СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2023 года по МПК F03G6/06 F24S90/00 

Область техники

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики.

Предшествующий уровень техники

Известны солнечные энергетические установки, (материалы интернет) содержащие солнечный параболический концентратор и двигатель Стерлинга, который используется в качестве привода электрического генератора. Принцип действия таких солнечных энергетических установок основан на концентрации солнечных лучей на горячем цилиндре (горячей части рабочего цилиндра) двигателя Стерлинга, при этом холодный цилиндр (холодная часть рабочего цилиндра) охлаждается или непосредственно холодным окружающим воздухом или жидким теплоносителем, который может быть использован в дальнейшем, в частности для нужд отопления или горячего теплоснабжения.

Преимуществом солнечных электростанций данного типа является их достаточно высокий КПД (собственно электрический КПД до 30%), обусловленный потенциально высокой температурой горячей части рабочего цилиндра двигателя Стерлинга, работающего по циклу Карно.

Недостатками данных, и им подобных солнечных энергетических установок является то, что для каждого двигателя Стерлинга используется свой индивидуальный солнечный, чаще всего параболический концентратор тарельчатого типа, который сложен конструктивно и дорог в производстве. При этом каждый концентратор устанавливается на собственном фундаменте, положение каждого концентратора необходимо постоянно корректировать, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Собственно, солнечная энергетическая установка представляет собой комплекс из множества концентраторов с двигателем Стерлинга, каждый из которых снабжен механизмом позиционирования в двух плоскостях, при этом отдельные энергетические модули располагаются друг от друга на относительно большом расстоянии, и связаны между собой силовыми и вспомогательными кабелями. Данное конструктивное исполнение значительно удорожает как стоимость собственно солнечной энергетической станции, так и эксплуатационные расходы.

Недостатком такого конструктивного исполнения так же является нерациональное использование площади земельного участка, на котором данная солнечная электростанция располагается, так как лишь незначительная часть используемого пространства используется для собственно концентрации солнечной энергии, в целях преобразования ее в тепловую и электрическую энергию, т.е. земля, на которой располагается такая солнечная электростанция используется недостаточно эффективно.

Другим существенным недостатком солнечных электростанций данного типа, является их неспособность вырабатывать электрическую и тепловую энергию в отсутствие солнечной радиации. Электростанция неустойчиво работает при переменной облачности, и быстро прекращает свою работу при заходе солнца за линию горизонта.

Известны так же солнечные энергетические установки с концентратором линейного типа (материалы Интернет), на основе тепловых двигателей, работающих по циклу

Ренкина, принцип работы которых основан на нагреве теплоносителя в трубе, внутри которой циркулирует жидкий теплоноситель, на которую фокусируется солнечная радиация при помощи параболического концентратора линейного типа (выполненного в виде желоба) или плоских, выполненных в виде полос зеркал, расположенных на одной поверхности, но под разными углами к солнцу таким образом, чтобы отраженные ими лучи солнца концентрировались на данной трубе с жидким теплоносителем. Нагретый до 300 - 500 градусов С, жидкий теплоноситель (масло или расплавленная соль), в свою очередь отдает часть своей тепловой энергии собственно рабочему телу турбины, превращая ее из жидкости в пар.

Данный тип солнечных энергетических установок обладает рядом существенных преимуществ, благодаря которым они получили наибольшее распространение среди солнечных энергетических установок, работающих по термодинамическому принципу. В частности, в таких установках высок коэффициент использования полезной площади для концентрации солнечного излучения, более проста система управления положением отражающих поверхностей, так как последние позиционируются лишь в вертикальной плоскости, более проста технология очистки отражающих зеркал (за счет более простой геометрии), меньше затраты на производство и установку концентраторов. Важным достоинством солнечных энергетических установок данного типа является их стабильная работа в переменную облачность и возможность работы после захода солнца (за счет тепловой инерции разогретого в течение дня, жидкого теплоносителя).

Однако солнечные энергетические установки данного типа обладают и существенными недостатками, а именно:

КПД подобных установок в целом ниже, чем у солнечных энергетических установок на основе двигателя Стерлинга.

Солнечные энергетические установки подобного типа зависимы от наличия источников воды (работа конденсаторной установки, система подпитки рабочего тела).

