Концентрационная солнечная электростанция башенного типа с контуром пневмоаккумуляции Российский патент 2025 года по МПК F03G6/06 

Предлагаемое техническое решение относится к системе генерации электроэнергии, а именно к возобновляемым источникам энергии, конкретно к концентрационным солнечным электростанциям башенного типа, реализующим термодинамический цикл, например, Ренкина, Брайтона и другие, совмещенным с системой аккумуляции энергии.

Актуальной задачей мировой энергетики в современных условиях является использование перспективных источников энергии, которые возобновляются безопасным для окружающей среды способом. Различные типы возобновляемой энергии включают в себя, например, солнечную, ветряную, гидроэнергетику, биомассу, геотермальную энергетику.

Солнечную энергию в качестве возобновляемых источников энергии используют в солнечных электростанциях, например, в концентрационных. Концентрационная солнечная электростанция (КСЭС) - это тип солнечной электростанции, использующий гелиостаты, содержащие зеркала и приводной механизм, для концентрации большого количества солнечного света на небольшой площади. КСЭС башенного типа имеют в своем составе башню, на вершине которой находится концентратор для поглощения солнечных лучей, отражающихся от множества гелиостатов. Энергия от сконцентрированного солнечного излучения передается высокопотенциальному теплоносителю, циркулирующему в контуре тепловой аккумуляции энергии. Накопление нагретого теплоносителя происходит в горячем хранилище этого контура. Аккумулированная энергия впоследствии используется для выработки электроэнергии в контуре термодинамического цикла, реализующего цикл Ренкина, замкнутый цикл Брайтона или другие.

Таким образом, КСЭС башенного типа, благодаря наличию контура тепловой аккумуляции, способна вырабатывать энергию в отсутствие возобновляемого источника энергии (солнечного света). Это позволяет данной установке эффективнее использоваться в энергетической системе по сравнению с другими объектами возобновляемой энергии, обеспечивая более предсказуемый график выработки электроэнергии и более широкий диапазон режимов работы. Однако, стохастический характер доступа к возобновляемому источнику энергии требует наличия поддерживающей системы, способной заместить КСЭС башенного типа при длительном отсутствии солнечного излучения, либо покрыть пиковые нагрузки в моменты времени, когда КСЭС этого сделать не способна. Следовательно, КСЭС должна иметь резервы мощности, а именно систему аккумуляции энергии, которая способна независимо от энергосистемы замещать возобновляемый источник энергии в случае его недоступности и обеспечить полную загрузку электростанции по фактическому значению потока солнечной энергии.

Известны КСЭС с системой (контуром) пневмоаккумуляции, которая использует потенциальную и кинетическую энергию для запасания и хранения поступающей в нее электроэнергии. Система пневмоаккумуляции использует хранилище для накопления энергии от сжатия воздуха в компрессоре. В качестве хранилища могут быть использованы, например, солевая шахта, шахта в каменистых породах, выработанное газовое месторождение или искусственные резервуары. Системы пневмоаккумуляции, по сравнению с другими системами аккумуляции, обладают высокими возможностями по величине запасенной энергии и длительности выработки полезной мощности, которые определяются в первую очередь доступным объемом хранения сжатого воздуха. Системы пневмоаккумуляции не так сильно зависят от места расположения и занимают существенно меньшую площадь.

Для большинства КСЭС башенного типа с системой пневмоаккумуляции существенными техническими проблемами являются недостаточная эффективность работы и сниженная надежность обеспечения электроэнергией потребителей.

Эффективность работы электростанции характеризуется коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ) и КПД выработки электроэнергии электростанцией.

Параметр КИУМ является важной характеристикой для технологий генерации, основанных на возобновляемых источниках энергии, ввиду нестабильности этих источников. Соответственно, повышение КИУМ подобных электростанций позволит решить проблему диспетчеризации энергосистем, в составе которых присутствуют возобновляемые источники энергии. Влияние колебаний выходной мощности электростанций тем больше, чем выше их номинальная мощность или доля энергии, которая производится ими в энергосистеме. Для КСЭС башенного типа повышение КИУМ является одной из важнейших задач, так как эти электростанции, помимо большой номинальной мощности от 50 МВт, утилизируют достаточно узкий диапазон солнечной энергии – прямые солнечные лучи. Поэтому КСЭС башенного типа с системой пневмоаккумуляции должны иметь возможность эффективного замещения и перераспределения выработки электроэнергии между элементами генерации, входящими в ее состав, при сохранении способности выдавать в сеть стабильную нагрузку в моменты колебания интенсивности возобновляемого источника энергии. Это позволит уменьшить влияние стохастического характера доступности возобновляемого источника энергии на график отпуска электроэнергии как самой электростанции, так и энергосети в целом. Кроме того, в случае доминирования возобновляемых источников энегии в энергетической системе, необходимо обеспечить возможность КСЭС покрывать пиковую нагрузку. Для КСЭС башенного типа с системой пневмоаккумуляции этого можно достичь посредством повышения независимости генерации электроэнергии ее контурами, а также обеспечением возможности перераспределения энергии между контурами.

КПД выработки электроэнергии электростанцией является характеристикой, напрямую определяющей эффективность преобразования энергии в ней. Для КСЭС башенного типа, ввиду больших значений вырабатываемой мощности, данный показатель определяет ее конкурентоспособность и роль в энергетической системе. Для повышения этого показателя в таких электростанциях как КСЭС башенного типа с системой пневмоаккумуляции, имеющих в своем составе несколько контуров с различными рабочими телами и теплоносителями, помимо повышения параметров КПД отдельного оборудования, важно повышать эффективность передачи тепловой энергии между контурами. Этого можно достичь за счет обеспечения накопления избыточного тепла, передаваемого рабочим телам при работе различных элементов электростанции, с его последующей утилизацией при выработке полезной мощности.

Надежность обеспечения электроэнергией потребителей для КСЭС башенного типа с системой пневмоаккумуляции является комплексной характеристикой, определяющей готовность электростанции вырабатывать электроэнергию в указанный момент времени. Помимо надежности отдельных элементов, входящих в состав КСЭС, важно также обеспечить возможность выработки электроэнергии в случае длительной недоступности возобновляемого источника энергии. Повышения этого показателя можно достичь путем обеспечения независимости работы контура пневмоаккумуляции и контура термодинамического цикла, а также применения технически более простого в производстве и эксплуатации оборудования в контуре пневмоаккумуляции.

Дополнительно на обеспечение высокой надежности энергоснабжения потребителей и эффективность выработки электроэнергии влияют маневренные характеристики основного энергетического оборудования, входящего в состав КСЭС. Под маневренностью энергетического оборудования понимают комплекс свойств, определяющих его способность быстро откликаться на требование энергосистемы изменить свою мощность, быстро пускаться и останавливаться без снижения надежности оборудования в недопустимых пределах. Повышение маневренных характеристик оборудования обеспечит, в том числе, повышение эффективности КСЭС за счет расширения возможности оптимизации режимов ее работы.

Известна заявка на изобретение «Система и метод хранения энергии сжатого воздуха при солнечной термической компенсации тепла в сочетании с ORC (органическим циклом Ренкина)» (CN115773215; F01D15/10, F03G6/00, F03G6/06; дата публикации 10.03.2023 г.). Эта система представляет собой энергетическую установку, использующую компоненты концентрационной солнечной электростанции башенного типа. В одном из своих исполнений энергетическая установка содержит контур пневмоаккумуляции, гелиостаты, концентратор солнечного излучения, размещенный на вершине башни, высокотемпературный контур тепловой аккумуляции, водяную систему аккумулирования тепла, контур термодинамического цикла, работающий по схеме низкотемпературного органического цикла Ренкина. При этом концентратор солнечного излучения, указанные контуры и входящие в них компоненты сообщены между собой подающими и обратными трубопроводами.

