутый циркуляционный контур (12) заполнен низкокипящим рабочим веществом, в который последовательно включены парогенератор (3), паровая турбина (4), кинематически соединенная с электрогенератором (5), и конденсатор (6), который включает теплообменник (13), соединенный с трубопроводом (14) для подачи холодной воды и трубопроводом (15) для выхода горячей воды, причем третий контур содержит теплообменник (16), расположенный в парогенераторе (3), а циркуляция низкокипящего рабочего вещества осуществляется при помощи циркуляционного насоса (не показан). При этом третий замкнутый контур (12) содержит обратный клапан (17), установленный на входе в парогенератор (3) для подачи низкокипящего вещества.

Кроме того, установка содержит четвертый замкнутый циркуляционный контур (18) с высокотемпературной жидкостью, в который последовательно включены теплоакуммулятор (2) кратковременного хранения тепловой энергии и теплоаккумулятор (19) длительного хранения тепловой энергии, заполненный высокотемпературной жидкостью, причем четвертый контур (18) содержит два теплообменника (20, 21), расположенные, соответственно, в теплоакуммуляторе (2) кратковременного хранения тепловой энергии и теплоаккумуляторе (19) длительного хранения тепловой энергии, а циркуляция высокотемпературной жидкости осуществляется при помощи циркуляционного насоса (не показан).

В качестве высокотемпературного теплоносителя применены минеральные масла, высокотемпературные расплавы солей.

Высокотемпературный теплоноситель содержит добавку в виде углеродных нанотрубок в количестве 0,1-1 об.%.

Низкокипящее рабочее вещество представляет собой фреон, этиловый спирт.

В качестве высокотемпературной жидкости применены минеральные масла, высокотемпературные расплавы солей.

В качестве теплообменников применены кожухотрубные теплообменники, змеевик и любые другие известные теплообменники.

Рабочая площадь солнечного коллектора составляет от несколько десятков до несколько сотен м². В случае если установка содержит более одного коллектора, то они соединяются в замкнутом контуре параллельно или последовательно.

Теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии содержит вакуумную изоляцию и поддерживает температуру 150-200°C без подзарядки в течение 72 часов.

Теплоаккумулятор длительного хранения тепловой энергии содержит вакуумную теплоизоляцию и поддерживает температуру 150-200°C без подзарядки в течение 1500 часов.

Парогенератор содержит теплоизоляцию, например, выполненную из пеностекла, либо используют вакуумную.

Замкнутые циркуляционные контуры представляют собой металлическую трубу с теплоизоляцией, например, выполненную из пеностекла.

В качестве высокотемпературного теплоносителя и высокотемпературной жидкости применяют минеральные масла на основе алкилнафтеновых и алкилароматических углеводородов и высокотемпературные расплавы солей на основе смесей высокотемпературных расплавов KNO₃ и NaNO₃.

Для повышения степени поглощения солнечной инсоляции высокотемпературный теплоноситель содержит добавку в виде углеродных нанотрубок диаметром 10-50 нм и длинной 70-100 нм в количестве 0,1-1 об.%. При содержании нанотрубок менее 0,1% степень поглощения солнечной инсоляции будет низка, а при содержании нанотрубок более 1% приведет к удорожанию теплоносителя.

Пример 1

Согласно фиг. 1 первый замкнутый циркуляционный контур (7) заполнен высокотемпературным теплоносителем, который циркулирует по контуру (7) при помощи циркуляционного насоса (не показан). Теплоноситель поступает в два солнечных коллектора (на фиг. 1, обозначено поз. 1), каждый площадью 25 м², которые соединены с контуром (7) параллельно, где он нагревается от солнечной энергии. Далее нагретый теплоноситель попадает в теплообменник (8), расположенный в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии (2), где происходит отдача тепла от теплоносителя высокотемпературной жидкости, находящейся в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии (2). Затем теплоноситель повторно поступает в коллектор (1) и цикл повторяется. Второй замкнутый циркуляционный контур (9) заполнен высокотемпературной жидкостью, которая циркулирует по контуру при помощи циркуляционного насоса (не показан). Высокотемпературная жидкость, нагреваясь в теплообменнике (10), находящемся в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии (2), поступает в теплообменник (11), находящийся в парогенераторе (3), заполненном высокотемпературной жидкостью, и отдает тепло высокотемпературной жидкости. Затем высокотемпературная жидкость вновь поступает в теплообменник (10), находящийся в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии (2), и цикл повторяется. Низкокипящее рабочее вещество по третьему замкнутому контуру (12) при помощи циркуляционного насоса (не показан) из конденсатора (6) через обратный клапан (17) поступает в теплообменник (16) парогенератора, где происходит испарение рабочего вещества и получение пара. Далее пар поступает в паровую турбину (4), где часть энергии рабочего пара турбины (4) при помощи электрогенератора (5), совмещенного с турбиной (4), преобразуют в электроэнергию, которую расходуют на поддержание функциональности установки или на электроэнергию, необходимую потребителю (освещение, питание бытовых приборов и др.). Из турбины (4) пары рабочего вещества поступают в конденсатор (6), где происходит конденсация пара за счет теплообменника (13), в который поступает холодная вода по трубопроводу (14). Затем низкокипящее рабочее вещество попадает во второй замкнутый контур (12) и цикл повторяется, а нагретая горячая вода из теплообменника (13) по трубопроводу (15) поступает на нужды потребителю.

