Солнечно-ветровая электростанция Российский патент 2023 года по МПК F03D9/37 F24S90/10 H02S10/12 

Изобретение относится к возобновляемым источникам энергии.

Известна «Горная воздушно-тяговая электростанция», где теплый воздух нагревается в вертикальном воздуховоде в глубине земли и на поверхности [1]. Вертикальный воздуховод, а в нем двигатель с генератором выполнен в виде горной выработки, изолированной от поступления в нее подземных вод, устье которой на земной поверхности является выходом воздуховода, а нагревателем является геотермальный коллектор, представленный сухими теплыми породами. Устройство снабжено дополнительным теплоизолированным воздуховодом. Недостатком данного устройства является необходимость бурения скважины на большую глубину и организации теплообмена между породой и воздуховодом на большой глубине.

Известно устройство «Энергетическая башня», размещенная в центре парника, нагреваемого солнцем, в центре которого находится башня (труба) высотой 800 м. Электрическая энергия вырабатывается генераторами с турбинами, вращающимися за счет разности плотностей воздуха, нагретого гелиоколлектором и атмосферным давлением на высоте 800 м [2]. Недостатком изобретения является сложность и дороговизна возведения трубы высотой 800 м.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение эффективности солнечно-ветровой электростанции

Солнечно-ветровая электростанция содержит трубу и турбину с генератором, турбина расположена на выходе трубы, имеющей теплопоглощающее покрытие, по потоку рабочего газа за трубой расположен, охлаждаемый наружным воздухом теплообменник-конденсатор со сливным трубопроводом для сброса самотеком сконденсировавшейся жидкости и создания разрежения в теплообменнике-конденсаторе, со сливным трубопроводом сообщается дополнительная емкость для сбора осадков, а также установлен эжектор для уменьшения давления в теплообменнике-конденсаторе. За теплообменником-конденсатором расположен диффузор. Сливной трубопровод расположен внутри газопровода рабочих газов. Перед турбиной установлены топливные форсунки, осуществляющие подачу топлива для сжигания, на входе в трубу установлен нагнетатель воздуха, который охлаждается сконденсировавшейся жидкостью через трубопровод охлаждения нагнетателя, подключенный к сливной трубе через запорно-регулировочные краны, перед турбиной расположен обтекатель и входной направляющий аппарат, а за турбиной расположен выходной направляющий аппарат.

Понижение температуры в теплообменнике-конденсаторе приводит к понижению давления, увеличению степени расширения на турбине, что увеличивает ее мощность, а при достаточно высоких температурах происходит конденсация влаги, что, в свою очередь, дополнительно понижает давление после турбины и далее увеличивает степень расширения на турбине и ее мощность. Использование дополнительной емкости приводит также к понижению давления после турбины и увеличению степени расширения и мощности турбины, а установка эжектора усиливает процесс увеличения степени расширения на турбине и ее мощности. Отбор части жидкости на охлаждение нагнетателя приведет к повышению его КПД. Подача топлива в форсунки и его сгорание приведет к повышению КПД турбины и непрерывному обеспечению потребителя электроэнергией.

Техническим результатом является упрощение конструкции и повышение эффективности солнечно-ветровой электростанции.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство солнечно-ветровой электростанции, содержащее склон горы 1, опоры 2, труба 3, обтекатель 4, входной направляющий аппарат 5, турбину 6, генератор 7, выхлопную трубу 8, топливные форсунки 9, трубопровод подачи топлива 10. На склоне 1 на опорах 2 расположен солнечный коллектор 3, внутри которого установлен обтекатель 4 с входным направляющим аппаратом 5, за которым установлена турбина 6 соединенная генератором 7, и далее за ним установлена выхлопная труба 8. Перед турбиной 6 могут быть установлены топливные форсунки 9, соединенные с трубопроводом подачи топлива 10.

Работает солнечно-ветровая электростанция следующим образом (фиг. 1): наружный воздух поступает в трубу 3, которая снаружи имеет теплопоглощающее покрытие, расположенную на опорах 2, и нагревается в. Воздух разгоняется за счет расположения обтекателя 4 перед входным направляющим аппаратом 5, закручивается в нем, и поступает в турбину 6, вращающую генератор 7. После трубы 3 за генератором воздух поступает в выхлопную трубу 8, и, далее - в атмосферу. При необходимости могут использоваться топливные форсунки 9 для подачи топлива в трубопровод 10 и дальнейшего сжигания его с целью обеспечения стабильности выработки электроэнергии. Кроме того, при сжигании повышается температура используемого для сжигания воздуха, что повышает эффективность его использования, т.к. он срабатывает на турбине 6 с более высоким коэффициентом использования. На обычной ветротурбине коэффициент его использования составляет 0,3-0,45, а турбине 6 с высокой температурой газов он составляет 0,8 и более [3].