Контур пневмоаккумуляции состоит из группы сжатия, представляющей собой последовательно соединенные по воздушному тракту несколько компрессоров со следующими за ними высокотемпературным теплообменными аппаратом охлаждения воздуха и газоохладителем. За последним по ходу движения воздуха компрессором размещается один низкотемпературный теплообменный аппарат. За группой сжатия по ходу движения воздуха размещается хранилище воздуха. Хранилище воздуха соединено с группой расширения воздуха, состоящей из нескольких последовательно соединенных по ходу движения рабочего тела водяного нагревателя воздуха, теплообменного аппарата для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции и воздушной лопаточной турбомашины.

Высокотемпературный контур тепловой аккумуляции содержит хранилища горячего, холодного и промежуточного высокотемпературного теплоносителей. При этом хранилища холодного и горячего теплоносителей сообщены с солнечным концентратором. Хранилища горячего и промежуточного теплоносителей сообщены с теплообменными аппаратами для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции, входящими в состав группы расширения контура пневмоаккумуляции. Хранилища промежуточного и холодного теплоносителей сообщены с высокотемпературными теплообменными аппаратами охлаждения воздуха, входящими в группу сжатия контура пневмоаккумуляции.

Водяная система аккумулирования тепла содержит баки горячей и холодной воды. При этом оба бака с одной стороны сообщены с газоохладителями, входящими в состав группы сжатия контура пневмоаккумуляции, а с другой стороны сообщены с водяными нагревателями воздуха, входящими в состав группы расширения контура пневмоаккумуляции.

Контур термодинамического цикла содержит последовательно связанные бак горячей воды, энергетическую установку на основе органического цикла Ренкина и бак холодной воды. При этом оба бака воды контура термодинамического цикла сообщены с низкотемпературным теплообменным аппаратом контура пневмоаккумуляции.

Недостатками данного технического решения являются:

- невозможность эффективного использования высотемпературного контура тепловой аккумуляции энергии. Высоковысокотемпературный теплообменный аппарат охлаждения воздуха, входящий во вторую ступень группы сжатия контура пневмоаккумуляции, из-за низкой температуры воздуха перед ним не способен нагревать такие высокотемпературные теплоносители, как расплавы солей, песок и гранулированные твердые частицы. Это ограничивает возможности энергетической установки по повышению ее термодинамической эффективности, что негативно влияет на эффективность работы энергетической установки;

- невозможность длительного покрытия базовой нагрузки по выработке электроэнергии энергетической установкой ввиду непостоянства начального давления воздуха перед группой расширения, что снижает надежность обеспечения электроэнергией потребителей;

- использование в общей сложности семи хранилищ и баков для накопления теплоносителей в контурах существенно усложняет процесс эксплуатации энергетической установки, снижает надежность ее работы, и, соответственно, снижает надежность обеспечения электроэнергией потребителей.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является полезная модель «Система хранения энергии жидкого сжатого воздуха в сочетании с фототермической электростанцией» (патент CN214836566; F01D15/08, F01D15/10, F01D17/10, F01K7/22, F24S20/20, F24S50/20; дата публикации 23.11.2021 г.).

Фототермическая электростанция (концентрационная солнечная электростанция) башенного типа содержит гелиостаты, концентратор солнечного излучения, размещенный на вершине теплоабсорбционной башни, высокотемпературный контур тепловой аккумуляции, контур термодинамического цикла, систему хранения жидкого сжатого воздуха, представляющую собой контур пневмоаккумуляции. Концентратор солнечного излучения, указанные контуры и входящие в них компоненты сообщены между собой подающими и обратными трубопроводами с установленной на них запорно-регулирующей арматурой.

Высокотемпературный контур тепловой аккумуляции содержит хранилища горячего и холодного высокопотенциального теплоносителей, представляющего собой расплав нитратной соли, насосы для перекачки указанных теплоносителей, при этом хранилища сообщены с концентратором солнечного излучения, а между хранилищами размещен парогенератор (по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи теплоты в контур термодинамического цикла) и воздухонагреватели (по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции).

Контур термодинамического цикла, реализующий цикл Ренкина, содержит паровую турбину (лопаточную турбомашину), конденсатор (теплообменный аппарат, отводящий энергию от рабочего тела), конденсатный насос (проточную машину для повышения давления рабочего тела), группу подогревателей низкого давления (по меньшей мере один регенеративный подогреватель рабочего тела), питательный насос (проточную машину для повышения давления рабочего тела) и группу подогревателей высокого давления (по меньшей мере один регенеративный подогреватель рабочего тела).

Парогенератор сообщен с паровой турбиной и последним по ходу движения рабочего тела подогревателем из группы подогревателей высокого давления.

Контур пневмоаккумуляции содержит последовательно связанные по воздушному тракту воздушные компрессоры и воздухоохладители (низкотемпературные теплообменные аппараты охлаждения воздуха), криогенное устройство сжижения, газожидкостный сепаратор (устройство удаления воды из воздуха), хранилище сжиженного воздуха, криогенный насос (устройство регулирования расхода воздуха), воздушный испаритель, несколько воздухорасширителей (по меньшей мере одну воздушную лопаточную турбомашину). Последовательно соединенные по ходу воздуха в контуре пневмоаккумуляции криогенное устройство сжижения, газожидкостный сепаратор, хранилище сжиженного воздуха (хранилище воздуха), криогенный насос и воздушный испаритель формируют криогенную установку, работа которой сопряжена с низкими температурами, а воздух в ней может быть в жидком состоянии.

Воздухонагреватели высокотемпературного контура тепловой аккумуляции сообщены с каждым воздухорасширителем контура пневмоаккумуляции.

Паровая турбина соединена с первым электрогенератором, а воздухорасширители соединены одним валом со вторым электрогенератором.

Воздухоохладители системы хранения жидкого сжатого воздуха сообщены с конденсатным насосом и питательным насосом контура термодинамического цикла параллельно группе подогревателей низкого давления.

Данное техническое решение совмещает концентрационную солнечную электростанцию башенного типа на цикле Ренкина с контуром пневмоаккумуляции. Солнечное излучение направляется гелиостатами на концентратор солнечного излучения, расположенный на теплоабсорбционной башне. В концентраторе солнечного излучения нагревается расплав соли, который накапливается в хранилище горячего теплоносителя. Аккумулированая энергия теплоносителя расходуется в парогенераторе для выработки пара в контуре термодинамического цикла, а также в воздухонагревателях для нагрева воздуха в контуре пневмоаккумуляции. Расплав соли, отдавший свое тепло в указанных компонентах, направляется в хранилище холодного теплоносителя. В контуре термодинамического цикла парогенератор вырабатывает пар, который направляется в паровую турбину для выработки полезной мощности. После чего пар конденсируется в конденсаторе, проходит конденсатный насос, в котором повышается его давление. Часть его расхода направляется в группу подогревателей низкого давления для нагрева. За ними конденсат поступает в питательный насос для повышения давления и в виде питательной воды направляется в группу подогревателей высокого давления. После этого подогретое рабочее тело возвращается в парогенератор. Контур пневмоаккумуляции при накоплении энергии сжимает и охлаждает воздух в нескольких последовательно следующих по ходу рабочего тела воздушных компрессорах и расположенных за ними воздухоохладителях. В воздухоохладителях воздух отдает свое тепло конденсату из контура термодинамического цикла, часть расхода которого после конденсатного насоса направляется в эти теплообенные аппараты и смешивается с основным конденсатом, выходящим из группы подогревателей низкого давления, перед питательным насосом. Сжатый и охлажденный воздух поступает в газожидкостный сепаратор, где осушается, после чего направляется в криогенное устройство сжижения, в котором претерпевает фазовое превращение, переходя в жидкое состояние. Сжиженный сжатый воздух накапливается в хранилище сжиженного воздуха. При генерации энергии в контуре пневмоаккумуляции из хранилища сжиженного воздуха воздух в жидком состоянии посредством криогенного насоса направляется в воздушный испаритель, где переходит в газообразное состояние. Далее воздух проходит последовательно несколько ступеней, каждая из которых состоит из процесса подогрева в воздухонагревателе и выработки полезной энергии в воздухорасширителе. Каждый воздухонагреватель нагревает воздух за счет тепла расплава соли из высокотемпературного контура тепловой аккумуляции. Выработка электроэнергии происходит в первом электрогенераторе, расположенном на одном валу с паровой турбиной, и во втором электрогенераторе, расположенном на одном валу с воздухорасширителями.