Пример 2

Согласно фиг. 1 первый замкнутый циркуляционный контур (7) заполнен высокотемпературным теплоносителем с добавкой в виде углеродных нанотрубок в количестве 0,1 об.%, который циркулирует по контуру при помощи циркуляционного насоса (не показан). Теплоноситель поступает в солнечный коллектор (1) площадью 150 м², где он нагревается от солнечной энергии. Далее нагретый теплоноситель попадает в теплообменник (8), расположенный в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии (2), где происходит отдача тепла от теплоносителя высокотемпературной жидкости, находящейся в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии (2). Затем теплоноситель повторно поступает в коллектор (1) и цикл повторяется. Второй замкнутый циркуляционный контур (9) заполнен высокотемпературной жидкостью, которая циркулирует по контуру при помощи циркуляционного насоса (не показан). Высокотемпературная жидкость, нагреваясь в теплообменнике (10), находящемся в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии (2), поступает в теплообменник (11), находящийся в парогенераторе (3), заполненном высокотемпературной жидкостью, и отдает тепло высокотемпературной жидкости. Затем высокотемпературная жидкость вновь поступает в теплообменник (10), находящийся в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии (2), и цикл повторяется. Низкокипящее рабочее вещество по третьему замкнутому контуру (12) при помощи циркуляционного насоса (не показан) из конденсатора (6) через обратный клапан (17) поступает в теплообменник (16) парогенератора, где происходит испарение рабочего вещества и получение пара. Далее пар поступает в паровую турбину (4), где часть энергии рабочего пара турбины (4) при помощи электрогенератора (5), совмещенного с турбиной (4), преобразуют в электроэнергию, которую расходуют на поддержание функциональности установки или на электроэнергию, необходимую потребителю (освещение, питание бытовых приборов и др.). Из турбины (4) пары рабочего вещества поступают в конденсатор (6), где происходит конденсация пара за счет теплообменника (13), в который поступает холодная вода по трубопроводу (14). Затем низкокипящее рабочее вещество попадает во второй замкнутый контур (12) и цикл повторяется, а нагретая горячая вода из теплообменника (13) по трубопроводу (15) поступает на нужды потребителю. Кроме того, система содержит четвертый замкнутый циркуляционный контур (18), заполненный высокотемпературной жидкостью, которая циркулирует по контуру при помощи циркуляционного насоса (не показан). В четвертый контур последовательно включены теплоакуммулятор (2) кратковременного хранения тепловой энергии и теплоаккумулятор (19) длительного хранения тепловой энергии, заполненный высокотемпературной жидкостью, причем четвертый контур содержит два теплообменника (20, 21), расположенные, соответственно, в теплоакуммуляторе (2) кратковременного хранения тепловой энергии и теплоаккумуляторе (19) длительного хранения тепловой энергии.

Для выполнения своих функций (накопление тепла) температура высокотемпературной жидкости в теплоакуммуляторе (2) кратковременного хранения тепловой энергии должна составлять 150-200°C, в парогенераторе -150-200°C, а в теплоаккумуляторе (19) длительного хранения тепловой энергии -150-250°C.