Это устройство позволяет избежать строительства высотной дорогостоящей трубы, упростить и удешевить солнечно-ветровую электростанцию; уменьшить площадь, используемую под солнечно-ветровую электростанцию, исключить мультипликатор, повысить эффективность использования солнечных лучей в утреннее и вечернее время за счет перпендикулярного их падения на трубу и постоянства площади, воспринимающей лучи, как произведения диаметра на длину.

На фиг. 2, в отличие от фиг. 1, на входе в трубу 3 установлен нагнетатель воздуха 11.

Наружный воздух поступает на вход трубу 3, сжимается в нагнетателе воздуха 4, далее, проходя через трубу 3, нагревается и уже в нагретом состоянии поступает во входной направляющий аппарат 5, и, далее, в турбину 6, вращающую генератор 7, после чего воздух поступает в выхлопную трубу 8. При необходимости могут использоваться топливные форсунки 9 с целью обеспечения стабильности выработки электроэнергии. Форсунки эжекторного типа и топливный факел от них дополнительно ускоряет рабочие газы. Нагнетатель воздуха 11 увеличивает расход воздуха через трубу. Установка нагнетателя воздуха перед трубой 3, в отличие от непосредственного его расположения перед турбиной 6 обеспечивает более низкой температурой воздуха компрессор, что уменьшает его мощность. Так, при понижении температуры на 5°С мощность компрессора уменьшается на 2%. Температура воздуха после трубы 3 составляет около 140°С, что даст значительное увеличение мощности компрессора, в отличие от его установки перед трубой.

На фиг. 3 показаны нагнетатель воздуха 11, труба 3, входной направляющий аппарат 5, турбина 6, выходной направляющий аппарат 12, теплообменник-конденсатор 13, сливной трубопровод 15, трубопровод охлаждения нагнетателя 17,, запорно-регулировочные краны 16, диффузор 14.

По фиг. 3 работает устройство следующим образом.

Воздух поступает в нагнетатель воздуха 11, нагревается в трубе 3, далее поступает во входной направляющий аппарат 5, затем в турбину 6, выходной направляющий аппарат 12, затем поступает в теплообменник-конденсатор 13, который охлаждается наружным холодным воздухом, вследствие чего понижается температура воздуха внутри теплообменника-конденсатора, уменьшается его объем и падает давление в соответствии с уравнением состояния pv=RT. Понижение температуры воздуха после турбины в теплообменнике-конденсаторе 13 с 373 К до 300 К дает понижение давления в 1,25 раз. Затем в процессе охлаждения происходит конденсация паров, что также понижает давление воздуха за турбиной и, в свою очередь, увеличивает ее мощность. Сконденсировавшаяся жидкость из теплообменника-конденсатора 13 по сливному трубопроводу 15 самотеком сбрасывается на нижний уровень, дополнительно создавая разрежение в теплообменнике-конденсаторе 13 и перед турбиной 3 увеличивая тем самым мощность турбины 6 (генератора 7). Таким образом, понижение давления происходит в теплообменнике-конденсаторе из-за понижения температуры воздуха в нем, и, кроме того, конденсации паров влаги, которая улучшается с понижением давления и температуры.

При необходимости, эта жидкость через один из запорно-регулировочных кранов 16 может использоваться для охлаждения нагнетателя воздуха 11 и, далее может через трубопровод охлаждения нагнетателя 17 подаваться через трубопровод сброса 18 на технические нужды. Количество жидкости для охлаждения нагнетателя регулируется запорно-регулировочными кранами 16.

На фиг. 4 показана схема использования атмосферного воздуха и дополнительного разрежения воздуха (газов) в теплообменник-конденсаторе 13 и перед турбиной 6 за счет дополнительного вакуума после турбины 6, создаваемого потоком воды, вытекающим из дополнительной емкости для сбора осадков 19. При этом увеличивается пространство, занимаемое рабочими газами 22 и происходит понижение давления в теплообменнике-конденсаторе.

Устройство содержит нагнетатель воздуха 11, трубу 3, входной направляющий аппарат 5, турбину 6, выходной направляющий аппарат 12, теплообменник-конденсатор 13, сливной трубопровод 15, трубопровод охлаждения нагнетателя 17, запорно-регулировочные краны 16, диффузор 14, топливные форсунки 9, дополнительную емкость для сбора осадков 19,соединенную со сливным трубопроводом 15.

Воздух поступает в нагнетатель 11, нагревается в трубе 3, далее поступает во входной направляющий аппарат 5, затем в турбину 6, выходной направляющий аппарат 12, затем поступает в теплообменник-конденсатор 13, который охлаждается наружным холодным воздухом, вследствие чего происходит охлаждение воздуха в теплообменнике-конденсаторе и выпадение влаги и, далее, через диффузор 14, повышающий давление, выбрасывается в атмосферу. Понижение температуры воздуха в теплообменнике-конденсаторе 13 и конденсация влаги приводит к понижению давления воздуха за турбиной и увеличению ее мощности. Сконденсировавшаяся жидкость из теплообменника-конденсатора 13 по сливному трубопроводу 15 самотеком сбрасывается на нижний уровень, дополнительно создавая разрежение в теплообменнике-конденсаторе 13 перед турбиной 6 и, дополнительно, увеличивая мощность турбины 6 (генератора 7). Тепло отходящих газов используется в зимнее время для растаивания снега в атмосфере и в дополнительной емкости, обеспечивающей жидкостный поток.