Недостатками данного решения являются:

- применение криогенной установки для сжижения воздуха в контуре пневмоаккумуляции усложняет эксплуатацию работы этого контура, увеличивает затраты энергии на собственные нужды, снижает надежность работы указанного контура;

- при эксплуатации данного технического решения возникает необходимость в длительном простое контура пневмоаккумуляции, так как требуются продолжительные по времени процессы захолаживания и расхолаживания криогенной установки;

- промежуточное охлаждение воздуха в воздухоохладителях при сжатии в воздушных компрессорах осуществляется за счет отвода избыточного тепла в конденсат, поступающий после конденсатного насоса в контур термодинамического цикла. Это не дает возможность осуществлять аккумуляцию сжатого воздуха в хранилище сжиженного воздуха во время простоя контура термодинамического цикла из-за, например, длительного отсутствия прямого солнечного излучения, что существенно снижает диапазон режимов совместной работы контура пневмоаккумуляции и КСЭС башенного типа.

Данные недостатки в целом негативно влияют на эффективность работы электростанции и надежность обеспечения электроэнергией потребителей.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности работы концентрационной солнечной электростанции башенного типа с контуром пневмоаккумуляции и повышении надежности обеспечения электроэнергией потребителей.

Для достижения указанного выше технического результата концентрационная солнечная электростанция содержит гелиостаты, концентратор солнечного излучения, размещенный на вершине башни, высокотемпературный контур тепловой аккумуляции, контур термодинамического цикла, контур пневмоаккумуляции, при этом концентратор солнечного излучения, указанные контуры и входящие в них компоненты сообщены между собой подающими и обратными трубопроводами с установленной на них запорно-регулирующей арматурой.

Высокотемпературный контур тепловой аккумуляции содержит хранилища горячего и холодного высокопотенциального теплоносителей, насосы для перекачки указанных теплоносителей, при этом хранилища сообщены с концентратором солнечного излучения, а между хранилищами размещен по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи теплоты в контур термодинамического цикла и по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции.

Контур термодинамического цикла содержит лопаточную турбомашину, теплообменный аппарат, отводящий энергию от рабочего тела, по меньшей мере одну проточную машину для повышения давления рабочего тела, по меньшей мере один регенеративный подогреватель рабочего тела.

По меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи теплоты в контур термодинамического цикла сообщен с лопаточной турбомашиной и последним по ходу движения рабочего тела регенеративным подогревателем рабочего тела.

Контур пневмоаккумуляции содержит последовательно связанные по воздушному тракту компрессоры и низкотемпературные теплообменные аппараты охлаждения воздуха, устройство удаления воды из воздуха, хранилище воздуха, устройство регулирования расхода воздуха, по меньшей мере одну воздушную лопаточную турбомашину.

По меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции сообщен по меньшей мере с одной воздушной лопаточной турбомашиной.

Лопаточная турбомашина соединена с электрогенератором лопаточной турбомашины и по меньшей мере одна воздушная лопаточная турбомашина соединена с электрогенератором воздушной лопаточной турбомашины.

При этом, согласно заявляемому изобретению, концентрационная солнечная электростанция содержит низкотемпературный контур тепловой аккумуляции, включающий хранилища горячего и холодного низкопотенциального теплоносителей, насосы для перекачки указанных теплоносителей, причем хранилища сообщаются по меньшей мере с одним низкотемпературным теплообменным аппаратом охлаждения воздуха контура пневмоаккумуляции.

Между хранилищами размещен по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи низкопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции, сообщенный по меньшей мере с одним теплообменным аппаратом для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции.

Высокотемпературный контур тепловой аккумуляции содержит высокотемпературный теплообменный аппарат охлаждения воздуха, который сообщен с первыми по воздушному тракту компрессором и низкотемпературным теплообменным аппаратом охлаждения воздуха контура пневмоаккумуляции.

С целью дополнительного повышения эффективности работы КСЭС и надежности обеспечения электроэнергией потребителей, концентрационная солнечная электростанция содержит по меньшей мере одно устройство выдува воздуха под давлением для очистки гелиостатов, которое соединено подающим трубопроводом с хранилищем воздуха контура пневмоаккумуляции.

С целью дополнительного повышения эффективности работы КСЭС и надежности обеспечения электроэнергией потребителей, по меньшей мере в одной воздушной лопаточной турбомашине предусмотрена система прогрева проточной части, которая соединена подающим трубопроводом с хранилищем воздуха контура пневмоаккумуляции.

С целью дополнительного повышения эффективности работы КСЭС и надежности обеспечения электроэнергией потребителей, по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи низкопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции сообщен с обводным воздушным трубопроводом с установленной на нем запорно-регулирующей арматурой.

Наличие в КСЭС низкотемпературного контура тепловой аккумуляции, включающего хранилища горячего и холодного низкопотенциального теплоносителей с насосами для перекачки указанных теплоносителей, и сообщение хранилищ по меньшей мере с одним низкотемпературным теплообменным аппаратом охлаждения воздуха контура пневмоаккумуляции, обеспечивает независимость работы контура пневмоаккумуляции от работы контура термодинамического цикла. Низкотемпературные теплообменные аппараты охлаждения воздуха отводят избыточную теплоту от сжатого в компрессорах воздуха, нагревая низкопотенциальный теплоноситель низкотемпературного контура тепловой аккумуляции, который накапливается в хранилище горячего низкопотенциального теплоносителя. В отличие от прототипа, этот процесс охлаждения воздуха за компрессорами может происходить независимо от функционирования термодинамического цикла, который способен работать только в тех случаях, когда в хранилище горячего теплоносителя высокотемпературного контура тепловой аккумуляции накоплено достаточного высокопотенциального теплоносителя для передачи его тепла рабочему телу термодинамического цикла. При этом, основным источником тепла для нагрева в концентраторе высокопотенциального теплоносителя высокотемпературного контура тепловой аккумуляции является прямое солнечное излучение. Это способствует повышению надежности обеспечения электроэнергией потребителей, так как позволяет поддерживать необходимый уровень запаса сжатого воздуха в хранилище воздуха путем работы компрессоров независимо от солнечной активности, и увеличивает объем отпускаемой электроэнергии от КСЭС в течение года, что повышает эффективность работы электростанции.

Размещение между хранилищами низкопотенциального горячего и холодного теплоносителей по меньшей мере одного теплообменного аппарата для передачи низкопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции, сообщающегося по меньшей мере с одним теплообменным аппаратом для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции, обеспечивает повышение эффективности и надежность выработки электроэнергии в контуре пневмоаккумуляции за счет обеспечения оптимального по своей эффективности термодинамического цикла. Это достигается за счет того, что повышение температуры воздуха перед хотя бы одной воздушной лопаточной турбомашиной осуществляется частично от тепла низкопотенциального теплоносителя низкотемпературного контура тепловой аккумуляции, а частично от высокопотенциального теплоносителя высокотемпературного контура тепловой аккумуляции. Благодаря этому, расход высокопотенциального теплоносителя, требуемый на нагрев воздуха, уменьшается, а его образовавшийся избыток может быть направлен на дополнительную выработку электроэнергии за счет контура термодинамического цикла, что повышает коэффициент установленной мощности КСЭС, и следовательно, повышает эффективность ее работы. По результатам расчетных исследований, проведенных авторами, КСЭС с лопаточной турбомашиной в контуре термодинамического цикла номинальной мощностью 50 МВт может ежесуточно дополнительно вырабатывать электроэнергию в объеме 10-20 МВтч, что приведет к увеличению годового значения КИУМ на 1-3%, и, соответственно, к повышению эффективности выработки электроэнергии КСЭС. Предлагаемое техническое решение также позволяет утилизировать избыточную теплоту, накопленную от сжатия воздуха в компрессорах контура пневмоаккумуляции, что приводит к повышению КПД контура пневмоаккумуляции, и, соответственно, к повышению КПД всей электростанции, что способствует росту эффективности ее работы.