В случае если температура высокотемпературной жидкости в теплоакуммуляторе (2) кратковременного хранения тепловой энергии опустится ниже 150°C, включается циркуляционный насос (не показан), который подает горячую высокотемпературную жидкость в теплоакуммулятор (2) кратковременного хранения тепловой энергии из теплоаккумулятора (19) длительного хранения тепловой энергии, тем самым повышая температуру высокотемпературной жидкости в теплоакуммуляторе (2) кратковременного хранения тепловой энергии до необходимой при помощи теплообмена, происходящем между теплообменником (20) и высокотемпературной жидкостью.

Если температура высокотемпературной жидкости в теплоакуммуляторе (2) кратковременного хранения тепловой энергии превысит 200°C, включается циркуляционный насос, который подает нагретую в теплобменнике (20) горячую высокотемпературную жидкость в теплообменник теплоаккумулятора (21) длительного хранения тепловой энергии.

Применение высокотемпературного теплоносителя в первом контуре заявленной солнечной установки позволяет подать его в теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии с более высокой температурой, чем вода, что позволяет в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии, заполненном высокотемпературной жидкостью, поддерживать высокую температуру высокотемпературной жидкости в нем, в том числе при отсутствии солнца. Кроме того, высокотемпературная жидкость в парогенераторе за счет теплоакуммулятора кратковременного хранения тепловой энергии обеспечивает выработку большего количества пара за счет значительного перепада температур между высокотемпературной жидкостью и низкокипящим рабочим веществом, в том числе при отсутствии солнца, используемого для работы турбины, которая кинематически связана с электрогенератором, вырабатывающим электроэнергию за счет работы турбины от пара.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить автономную солнечную установку с одновременным увеличением эффективности преобразования солнечной энергии.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к области энергетики, а именно к области использования солнечной энергии, и может быть применено при генерировании электрического тока с использованием энергии солнечного излучения в качестве источника теплового излучения. Солнечная энергетическая установка включает, по меньшей мере, один коллектор, теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии, парогенератор, паровую турбину, конденсатор, причем теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии заполнен высокотемпературной жидкостью, при этом установка включает первый замкнутый циркуляционный контур с высокотемпературным теплоносителем, в который последовательно включены коллектор и теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии, причем первый контур содержит теплообменник, расположенный в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии, второй замкнутый циркуляционный контур с высокотемпературной жидкостью, в который последовательно включены теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии и парогенератор, причем второй контур содержит два теплообменника, расположенные, соответственно, в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии и в парогенераторе, заполненном высокотемпературной жидкостью, третий замкнутый циркуляционный контур с низкокипящим рабочим веществом. Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности преобразования солнечной энергии. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Солнечная энергетическая установка, содержащая, по меньшей мере, один коллектор, теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии, парогенератор, паровую турбину, конденсатор, причем теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии заполнен высокотемпературной жидкостью, при этом установка включает первый замкнутый циркуляционный контур с высокотемпературным теплоносителем, в который последовательно включены коллектор и теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии, причем первый контур содержит теплообменник, расположенный в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии, второй замкнутый циркуляционный контур с высокотемпературной жидкостью, в который последовательно включены теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии и парогенератор, причем второй контур содержит два теплообменника, расположенные, соответственно, в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии и в парогенераторе, заполненном высокотемпературной жидкостью, третий замкнутый циркуляционный контур с низкокипящим рабочим веществом, в который последовательно включены парогенератор, паровая турбина, кинематически соединенная с электрогенератором, и конденсатор, который включает теплообменник, соединенный с трубопроводом для подачи холодной воды и трубопроводом для выхода горячей воды, причем третий контур содержит теплообменник, расположенный в парогенераторе.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит четвертый замкнутый циркуляционный контур с высокотемпературной жидкостью, в который последовательно включены теплоакуммулятор кратковременного хранения тепловой энергии и теплоаккумулятор длительного хранения тепловой энергии, заполненный высокотемпературной жидкостью, причем четвертый контур содержит два теплообменника, расположенные, соответственно, в теплоакуммуляторе кратковременного хранения тепловой энергии и теплоаккумуляторе длительного хранения тепловой энергии.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве высокотемпературного теплоносителя применены минеральные масла, высокотемпературные расплавы солей.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что высокотемпературный теплоноситель содержит добавку в виде углеродных нанотрубок в количестве 0,1-1 об.%.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что низкокипящее рабочее вещество представляет собой фреон, этиловый спирт.

6. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве высокотемпературной жидкости применены минеральные масла, высокотемпературные расплавы солей.

7. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве теплообменников применены кожухотрубные теплообменники.