Способ работы солнечной электростанции и устройство для его реализации Российский патент 2025 года по МПК F24S25/33 F24S30/00 

Предлагаемое изобретение относится к энергетике, более конкретно – к возобновляемым источникам энергии на основе солнечных башенных электростанций (гелиотермических электростанций), реализующих термодинамический цикл Ренкина.

Известна солнечная башенная электростанция, содержащая блок термодинамического цикла, например Ренкина или Стирлинга, с нагревателем цикла и зеркалами-гелиостатами, выполненными с возможностью азимутального и зенитного слежения за Солнцем с помощью приводов, и отражения солнечных лучей на нагреватель, расположенный на вершине башни солнечной башенной электростанции, и сеть потребителей, зеркала-гелиостаты снабжены блоком управления приводами, а также солнечными фотоэлектрическими панелями, фиксировано прикрепленными по периметру к каждому зеркалу-гелиостату, или фотоэлектрическими панелями, выполненными неподвижными и размещенными, например, между соседними зеркалами-гелиостатами, при этом входы привода азимутального и привода зенитного слежения за Солнцем каждого зеркала-гелиостата соединены с выходами блока управления приводами, первый вход которого подключен к общей выходной цепи фотоэлектрических панелей, а второй вход подключен к сети потребителей [Патент RU 2 709 007 C1, МПК F02S 30/00, Н02S 10/30, опубл. 13. 12. 2019, бюл. 35].

Недостаток этого технического решения заключается в возможности генерировать электроэнергию только в дневное время при наличии прямого солнечного излучения.

Известна солнечная башенная электростанция, содержащая блок термодинамического цикла Ренкина с нагревателем, расположенным на вершине башни, поле с зеркалами-гелиостатами, выполненными с возможностью азимутального и зенитного слежения за Солнцем с помощью приводов, основан на том, что с помощью компьютерных программ для каждого гелиостата поля формируют сигналы координат азимутального угла и зенитного угла перемещения зеркала гелиостата так, что концентрируют отражённое солнечное излучение на нагревателе или непосредственно с конденсатом и осуществляют паропроизводство для термодинамического цикла Ренкина (одноконтурная схема выполнения солнечной башенной электростанции), или с расплавленной солью с последующим осуществлением через теплообменник паропроизводство для термодинамического цикла Ренкина (двухконтурная схема выполнения солнечной башенной электростанции). При этом гелиостаты располагают в радиальном шахматном порядке и увеличивают азимутальное и радиальное расстояние между гелиостатами на поле [http://powerfromthesun.net/Book/chapter10/chapter10.html].

Недостаток этого технического решения заключается в том, что из-за затенения и блокирования солнечного потока эффективность поля гелиостатов составляет лишь 50%, когда солнце находится на 15÷17 градусов выше горизонта (например, в утренние и вечерние часы), из-за чего приходится увеличивать общее число гелиостатов и само гелиостатное поле.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечная башенная электростанция – Солнечная электростанция Нур Уарзазат (Noor Ouarzazate CSP), самая большая в мире, построенная в Марокко [https://esfccompany.com/articles/solnechnaya-energetika/samaya-bolshaya-v-mire-csp-solnechnaya-elektrostantsiya-nur-uarzazat-noor-ouarzazate-postroena-v-mar/]. Нур Уарзазат III (Noor Ouarzazate III) – электростанция в Марокко, введённая в работу в 2018 г, использующая технологию солнечной башни с сухим охлаждением конденсата цикла Ренкина, образующего второй контур комплекса. Способ работы двухконтурной солнечной башенной электростанции Нур Уарзазат III заключается в том, что концентрируют солнечное излучение, в первом контуре аккумулируют с помощью высокотемпературной расплавленной соли его тепловую энергию и в последующем, через теплообменник во втором контуре, используют для парообразования в цикле Ренкина. Это позволяет обеспечить подачу электричества потребителям не только в течение солнечного дня, но и несколько часов после захода солнца.

Недостаток этого технического решения заключается в том, что что из-за затенения и блокирования солнечного потока эффективность поля гелиостатов составляет лишь 50%, когда солнце находится на 15÷17 градусов выше горизонта (например, в утренние и вечерние часы), из-за чего приходится увеличивать общее число гелиостатов и расширять гелиостатное поле.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении эффективности работы солнечной башенной электростанции.

Технический результат заключается в повышении эффективности и существенном расширении использования установленной мощности гелиостатного поля комплекса.

Это достигается способом работы солнечной электростанции, основанном на паропроизводстве для блока термодинамического цикла Ренкина с помощью гелиотермического блока с зеркалами-гелиостатами, которыми отражают солнечное излучение на нагреватель, согласно изобретению, по крайней мере, часть зеркал-гелиостатов поля выполняют дополнительно с возможностью вертикального перемещения зеркала-гелиостата, для каждого из зеркала-гелиостата поля формируют сигналы координат вертикального перемещения зеркала-гелиостата так, что исключают взаимное затенение и блокирование между соседними гелиостатами, одновременно корректируют и формируют новые сигналы координат азимутального угла вращения и зенитного угла вращения зеркал-гелиостатов для указанной части поля.