Предлагаемые технические решения по добавлению в состав КСЭС низкопотенциального контура аккумуляции тепловой энергии и его совмещения с контуром пневмоаккумуляции позволяют применить более простую схему КСЭС в отличие от предлагаемой в прототипе технически сложной в производстве и эксплуатации криогенной установки в контуре пневмоаккумуляции. Это способствует повышению надежности обеспечения электроэнергией потребителей, а также снижению затрат на собственные нужды и, соответственно, росту эффективности выработки энергии электростанцией.

Наличие в высокотемпературном контуре тепловой аккумуляции высокотемпературного теплообменного аппарата охлаждения воздуха, сообщающегося с первыми по воздушному тракту компрессором и низкотемпературным теплообменным аппаратом охлаждения воздуха контура пневмоаккумуляции, обеспечивает передачу дополнительной тепловой энергии в высокотемпературный контур тепловой аккумуляции на режимах аккумуляции энергии контура пневмоаккумуляции. Таким образом, помимо концентратора, преобразующего солнечное излучение в тепло, в высокотемпературном контуре тепловой аккмуляции появляется дополнительный источник нагрева высокопотенциального теплоносителя. Это способствует увеличению массы нагретого высокопотенциального теплоносителя, накапливаемого в хранилище горячего теплоносителя. В результате увеличивается количество теплоты, которое может быть передано в термодинамический цикл через теплообменный аппарат для передачи теплоты в контур термодинамического цикла. Этот избыток может быть направлен на увеличение электрической мощности, вырабатываемой данным контуром, либо на увеличение продолжительности генерации электроэнергии данным контуром в условиях отсутствия солнечного света, что способствует росту эффективности выработки электроэнергии КСЭС.

КСЭС может содержать по меньшей мере одно устройство выдува воздуха под давлением для очистки гелиостатов, соединенное подающим трубопроводом с хранилищем воздуха контура пневмоаккумуляции. Выдув воздуха на поверхности зеркал гелиостатов позволяет очищать поверхности от загрязнений, которые повреждают зеркала, вследствие чего снижается эффективность отражения солнечного излучения на концентратор. Соответственно, продувка зеркал обеспечивает высокую оптическую эффективность гелиостатов КСЭС. По расчетам авторов, подобная система продувки, включаясь каждый день на период до 1 минуты, способна поддерживать чистоту зеркальных поверхностей гелиостатов, повысив таким образом энергию солнечного излучения на единицу поверхности солнечного концентратора. Это обеспечивает повышение КПД выработки электроэнергии КСЭС на 1% - 1,5% по сравнению с установкой без очистки зеркал. Этот фактор дополнительно повышает эффективность выработки электроэнергии КСЭС. Кроме того, продувка позволяет очищать приводные механизмы позиционирования гелиостатов от песка и других крупных засорений, повышая надежность функционирования этих элементов, а также увеличивая время межремонтного периода. Указанный фактор повышает надежность обеспечения электроэнергией потребителей.

В контуре пневмоаккумуляции по меньшей мере в одной воздушной лопаточной турбомашине может быть предусмотрена система прогрева проточной части, которая соединена подающим трубопроводом с хранилищем воздуха контура пневмоаккумуляции. Во время пуска воздушной лопаточной турбомашины, вследствие неравномерной скорости тепловых расширений может происходить задевание роторных и статорных компонентов, что приводит к их повреждению, расцентровке осей и возникновению вибраций. Наличие системы прогрева проточной части позволяет использовать высокую температуру сжатого воздуха для предварительного равномерного прогрева конструктивных элементов воздушной лопаточной турбомашины, что способствует повышению ее маневренных характеристик. Это в свою очередь обеспечивает рост эффективности выработки электроэнергии КСЭС, а также надежность обеспечения электроэнергией потребителей, так как снижается вероятность поломки узлов воздушной лопаточной турбомашины.

В низкотемпературном контуре тепловой аккумуляции по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи низкопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции может быть сообщен с обводным воздушным трубопроводом с установленной на нем запорно-регулирующей арматурой. Это позволяет регулировать расход воздуха в указанном теплообменном аппарате, и, тем самым, термодинамически эффективно использовать низкопотенциальный теплоноситель контура низкотемпературной аккумуляции для нагрева воздуха перед хотя бы одной воздушной лопаточной турбомашиной. Данный фактор позволяет дополнительно повысить эффективность выработки электроэнергии КСЭС за счет увеличения КПД контура пневмоаккумуляции на 0,05 – 0,1%.

Представленные графические материалы содержат примеры конкретного выполнения концентрационной солнечной электростанции.

На фиг. 1 представлена схема КСЭС башенного типа с контуром пневмоаккумуляции и контуром термодинамического цикла, реализующим цикл Ренкина; на фиг. 2 – схема КСЭС башенного типа с контуром пневмоаккумуляции и контуром термодинамического цикла, реализующим цикл Брайтона.

Пример 1.

КСЭС (фиг. 1) содержит гелиостаты 1, концентратор солнечного излучения 2, размещенный на вершине башни 3, высокотемпературный контур тепловой аккумуляции, контур термодинамического цикла, контур пневмоаккумуляции. Концентратор солнечного излучения 2, указанные контуры и входящие в них компоненты сообщены между собой подающими и обратными трубопроводами с установленной на них запорно-регулирующей арматурой 4. Гелиостаты 1, состоящие из зеркал и приводных механизмов, выполнены с возможностью азимутального и зенитного слежения за Солнцем с помощью приводных механизмов и отражения солнечных лучей на концентратор солнечного излучения 2.

Стрелками на схеме показаны направления движения теплоносителей и рабочих тел.

Высокотемпературный контур тепловой аккумуляции содержит хранилище 5 горячего высокопотенциального теплоносителя, хранилище 6 холодного высокопотенциального теплоносителя. Высокопотенциальный теплоноситель может представлять собой, например, расплав нитратной соли, синтетическое масло или гранулированные среды карбида кремния. В предлагаемом примере выполнения в качестве высокопотенциального теплоносителя используется расплав нитратной соли состава 60% NaNO₃ + 40% KNO₃. Температура высокопотенциального теплоносителя в хранилище 5 находится в диапазоне 500 - 600^оС, а в хранилище 6 должна быть выше 250^оС, чтобы обеспечить хранение теплоносителя в расплавленном виде. Хранилища 5 и 6 сообщены с концентратором солнечного излучения 2, а перекачка высокопотенциального теплоносителя между хранилищами 6 и 5 осуществляется посредством насоса 7, который, как правило, относится к вертикальному полупогружному двухкорпусному типу. Между хранилищами 5 и 6 размещен по меньшей мере один теплообменный аппарат 8 для передачи теплоты в контур термодинамического цикла. Количество теплообменных аппаратов 8 в первую очередь определяется термодинамическими свойствами теплоносителя, который используется в контуре термодинамического цикла, в данном примере – цикла Ренкина. Теплообменный аппарат 8 может представлять собой последовательно соединенные кожухотрубные теплообменные аппараты - экономайзер, испаритель и пароперегреватель. Между хранилищами 5 и 6 также размещается по меньшей мере один теплообменный аппарат 9 для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции, представляющий собой кожухотрубный теплообменный аппарат, первичным теплоносителем для которого является высокопотенциальный теплоноситель, а вторичным - воздух. Количество теплообменных аппаратов 9 определяется особенностями организации процесса расширения воздуха в контуре пневмоаккумуляции. По меньшей мере один теплообменный аппарат 9 соединен с хранилищами 5 и 6 трубопроводами параллельно по меньшей мере одному теплообменному аппарату 8. Перекачка высокопотенциального теплоносителя из хранилища 5 в хранилище 6 через теплообменные аппараты 8 и 9 осуществляется посредством насоса 7. Регулирование расхода по меньшей мере в одном теплообменном аппарате 9 производится посредством запорно-регулирующей арматуры 4, конструктивная реализация которой позволяет работать с высокотемпературными средами. В настоящем примере это запорно-регулирующая задвижка с клиновым затвором, соединенная с трубопроводами посредством сварки. В запорно-регулирующей задвижке предусмотрены мероприятия по недопущению застывания высокопотенциального теплоносителя, а также обеспечена герметичность для недопущения развития коррозии. Элементы арматуры 4, контактирующие с высокопотенциальным теплоносителем, выполнены из коррозионно-стойкой жаростойкой стали, например, 20Х23Н18.