В качестве прототипа выбрана "Энергетическая установка на основе двигателя Стерлинга с тепловым аккумулятором" известная из патента RU 2255237 C1.

Суть данного изобретения заключается в том, что в энергетической установке на основе двигателя Стерлинга с тепловым аккумулятором, включающей в себя двигатель Стерлинга и источник теплоты (в качестве которого может быть использована солнечная энергия) в виде аккумулятора с теплоаккумулирующим веществом и нагревательным устройством, отличающаяся тем, что снабжена электрогенератором на одном валу с двигателем Стерлинга, при этом тепловой аккумулятор установлен непосредственно на нагреватель двигателя Стерлинга, а для зарядки аккумулятора могут быть использованы различные виды энергии, например электрическая или тепловая.

Данное техническое решение позволяет повысить устойчивость работы данной энергетической установки, в частности в случае использования в качестве источника тепла солнечного излучения при переменной облачности и позволяет продолжить ее работу в течении некоторого времени в темное время суток, однако оно обладает и существенными недостатками, а именно:

Использование для каждого двигателя Стерлинга индивидуального солнечного концентратора, положение которого необходимо корректировать как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, что в случае использования данной энергетической установки на основе двигателя Стерлинга с тепловым аккумулятором как основы для солнечной электростанции, состоящей из комплекса энергетических установок данного типа усложняет и удорожает как строительство, так и эксплуатацию подобной электростанции.

Кроме этого земельный участок, на котором может быть расположена подобная электростанция будет использован недостаточно эффективно, по причине выше раскрытых технических особенностей.

Сущность изобретения

Задачами предложенного изобретения являются:

- Упрощение конструкции и уменьшение общей стоимости установки;

- Устойчивая работа при переменной облачности;

- Возможность генерирования механической и тепловой энергии в темное время суток.

Повышение удельной мощности установки в целом за счет более эффективного использования пространства, на котором расположена солнечная энергетическая установка, для преобразования солнечной энергии в тепловую и механическую.

Достижение поставленных в изобретении задач решается в солнечной энергетической установке, содержащей солнечный концентратор, систему позиционирования солнечного концентратора, двигатель Стирлинга или набор двигателей Стирлинга, систему управления солнечной энергетической установкой, согласно изобретению, приемник сконцентрированного солнечного излучения выполнен в виде линейного теплового ресивера - теплового аккумулятора, а двигатель Стирлинга или набор двигателей Стирлинга устанавливаются непосредственно на тепловом ресивере - тепловом аккумуляторе.

Главной особенностью изобретения является установка двигателя или нескольких тепловых двигателей с внешним подводом тепла (преимущественно двигателей Стерлинга) на линейном тепловом ресивере, способным аккумулировать тепловую энергию, получаемую в течение светового дня совместно с использованием линейного солнечного концентратора для фокусирования солнечных лучей на тепловом ресивере.

Техническим результатом применения данного технического решения является возможность постройки солнечных электростанций при меньших капитальных затратах, более простых и дешевых в эксплуатации и техническом обслуживании, способных генерировать тепловую и электрическую энергию как в светлое, так и темное время суток, а так же повышение удельной мощности относительно занимаемого пространства, по сравнению с существующими солнечными электростанциями на основе двигателей с внешним подводом тепла, преимущественно двигателей Стерлинга.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для иллюстрации предлагаемой Солнечной энергетической установки

прилагаются чертежи, на которых изображены:

Фиг. 1 - Солнечная энергетическая установка на основе линейного концентратора и нескольких двигателей Стерлинга с солнечным параболическим отражателем желобового типа.

Фиг. 2 - Солнечная энергетическая установка на основе линейного концентратора и нескольких двигателей Стерлинга с солнечным концентратором, выполненным в виде набора линейных зеркал.

Фиг. 3 - Продольный разрез теплового ресивера с двигателем Стерлинга.