Схема с использованием тепла отходящих газов для нагрева и сбора атмосферных осадков позволяет увеличить вакуум за турбиной и, как следствие, ее мощность. Емкость для сбора осадков 19 может иметь большие габариты, что увеличит КПД установки и ее мощность.

При больших размерах емкости для сбора осадков 19 установка может работать непрерывно за счет их круглогодичного сбора. Например, за год на Ай-Петри выпадает в среднем 960 мм осадков. На огражденной поверхности, играющей роль дополнительной емкости 19, площадью в 1 км² за год может собираться почти 10⁶ м³ воды и слив воды из нее в сливной трубопровод 15, а, соответственно, и создание вакуума перед турбиной может быть круглогодичным. Солнечно-ветровая установка будет работать и в ночное время без солнца за счет понижения давления за турбиной, создаваемого потоком воды из емкости 19 в сливной трубопровод 15.

В дополнение к фиг. 4 устройство содержит эжектор 20 и газопровод 21 рабочих газов 22.

На фиг. 5 показана схема использования эжектора 20 с целью создания в газопроводе 21 рабочих газов 22 дополнительного вакуума на выходе из турбины 6, что повышает ее эффективность. Расположение сливного трубопровода 15 внутри газопровода 21 рабочих газов 22 позволит охлаждать рабочие газы подобно теплообменнику типа «труба в трубе», что также будет способствовать повышению вакуума вследствие понижения температуры.

Эжектор 20 создает дополнительный вакуум в газопроводе 21 рабочих газов 22, и, как следствие, за турбиной, что также повысит ее эффективность.

Ссылки на источники

1. Патент РФ RU 2 444 645 «Горная воздушно-тяговая электростанция».

2. https://ru.wikipedia.org/wik;i/Энepгeтичecкaя бaшня

3. Специальные вопросы возобновляемой энергетики: / В.А. Сафонов, П.Н. Кузнецов, В.В. Кувшинов и др.; под редакцией профессора д.т.н. В.А. Сафонова. - Севастополь: Колорит, 2017. - 358 с.

Изобретение относится к возобновляемым источникам энергии. Солнечно-ветровая электростанция содержит трубу и турбину с генератором. Турбина расположена на выходе трубы, имеющей теплопоглощающее покрытие. По потоку рабочего газа за трубой расположен охлаждаемый наружным воздухом теплообменник-конденсатор со сливным трубопроводом для сброса самотеком сконденсировавшейся жидкости и создания разрежения в теплообменнике-конденсаторе. Со сливным трубопроводом сообщается дополнительная емкость для сбора осадков, а также установлен эжектор для уменьшения давления в теплообменнике-конденсаторе. Техническим результатом является упрощение конструкции и повышение эффективности солнечно-ветровой электростанции. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Солнечно-ветровая электростанция, содержащая трубу и турбину с генератором, отличающаяся тем, что турбина расположена на выходе трубы, имеющей теплопоглощающее покрытие, по потоку рабочего газа за трубой расположен охлаждаемый наружным воздухом теплообменник-конденсатор со сливным трубопроводом для сброса самотеком сконденсировавшейся жидкости и создания разрежения в теплообменнике-конденсаторе, со сливным трубопроводом сообщается дополнительная емкость для сбора осадков, а также установлен эжектор для уменьшения давления в теплообменнике-конденсаторе.

2. Солнечно-ветровая электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что за теплообменником-конденсатором расположен диффузор.

3. Солнечно-ветровая электростанция по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что сливной трубопровод расположен внутри газопровода рабочих газов.

4. Солнечно-ветровая электростанция по пп. 1-3, отличающаяся тем, что перед турбиной установлены топливные форсунки, осуществляющие подачу топлива для сжигания.

5. Солнечно-ветровая электростанция по пп. 1-4, отличающаяся тем, что на входе в трубу установлен нагнетатель воздуха.

6. Солнечно-ветровая электростанция по пп. 1-5, отличающаяся тем, что нагнетатель воздуха охлаждается сконденсировавшейся жидкостью через трубопровод охлаждения нагнетателя, подключенный к сливному трубопроводу через запорно-регулировочные краны.

7. Солнечно-ветровая электростанция по пп. 1-6, отличающаяся тем, что перед турбиной расположен обтекатель и входной направляющий аппарат, а за турбиной расположен выходной направляющий аппарат.