Контур термодинамического цикла содержит последовательно связанные прямыми и обратными трубопроводами лопаточную турбомашину 10, теплообменный аппарат 11, отводящий энергию от рабочего тела, по меньшей мере одну проточную машину 12 для повышения давления рабочего тела и по меньшей мере один регенеративный подогреватель рабочего тела 13. В данном примере контур работает по термодинамическому циклу Ренкина: лопаточная турбомашина 10 является паровой турбиной, теплообменный аппарат 11 представляет собой конденсатор, предназначенный для конденсации пара, выходящего из паровой турбины 10. В зависимости от доступности охлаждающей воды, конденсатор 11 в качестве охладителя может использовать циркуляционную воду или воздух. В настоящем исполнении контур термодинамического цикла содержит две проточные машины 12 для повышения давления рабочего тела, которые представляют собой насосы, причем первый насос расположен после конденсатора 11 и является конденсатным насосом. За конденсатным насосом 12 располагается по меньшей мере один регенеративный подогреватель рабочего тела 13, в данном примере представляющий группу подогревателей низкого давления. Их количество может находиться в диапазоне от одного до пяти, что определяется конструкцией и моделью паровой турбины 10. Второй насос 12 является питательным и расположен по ходу рабочего тела за подогревателями низкого давления 13. Между ним и экономайзером, входящим в состав теплообменного аппарата 8, располагается еще одна группа регенеративных подогревателей рабочего тела 13, которые являются подогревателями высокого давления. Их количество может быть от одного до трех, и определяется конструкцией и моделью паровой турбины.

Контур пневмоаккумуляции содержит последовательно связанные по воздушному тракту компрессоры 14 и низкотемпературные теплообменные аппараты охлаждения воздуха 15, устройство удаления воды из воздуха 16, хранилище воздуха 17, устройство регулирования расхода воздуха 18, по меньшей мере одну воздушную лопаточную турбомашину 19. Количество компрессоров 14 определяется номинальным давлением воздуха в хранилище 17 и доступными модельными рядами компрессоров, способных последовательно сжать рабочее тело до требуемых параметров. Первый по ходу воздуха компрессор 14 как правило является осевым и имеет наибольшую степень сжатия, следующие по воздушному тракту компрессоры являются дожимными и относятся к центробежному типу. Низкотемпературный теплообменный аппарат охлаждения воздуха 15 представляет собой кожухотрубный теплообменный аппарат, расположенный за каждым компрессором 14 по воздушному тракту. Он предназначен для отвода теплоты от нагретого в результате сжатия воздуха, обеспечивая тем самым надежность работы компонентов, расположенных далее по ходу движения рабочего тела. В данном примере предлагается использовать три компрессора 14 и, соответственно, три низкотемпературных теплообменных аппарата 15, охлаждающих воздух. Устройство удаления воды из воздуха 16 представляет собой осушитель воздуха высокого давления. Хранилище воздуха 17 представляет собой герметичный и теплоизолированный объем, в который будет нагнетаться сжатый воздух. Хранилище воздуха 17 может быть реализовано либо непосредственно в земной коре – в образовавшихся полостях солевых, угольных шахт, пещерах или пористых породах выработанных нефтяных и газовых месторождений, либо в виде системы изготовленных сосудов. Хранилище воздуха 17 располагается под полем гелиостатов, что обеспечивает эффективное использование занимаемой КСЭС территории. При этом площадь, занимаемая хранилищем для аккумуляции воздуха, может составлять от 5% до 15% площади поля гелиостатов. Объем хранилища воздуха 17 определяется требованиями к контуру пневмоаккумуляции по количеству запасаемой энергии. Устройство регулирования расхода воздуха 18 в данном примере представляет собой регулирующий клапан, обеспечивающий возможность управления расходом и давлением водуха, поступающего из хранилища воздуха 17 по меньшей мере в одну воздушную лопаточную турбомашину 19. Количество воздушных лопаточных турбомашин 19 определяется имеющимся модельным рядом турбин с точки зрения степени расширения в каждой из них, а также допустимой минимальной температурой воздуха за последней воздушной лопаточной турбомашиной 19. Эти турбомашины по типу проточной части могут быть многоступенчатыми осевыми или радиально-осевыми газовыми турбинами, в зависимости от значений расходов и степеней расширения, предъявляемых к ним.

Каждая воздушная лопаточная турбомашина 19 по ходу движения воздуха из хранилища воздуха 17 сообщена с высокотемпературным контуром тепловой аккумуляции посредством теплообменных аппаратов 9, расположенных перед ней, для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции.

Количество теплообменных аппаратов 9 соответствует количеству воздушных лопаточных турбомашин 19. В данном примере две осевые воздушные лопаточные турбомашины 19 расположены на одном валу.

Лопаточная турбомашина 10 располагается на одном валу с электрогенератором лопаточной турбомашины 20. По меньшей мере одна воздушная лопаточная турбомашина 19 также располагается на одном валу с электрогенератором воздушной лопаточной турбомашины 21.

КСЭС содержит низкотемпературный контур тепловой аккумуляции, включающий хранилище 22 горячего низкопотенциального теплоносителя и хранилище 23 холодного низкопотенциального теплоносителя. Низкопотенциальный теплоноситель может представлять собой, например, масло или воду. В предлагаемом примере исполнения в качестве низкопотенциального теплоносителя используется вода. Хранилища 22 и 23 сообщаются по меньшей мере с одним низкотемпературным теплообменным аппаратом охлаждения воздуха 15 контура пневмоаккумуляции посредством прямых и обратных трубопроводов и насоса 7. Он необходим для перекачки низкопотенциального теплоносителя через теплообменный аппарат 15 из хранилища 23 в хранилище 22. Давление низкопотенциального теплоносителя в низкотемпературном контуре должно быть таким, чтобы предотвратить его вскипание при нагреве в низкотемпературных теплообменных аппаратах 15. Между хранилищами 22 и 23 размещен по меньшей мере один теплообменный аппарат 24 для передачи низкопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции. Теплообменный аппарат 24 представляет собой кожухотрубный теплообменный аппарат, первичным теплоносителем которого является низкопотенциальный теплоноситель низкопотенциального контура, а вторичным – воздух, движущийся в контуре пневмоаккумуляции. Количество теплообменных аппаратов 24 соответствует количеству воздушных лопаточных турбомашин 19, по ходу воздуха в контуре пневмоаккумуляции они располагаются перед каждым теплообменным аппаратом 9. Перекачка низкопотенциального теплоносителя из горячего хранилища 22 в холодное хранилище 23 через теплообменные аппараты 24 осуществляется посредством насоса 7. При этом, каждый прямой и обратный трубопроводы, соединяющие горячее 22 и холодное 23 хранилища по меньшей мере с одним теплообменным аппаратом 24 для передачи низкопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции, снабжены запорно-регулирующей арматурой 4, представляющей собой задвижки клинового типа.