Это достигается тем, что солнечная электростанция, содержащая блок термодинамического цикла Ренкина с электрогенератором, подключённым к энергосистеме, нагреватель, расположенный на вершине башни, и поле с зеркалами-гелиостатами, подзеркальный каркас каждого из которых соединён с опорной стойкой через привод зенитного угла и привод азимутального угла слежения за Солнцем, входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления приводами, первый вход которого соединён с сетью электропитания, а второй вход является его информационным входом, согласно изобретению, каждый из зеркал-гелиостатов снабжён опирающейся на фундамент внешней стойкой, внутри которой расположена указанная опорная стойка и соединена с внешней стойкой подвижным соединением с возможностью вертикального перемещения зеркала-гелиостата с помощью дополнительного привода, вход которого соединён с третьим выходом блока управления приводами.

Кроме того, это достигается тем, что у солнечной электростанции, согласно изобретению, подвижное соединение с возможностью вертикального перемещения зеркала-гелиостата выполнено в виде подвижного шлицевого соединения, у которого пазы располагаются с внутренней стороны внешней стойкой, а выступы шлица располагаются с внешней стороны опорной стойки.

Кроме того, это достигается тем, что у солнечной электростанции, согласно изобретению, привод выполнен в виде расположенного в внешней стойке червячного редуктора с червяком и червячным колесом, которое является гайкой винтовой передачи, винт которого выполнен как единое целое с опорной стойкой, а вал червяка соединён, с электродвигателем.

Кроме того, это достигается тем, что у солнечной электростанции, согласно изобретению, электродвигатель выполнен с встроенным дополнительным редуктором.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена общая схема одноконтурной солнечной электростанции для реализации предлагаемого способа.

На фиг. 2 представлена общая схема зеркала-гелиостата (чертеж по сечению А-А).

На фиг. 3 представлена схема разреза червячного редуктора; вид сбоку (приведены стрелки сечения В-В).

На фиг. 4 представлена схема разреза червячного редуктора; вид сверху (чертёж разреза по сечению В-В схемы по Фиг.3).

На фиг. 5 представлена схема затенения солнечного излучения между соседними зеркалами-гелиостатами.

На фиг. 6 представлена схема блокирования отражённого солнечного излучения между соседними зеркалами-гелиостатами.

На фиг. 7 представлена схема нормального отражения солнечного излучения при применении вертикального перемещения части зеркал-гелиостатов поля.

Способ работы солнечной электростанции осуществляют следующим образом.

Способ работы солнечной электростанции основан на паропроизводстве для блока термодинамического цикла Ренкина с помощью гелиотермического блока с зеркалами-гелиостатами.

Зеркалами-гелиостатами отражают солнечное излучение на нагреватель, который может находиться, например, на вершине башни.

При этом, по крайней мере, часть зеркал-гелиостатов поля выполняют дополнительно с возможностью вертикального перемещения зеркала-гелиостата, например, с помощью компьютерных программ.

Для каждого зеркала-гелиостата формируют сигналы координат вертикального перемещения так, что исключают взаимное затенение и блокирование между соседними гелиостатами.

Одновременно с этим корректируют и формируют, например, с помощью компьютерных программ, новые сигналы координат азимутального угла вращения и зенитного угла вращения зеркал-гелиостатов для указанной части поля.

Способ работы солнечной электростанции может быть реализован, например, с помощью устройства, представленного на фиг. 1.

Солнечная электростанция, содержащая блок 1 термодинамического цикла Ренкина [Бальян С.В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели. Учебное пособие для вузов. Изд.2-е, переработ. и доп. Л., «Машиностроение», 1973, 304 с.] с электрогенератором 2, подключённым к энергосистеме 3, нагреватель 4, расположенный на вершине башни 5, и поле с зеркалами-гелиостатами 6, подзеркальный каркас 7 каждого из которых соединён с опорной стойкой 8 через привод 9 зенитного угла и привод 10 азимутального угла слежения за Солнцем (т.е. каждый из них обладает двумя степенями свободы), входы которых соединены соответственно с выходами 11 и 12 блока 13 управления приводами (нижний уровень управления), вход 14 которого соединён с сетью электропитания, например, с энергосистемой 3, а вход 15 является его информационным входом, через вход 15 осуществляется связь с центральным компьютером (на фиг.1 не приводится), реализующего в режиме реального времени согласованное управление всеми элементами электростанции (верхний уровень управления), при этом каждый из зеркал-гелиостатов 6 поля снабжён опирающейся на фундамент 16 внешней стойкой 17, внутри которой расположена указанная опорная стойка 8, при этом стойки 17 и 8 соединены между собой подвижным соединением с возможностью вертикального перемещения зеркала-гелиостата 6 с помощью дополнительного привода 18, вход которого соединён с дополнительным выходом 19 блока 13 управления приводами.