Представленная на чертежах Солнечная энергетическая установка, состоит из линейного теплового ресивера 1, одного двигателя или нескольких двигателей с внешним подводом тепла, например двигателя/ей Стерлинга 2, солнечного концентратора 3, механизма вертикальной коррекции положения солнечного концентратора (на чертежах не представлен), причем линейный тепловой ресивер может иметь любое конструктивное исполнение, в частности, такое, какое представлено на Фиг. 3, а именно: состоять из металлической трубы 4, заполненной абсорбером 5 (в качестве абсорбера может быть, к примеру использован кварцевый песок), в металлической трубе выполнены гнезда 6, для установки тепловых двигателей с внешним подводом тепла, таким, как например двигатель Стерлинга, тепловую изоляцию 7, прозрачный экран 8. Двигатель/ли Стерлинга устанавливается/ются в гнездо/а своей горячей частью 9 рабочего цилиндра - для модификаций Бета и Гамма, или горячим цилиндром - в случае модификации Альфа, при этом холодная часть цилиндра 10 (холодный цилиндр для модификации Альфа) находится за пределами теплового ресивера. Согласно Фиг. 3 иллюстраций (модификация Бета Стерлинг) внутри цилиндра двигателя располагаются рабочий поршень 15 и поршень-вытеснитель 14. За пределами теплового ресивера, находятся картер/ы 11 двигателей Стерлинга и генераторы/генератор 12. Каждый двигатель Стерлинга может иметь как свой собственный электрогенератор, так и один генератор на несколько тепловых двигателей с внешним подводом тепла, в частности все двигатели могут иметь один общий рабочий вал 13.

Предложенная Солнечная энергетическая установка работает следующим образом.

В соответствии с иллюстрацией Фиг. 3, сконцентрированные линейным солнечным концентратором 3 отраженные солнечные лучи через прозрачный экран 8 нагревают металлическую трубу 4, заполненную абсорбером 5, вследствие чего, происходит нагрев как абсорбера, так и гнезд 6, в которых монтируются несколько двигателей Стерлинга 2, каждый своей горячей частью 9 рабочего цилиндра. Абсорбер отдает часть своей энергии горячим частям рабочих цилиндров двигателей Стерлинга. Одновременно с этим происходит рассеивание тепловой энергии через холодные части 10 рабочих цилиндров двигателей Стерлинга в окружающую среду или жидкому теплоносителю. Таким образом создается условие для работы двигателя или нескольких, установленных на линейном тепловом ресивере тепловых двигателей, а именно, согласно Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, двигателей Стерлинга. Двигатели Стерлинга включаются в работу и начинают генерировать электрический ток. При этом, в случае переменной облачности не происходит резких изменений в работе предложенной Солнечной энергетической установки по причине наличия запаса довольно значительной тепловой энергии, аккумулируемой тепловым ресивером. В течение светового дня происходит постоянная коррекция положения линейного концентратора в вертикальной плоскости, таким образом, что поддерживается режим постоянного нагрева теплового ресивера в течение светлого времени суток.

После захода солнца за линию горизонта и наступления темного времени суток двигатели Стерлинга продолжат свою работу в течение нескольких часов, за счет тепловой энергии, запасенной тепловым ресивером в течение светлого времени суток.

Промышленная применимость. Данное изобретение может быть использовано в энергетике, а именно в возобновляемой энергетике, в качестве тепловой и электрической станции.

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики. Солнечная энергетическая установка содержит солнечный концентратор, систему позиционирования солнечного концентратора, двигатель Стирлинга или набор двигателей Стирлинга, систему управления солнечной энергетической установкой, причем приемник сконцентрированного солнечного излучения выполнен в виде линейного теплового ресивера - теплового аккумулятора, а двигатель Стирлинга или набор двигателей Стирлинга устанавливаются непосредственно на тепловом ресивере - тепловом аккумуляторе. Техническим результатом является использование солнечных энергетических установок (солнечных электростанций) при меньших капитальных затратах, простых в эксплуатации, более устойчиво работающих при переменной облачности, способные в течение определенного времени работать в темное время суток, а также повышение удельной мощности относительно занимаемого пространства. 3 ил.

Солнечная энергетическая установка, содержащая солнечный концентратор, систему позиционирования солнечного концентратора, двигатель Стирлинга или набор двигателей Стирлинга, систему управления солнечной энергетической установкой, отличающаяся тем, что приемник сконцентрированного солнечного излучения выполнен в виде линейного теплового ресивера - теплового аккумулятора, а двигатель Стирлинга или набор двигателей Стирлинга устанавливаются непосредственно на тепловом ресивере - тепловом аккумуляторе.