Высокотемпературный контур тепловой аккумуляции содержит высокотемпературный теплообменный аппарат охлаждения воздуха 25, который сообщен с первым по воздушному тракту компрессором 14 и низкотемпературным теплообменным аппаратом охлаждения воздуха 15 контура пневмоаккумуляции. Высокотемпературный теплообменный аппарат охлаждения воздуха 25 соединен прямым и обратным трубопроводами с трубопроводом подачи высокопотенциального теплоносителя из холодного хранилища 6 в солнечный концентратор 2. При этом, предусмотрена возможность регулирования расхода высокопотенциального теплоносителя посредством запорно-регулирующей арматуры 4. Теплообменный аппарат 25 имеет кожухотрубную компоновку, при этом, первичным теплоносителем является нагретый воздух после первого компрессора 14, а вторичным – высокопотенциальный теплоноситель.

В частном случае выполнения КСЭС содержит по меньшей мере одно устройство выдува воздуха под давлением 26 для очистки гелиостатов 1, которое соединено подающим трубопроводом с хранилищем воздуха 17 контура пневмоаккумуляции. Устройство 26 представляет собой, например, воздушный коллектор, сообщенный отдельными трубопроводами с каждым гелиостатом 1. Воздух под давлением выдувается через отверстия у поверхности зеркал, формируя встречные конические струи, обеспечивающие эффективное очищение всей поверхности зеркал от загрязнения. Кроме того, часть воздуха подается на продувку приводных механизмов гелиостата 1.

В частном случае выполнения КСЭС по меньшей мере в одной воздушной лопаточной турбомашине 19 предусмотрена система прогрева проточной части 27, входящая в состав контура пневмоаккумуляции. Система прогрева 27 соединена подающим трубопроводом с хранилищем воздуха 17. Эта система может быть реализована следующим образом: сжатый воздух из хранилища воздуха 17 направляется к фланцам горизонтального разъема корпуса по меньшей мере одной воздушной лопаточной турбомашины 19. Здесь часть сжатого воздуха проходит по коробам, расположенным на внешней стороне фланцев, и прогревает их снаружи. А другая часть сжатого воздуха поступает в обнизку, формирующую внутреннюю полость в месте контакта фланцев верхней и нижней половин корпуса. Здесь, помимо внутренних элементов фланцев, происходит прогрев и шпилек, осуществляющих соединение двух половин корпуса. Данный случай выполнения КСЭС может быть применим к общей схеме электростанции, а также к схеме КСЭС с устройством выдува воздуха под давлением, или к обеим указанным схемам выполнения.

В частном случае выполнения КСЭС по меньшей мере один теплообменный аппарат 24 для передачи низкопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции сообщен с обводным воздушным трубопроводом 28 с установленной на нем запорно-регулирующей арматурой 4. Данный случай выполнения схемы КСЭС применим вместе с любыми случаями выполнения, указанными выше.

Пример 2.

КСЭС, реализующая в контуре термодинамического цикла замкнутый цикл Брайтона (фиг. 2), по своему составу оборудования и взаимосвязей между компонентами оборудования соответствует рассмотренному ранее примеру КСЭС (фиг 1), за исключением контура термодинамического цикла и по меньшей мере одного теплообменного аппарата 8 для передачи теплоты в контур термодинамического цикла. Рабочим телом в цикле Брайтона может быть диоксид углерода в сверхкритическом состоянии или другой газ, обеспечивающий эффективный замкнутый термодинамический процесс для выработки электроэнергии без фазовых превращений. По меньшей мере один теплообменный аппарат 8 сообщен с лопаточной турбомашиной 10, являющейся газовой турбиной. В данном случае теплообменный аппарат 11, отводящий энергию от рабочего тела, и стоящая за ним по меньшей мере одна проточная машина для повышения давления 12 совмещены с выхлопом газовой турбины 10 через регенеративный теплообменный аппарат 13, который может быть выполнен в кожухотрубной, пластинчатой или микроканальной компоновке. Теплообменный аппарат 13 нагревает рабочее тело, покидающее по меньшей мере одну проточную машину для повышения давления 12, за счет уходящих газов из выхлопа газовой турбины 10. Теплообменный аппарат 11, отводящий энергию от рабочего тела, предназначен для охлаждения газа посредством охлаждающей воды, воздуха или другого хладагента. Проточная машина для повышения давления 12 представляет собой компрессорную установку для повышения давления докритического или сверкритического рабочего тела. Количество компрессорных установок определяется выбором процесса сжатия рабочего тела. Компрессоры в упомянутых компрессорных установках могут иметь осевую или центробежную компоновку проточной части. Выход из последней компресорной установки соединен с регенеративным подогревателем рабочего тела 13.

Предлагаемая солнечная электростанция башенного типа с контуром пневмоаккумуляции, реализующая термодинамический цикл Ренкина, работает следующим образом. Прямое солнечное излучение падает на зеркала гелиостатов 1, которые сориентированы таким образом, чтобы отражать лучи на поверхность солнечного концентратора 2, расположенного на вершине башни 3. Солнечный концентратор 2 преобразует энергию солнечного излучения в тепловую, передавая ее в высокотемпературный контур тепловой аккумуляции, по которому движется высокопотенциальный теплоноситель - расплав нитратной соли. Задача упомянутого контура – запасать тепловую энергию, которая впоследствии будет определенным образом передаваться и преобразовываться в совмещенных между собой контурах термодинамического цикла и пневмоаккумуляции. Управление этим процессом в том числе осуществляется посредством запорно-регулирующей арматуры 4, расположенной на трубопроводах указанных контуров. Нагретый в солнечном концетраторе 2 теплоноситель накапливается в хранилище 5. Расплав нитрата соли, который отдал свою теплоту в контуры термодинамического цикла и пневмоаккумуляции, накапливается в хранилище 6. Из хранилища 6, при наличии прямого солнечного излучения, посредством полупогружного насоса 7 холодный расплав соли прокачивается в солнечный концентратор 2 для нагрева. Аккумулированная тепловая энергия в виде нагретого расплава нитратной соли в хранилище 5 расходуется на повышение температуры рабочего тела в контуре термодинамического цикла посредством экономайзера, испарителя и пароперегревателя, формирующих группу теплообменных аппаратов 8. Также накопленное тепло передается в контур пневмоаккумуляции посредством теплообменных аппаратов 9. Перекачка высокопотенциального теплоносителя через теплообменные аппараты 8 и 9 осуществляется посредством полупогружного насоса 7, при этом запорно-регулирующая арматура 4 позволяет регулировать его расход. Расплав соли поступает в группу теплообменных аппаратов 8, последовательно проходя пароперегреватель, испаритель и экономайзер, отдавая в них тепловую энергию в контур термодинамического цикла. Питательная вода в цикле Ренкина поступает в группу теплообменных аппаратов 8 через экономайзер, где она нагревается практически до температуры насыщения, затем в испарителе происходит испарение питательной воды и из испарителя выходит сухой насыщенный пар, который доводится до перегретого состояния в пароперегревателе. Подготовленный пар направляется в паровую турбину 10, в которой его внутренняя энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала. После паровой турбины 10 отработавший пар во влажном состоянии направляется в конденсатор 11. В нем рабочее тело конденсируется и превращается в воду. За конденсатором 11 давление конденсата повышается в первом насосе 12, являющимся конденсатным. После чего рабочее тело проходит подогреватели низкого давления 13, расположенные между конденсатным насосом и вторым насосом 12, который является питательным. В них конденсат предварительно нагревается от пара, поступающего из отборов паровой турбины 10. После этого давление рабочего тела повышается в питательном насосе 12, и рабочее тело в виде питательной воды нагревается в подогревателях высокого давления 13. Предварительно подогретая питательная вода поступает в экономайзер, являющийся частью группы теплообменных аппаратов 8.

Контур пневмоаккумуляции может осуществлять свою работу в двух режимах – «зарядка» и «разрядка». В процессе «зарядки» воздух проходит через последовательно связанные по воздушному тракту компрессор 14 и низкотемпературный теплообменный аппарат охлаждения воздуха 15. В компрессоре 14 происходит повышение его давления, а в теплообменном аппарате 15 нагретый вследствие сжатия воздух охлаждается до приемлемых с точки зрения эксплуатации оборудования температур. После чего процесс сжатия и охлаждения последовательно повторяется еще 2 раза в двух компрессорах 14 и теплообменных аппаратах 15. После осуществления сжатия воздух направляется в осушитель воздуха высокого давления 16, который выводит из рабочего тела воду, тем самым предотвращая коррозию компонентов контура пневмоаккумуляции, расположенных дальше по воздушному тракту. После осуществления осушки сжатый воздух направляется в хранилище воздуха 17, в котором он запасается и находится под давлением. За хранилищем воздуха 17 по воздушному тракту расположен стопорно-регулирующий клапан 18. Он предназначен для изменения расхода и давления воздуха далее по воздушному тракту. В режиме «зарядки» стопорно-регулирующий клапан 18 полностью закрыт и не допускает движение воздуха дальше него. Условиями выхода контура пневмоаккумуляции из режима «зарядка» могут быть как внешние факторы работы энергосистемы, так и достижение номинальных значений давления воздуха в хранилище воздуха 17. В этом случае компрессоры 14 выключаются, а в хранилище воздуха 17 герметично перекрывается его соединение с осушителем воздуха высокого давления 16. Таким образом, обеспечивается герметичное хранение воздуха в хранилище воздуха 17. В режиме «разрядки» стопорно-регулирующий клапан 18 открывается и, в соответствии с требованиями по режиму работы контура пневмоаккумуляции, устанавливает необходимое давление сжатого воздуха за собой, создавая перепад давлений с окружающей атмосферой, пространство которой является выходом для контура пневмоаккумуляции. Таким образом, формируется поток воздуха, который будет использоваться для выработки электроэнергии в контуре пневмоаккумуляции. Воздух нагревается в первом по ходу его движения высокотемпературном теплообменном аппарате 9, в котором расплав нитратной соли из высокотемпературного контура тепловой аккумуляции передает тепловую энергию воздуху контура пневмоаккумуляции. Нагретый до требуемой температуры воздух направляется в первую по ходу его движения воздушную лопаточную турбомашину 19, в данном примере в газовую турбину, в которой энергия рабочего тела преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины. Параметры проточной части первой воздушной лопаточной турбомашины 19 подобраны с учетом оптимизации теплового цикла контура пневмоаккумуляции. Отработавший воздух из первой воздушной лопаточной турбомашины 19 направляется на повторный нагрев во втором высокотемпературном теплообменном аппарате 9, после чего его энергия срабатывается и преобразуется в механическую энергию вращения второй воздушной лопаточной турбомашины 19, выхлоп которой связан с атмосферой.

Таким образом, в предложенной КСЭС генерация электроэнергии происходит в двух контурах – контуре термодинамического цикла, и контуре пневмоаккумуляции на режиме «зарядки». Паровая турбина 10 контура термодинамического цикла располагается на одном валу с электрогенератором 20, преобразующим механическую энергию вращения в электроэнергию. В контуре пневмоаккумуляции две воздушные лопаточные турбомашины 19 располагаются на одном валу с электрогенератором 21, который также преобразует вращательное движение ротора в электрическую мощность на своих клеммах.

Низкотемпературный контур тепловой аккумуляции служит для накопления избыточного тепла, образовавшегося в результате сжатия воздуха в компрессорах 14 контура пневмоаккумуляции на режиме «зарядки», с последующей его утилизацией на режиме «разрядки» для осуществления предварительного нагрева воздуха перед воздушными лопаточными турбомашинами 19 контура пневмоаккумуляции. Низкопотенциальным теплоносителем в данном случае является вода, которая нагревается в низкотемпературных теплообменных аппаратах охлаждения воздуха 15, охлаждая тем самым воздух. Нагретая среда запасается в хранилище горячего низкопотенциального теплоносителя 22, поступая в теплообменные аппараты 15 из хранилища холодного низкопотенциального теплоносителя 23. В нем аккумулируется вода, отдавшая накопленную тепловую энергию воздуху в контуре пневмоаккумуляции на режиме «разрядки». Прокачка теплоносителя для его нагрева в теплообменных аппаратах 15 осуществляется посредством насососа 7, который обеспечивает необходимые для организации процесса охлаждения воздуха подачу и напор. Таким образом, накопление энергии в виде нагретого теплоносителя в этом контуре происходит на режиме «зарядки» контура пневмоаккумуляции. При переходе контура пневмоаккумуляции в состояние «разрядки», нагретая вода из хранилища 22 нагревает воздух в теплообменных аппаратах 24 для передачи низкопотенциальной теплоты, расположенных перед высокотемпературными теплообменными аппаратами 9 в контуре пневмоаккумуляции. Прокачка нагретой воды через эти теплообменные аппараты 24 в хранилище 23 осуществляется посредством насоса 7, а ее расход в каждый из них может регулироваться с помощью задвижек 4.

Первый по воздушному тракту компрессор 14 контура пневмоаккумуляции является многоступенчатым осевым, имеющим наибольшую степень сжатия среди используемых в предложенной КСЭС компрессоров. За ним воздух обладает повышенной температурой, существенно превышающей температуру расплава нитратной соли, находящейся в хранилище 6 высокотемпературного контура тепловой аккумуляции. Это позволяет использовать рабочее тело контура пневмоаккумуляции за первым компрессором 14 для нагрева части высокопотенциального теплоносителя высокопотемпературного контура тепловой аккумуляции посредством теплообменного аппарата 25. Таким образом, на режиме «зарядки» контура пневмоаккумуляции, часть расхода расплава соли из хранилища 6 посредством насоса 7 будет направляться для предварительного нагрева в теплообменный аппарат 25, после чего, смешиваясь с остальной массой соли, будет направляться для нагрева в солнечном концентраторе 2. Управление потоками высокопотенциального теплоносителя осуществляется посредством запорно-регулирующих задвижек 4.

В частном случае выполнения КСЭС содержит по меньшей мере одно устройство выдува воздуха под давлением 26 для очистки гелиостатов 1, соединенное подающим трубопроводом с хранилищем воздуха 17 контура пневмоаккумуляции. Данное устройство использует запасенный сжатый воздух для осуществления продувки с целью чистки приводных механизмов гелиостатов и поверхностей их зеркал. Данная процедура производится в соответствии с графиком очистки: при необходимости, в устройстве 26 воздух вследствие перепада давлений между хранилищем воздуха 21 и атмосферой выдувается на элементы гелиостата 1, удаляя загрязнения.

В частном случае выполнения КСЭС по меньшей мере в одной воздушной лопаточной турбомашине 19 может быть предусмотрена система прогрева проточной части 27, которая соединена подающим трубопроводом с хранилищем воздуха 17. Температура воздуха, накопленного в хранилище воздуха 17 в результате его нагнетания на режиме «зарядки» контура пневмоаккумуляции, может быть использована для предварительного прогрева элементов и узлов воздушных лопаточных турбомашин 19. Перед переходом контура пневмоаккумуляции в режим «разрядки» часть воздуха, накопленного в хранилище воздуха 17, направляется к системе прогрева проточной части 27, где воздух, при необходимости, дополнительно нагревается и далее распределяется к корпусам воздушных лопаточных турбомашин 19. Здесь воздух направляется для прогрева наиболее металлоемких элементов, например, фланцев горизонтальных разъемов корпусов. Это позволяет обеспечить равномерный прогрев, что способствует более быстрому и надежному выходу контура пневмоаккумуляции на требуемый режим работы в состоянии «разрядки».

В частном случае выполнения КСЭС по меньшей мере один теплообменный аппарат 24 для передачи низкопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции сообщен с обводным воздушным трубопроводом 28 с установленной на нем запорно-регулирующей арматурой 4. В процессе работы контура пневмоаккумуляции в режиме «разрядки» на начальных этапах температура сжатого воздуха в хранилище воздуха 17 может быть выше температуры аккумулированного в хранилище 22 низкопотенциального теплоносителя. В этом случае воздух будет проходить через обводные воздушные трубопроводы минуя теплообменный аппарат 24. По мере уменьшения температуры воздуха в хранилище воздуха 17 запорно-регулирующая арматура 4 будет использоваться для постепенного закрытия обводного воздушного трубопровода и направления всего расхода воздуха через теплообменный аппарат 24.

Работа предлагаемой солнечной электростанции башенного типа с контуром пневмоаккумуляции, реализующей термодинамический цикл Брайтона, совпадает с описанным выше вариантом работы КСЭС с циклом Ренкина, за исключением работы контура термодинамического цикла.

Тепловая энергия, которая передается из высокотемпературного контура тепловой аккумуляции энергии в контур термодинамического цикла посредством по меньшей мере одного теплообменного аппарата 8, используется для нагрева рабочего тела, например, диоксида углерода. После чего рабочее тело направляется в газовую турбину 10, в которой его энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала. На выхлопе из газовой турбины 10 располагается регенеративный подогреватель 13, в котором выходящие выхлопные газы отдают остаточное тепло для предварительного нагрева рабочего тела, направляющегося в теплообменный аппарат 8. После чего рабочее тело поступает в теплообменный аппарат 11, отводящий энергию от рабочего тела. Здесь диоксид углерода охлаждается, после чего направляется в по меньшей мере одну компрессорную установку 12, в которой происходит процесс сжатия рабочего тела, как правило, до сверхкритического состояния. Каждая компрессорная установка 12 помимо газового компрессора может включать в себя теплообменный аппарат, в котором рабочее тело будет охлаждаться, обеспечивая оптимальный с точки зрения термодинамической эффективности процесс повышения давления. Процесс сжатия в компрессорной установке 12, как правило происходит вблизи линии насыщения используемого рабочего тела для минимизации потребляемой энергии. После чего сжатое рабочее тело направляется в регенеративный подогреватель 13, где нагревается уходящими из газовой турбины 10 выхлопными газами. После него рабочее тело возвращается в теплообменный аппарат 8. Механическая энергия вращения ротора газовой турбины 10 преобразуется в электрическую посредством электрогенератора 20, расположенного с ней на одном валу.

Изобретение относится к системе генерации электроэнергии, а именно к возобновляемым источникам энергии, конкретно к концентрационным солнечным электростанциям (КСЭС) башенного типа, реализующим термодинамический цикл, например, Ренкина, Брайтона и другие, совмещенным с системой аккумуляции энергии. КСЭС содержит гелиостаты, концентратор солнечного излучения, размещенный на вершине башни, высокотемпературный контур тепловой аккумуляции, контур термодинамического цикла, контур пневмоаккумуляции. Высокотемпературный контур тепловой аккумуляции содержит хранилища горячего и холодного высокопотенциального теплоносителей, а между хранилищами размещен по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи теплоты в контур термодинамического цикла и по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции. Контур термодинамического цикла содержит лопаточную турбомашину, теплообменный аппарат, отводящий энергию от рабочего тела, по меньшей мере одну проточную машину для повышения давления рабочего тела, по меньшей мере один регенеративный подогреватель рабочего тела. По меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи теплоты в контур термодинамического цикла сообщен с лопаточной турбомашиной и последним по ходу движения рабочего тела регенеративным подогревателем рабочего тела. Контур пневмоаккумуляции содержит последовательно связанные по воздушному тракту компрессоры и низкотемпературные теплообменные аппараты охлаждения воздуха, устройство удаления воды из воздуха, хранилище воздуха, устройство регулирования расхода воздуха, по меньшей мере одну воздушную лопаточную турбомашину. По меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции сообщен по меньшей мере с одной воздушной лопаточной турбомашиной. Лопаточная турбомашина соединена с электрогенератором лопаточной турбомашины и по меньшей мере одна воздушная лопаточная турбомашина соединена с электрогенератором воздушной лопаточной турбомашины. КСЭС содержит низкотемпературный контур тепловой аккумуляции, включающий хранилища горячего и холодного низкопотенциального теплоносителей, причем хранилища сообщаются по меньшей мере с одним низкотемпературным теплообменным аппаратом охлаждения воздуха контура пневмоаккумуляции, а между хранилищами размещен по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи низкопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции, сообщенный по меньшей мере с одним теплообменным аппаратом для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции. Высокотемпературный контур тепловой аккумуляции содержит высокотемпературный теплообменный аппарат охлаждения воздуха, который сообщен с первыми по воздушному тракту компрессором и низкотемпературным теплообменным аппаратом охлаждения воздуха контура пневмоаккумуляции. Технический результат - повышение эффективности работы КСЭС башенного типа. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Концентрационная солнечная электростанция, содержащая гелиостаты, концентратор солнечного излучения, размещенный на вершине башни, высокотемпературный контур тепловой аккумуляции, контур термодинамического цикла, контур пневмоаккумуляции, при этом концентратор солнечного излучения, указанные контуры и входящие в них компоненты сообщены между собой подающими и обратными трубопроводами с установленной на них запорно-регулирующей арматурой; высокотемпературный контур тепловой аккумуляции содержит хранилища горячего и холодного высокопотенциального теплоносителей, насосы для перекачки указанных теплоносителей, при этом хранилища сообщены с концентратором солнечного излучения, а между хранилищами размещен по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи теплоты в контур термодинамического цикла и по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции; контур термодинамического цикла содержит лопаточную турбомашину, теплообменный аппарат, отводящий энергию от рабочего тела, по меньшей мере одну проточную машину для повышения давления рабочего тела, по меньшей мере один регенеративный подогреватель рабочего тела; причем по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи теплоты в контур термодинамического цикла сообщен с лопаточной турбомашиной и последним по ходу движения рабочего тела регенеративным подогревателем рабочего тела; контур пневмоаккумуляции содержит последовательно связанные по воздушному тракту компрессоры и низкотемпературные теплообменные аппараты охлаждения воздуха, устройство удаления воды из воздуха, хранилище воздуха, устройство регулирования расхода воздуха, по меньшей мере одну воздушную лопаточную турбомашину; причем по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции сообщен по меньшей мере с одной воздушной лопаточной турбомашиной; при этом лопаточная турбомашина соединена с электрогенератором лопаточной турбомашины и по меньшей мере одна воздушная лопаточная турбомашина соединена с электрогенератором воздушной лопаточной турбомашины, отличающаяся тем, что концентрационная солнечная электростанция содержит низкотемпературный контур тепловой аккумуляции, включающий хранилища горячего и холодного низкопотенциального теплоносителей, насосы для перекачки указанных теплоносителей, причем хранилища сообщаются по меньшей мере с одним низкотемпературным теплообменным аппаратом охлаждения воздуха контура пневмоаккумуляции, а между хранилищами размещен по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи низкопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции, сообщенный по меньшей мере с одним теплообменным аппаратом для передачи высокопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции; высокотемпературный контур тепловой аккумуляции содержит высокотемпературный теплообменный аппарат охлаждения воздуха, который сообщен с первыми по воздушному тракту компрессором и низкотемпературным теплообменным аппаратом охлаждения воздуха контура пневмоаккумуляции.

2. Концентрационная солнечная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере одно устройство выдува воздуха под давлением для очистки гелиостатов, которое соединено подающим трубопроводом с хранилищем воздуха контура пневмоаккумуляции.

3. Концентрационная солнечная электростанция по любому из пп 1, 2, отличающаяся тем, что по меньшей мере в одной воздушной лопаточной турбомашине предусмотрена система прогрева проточной части, которая соединена подающим трубопроводом с хранилищем воздуха контура пневмоаккумуляции.

4. Концентрационная солнечная электростанция по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что по меньшей мере один теплообменный аппарат для передачи низкопотенциальной теплоты в контур пневмоаккумуляции сообщен с обводным воздушным трубопроводом с установленной на нем запорно-регулирующей арматурой.