Согласно фиг. 2 подвижное соединение с возможностью вертикального перемещения зеркала-гелиостата 6 выполнено в виде подвижного шлицевого соединения, у которого пазы 20 располагаются с внутренней стороны внешней стойки 17, а выступы 21 шлица располагаются с внешней стороны опорной стойки 8 (см. разрез по А-А) [Машиностроение. Энциклопедия. / Ред. совет: К. В. Фролов (пред.) и др. - М.: Машиностроение. 2004 – 832с.; ил.].

Согласно фиг. 2 – фиг. 4 дополнительный привод 18 выполнен в виде расположенного во внешней стойке 17 червячного редуктора с червяком 22 и червячным колесом 23, при этом червячное колесо 23 является гайкой винтовой передачи [Детали машин. Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. Т. IV-1 / Д. Н. Решетов, А. П. Гусенков и др.; Под общ. ред. Д. Н. Решетова. - 864 с: ил.]. Винт 24 выполнен как единое целое с опорной стойкой 8, а вал червяка 22 соединён, с электродвигателем 25, например, через встроенный дополнительный редуктор. Питание электродвигателя 25 дополнительного привода 18, как и электродвигателей приводов 9 и 10, осуществляется через вход 14 блока 13 управления приводами. Применение в системе дополнительного привода 18 червячной передачи с малым шагом предпочтительно по сравнению с другими видами передач, так как обладает свойством самоторможения (скорость вращения гелиостата не превышает 360^о/86400с = 0,004166 град/с = 0,25 град/мин). Двигатели для вращения по осям и вертикального перемещения зеркала-гелиостата 6 должны быть выбраны по номинальной мощности, необходимой для его вращения с заданной скоростью при наихудшей ситуации скручивающего момент, создаваемого силой ветра против вращения зеркала-гелиостата.

Если площадь зеркальной поверхности зеркала-гелиостата большая, то она составляется из отдельных зеркальных фацет 26, как показано на фиг. 2.

Устройство при реализации предлагаемого способа работает следующим образом.

В каждый момент реального времени известны координаты местоположения Солнца, приёмника 4 и каждого зеркала-гелиостата всего поля. Поэтому, например, с помощью компьютерных программ, для каждого зеркала-гелиостата поля формируют сигналы координат азимутального угла и зенитного угла вращения так, что концентрируется отражённое солнечное излучение на нагревателе 4 с теплоносителем, тепловую энергию которого используют для паропроизводства в блоке 1 термодинамическом цикле Ренкина. Как показано на Фиг. 7, часть зеркал-гелиостатов поля, например, 29 и 31, выполнены дополнительно с возможностью вертикального перемещения зеркал-гелиостатов. Для каждого из них формируют сигналы координат вертикального перемещения зеркала-гелиостата, например, с помощью компьютерных программ. С учётом этого одновременно корректируют и формируют, например, с помощью компьютерных программ, новые сигналы координат азимутального угла вращения и зенитного угла вращения зеркал-гелиостатов для указанной части поля. Эти новые сигналы координат поступают на информационный вход 15 блока 13 управления приводами, в котором они преобразуются в напряжения питания определённой величины и частоты и через выходы 11, 12 и 19, которые соединены соответственно с приводом 9 зенитного угла и приводом 10 азимутального угла слежения за Солнцем, а также с дополнительным приводом 18 вертикального перемещения зеркала-гелиостата, поступают на электродвигатели этих приводов.

Утром после восхода Солнца, когда солнце находится на 15÷17 градусов выше горизонта, как показано на Фиг. 5 (см. также Фиг. 1), падающий солнечный поток 27 без помех отражается (отражённый поток показан серым цветом) от зеркала-гелиостата 6 на приёмник 4. Падающий солнечный поток 28 частично затеняется гелиостатом 6 и от гелиостата 29 отражается лишь примерно половина потока 28. В свою очередь падающий солнечный поток 30 частично затеняется гелиостатом 29 и от гелиостата 31 отражается лишь примерно половина потока 30. Очевидно, затенение в основном происходит, когда угол наклона к горизонту падающего солнечного потока ниже угла наклона к горизонту отражённого солнечного потока. Если же угол наклона к горизонту падающего солнечного потока выше угла наклона к горизонту отражённого солнечного потока (т.е. ближе к середине дня), то происходит блокирование отражённого солнечного потока, как показано на Фиг. 6. Падающий солнечный поток 32 после отражения от гелиостата 33 (отражённый поток показан серым цветом) частично блокируется гелиостатами 34 и 35 и до приёмника 4 доходит не весь отражённый солнечный поток.

Например, согласно фиг.4, напряжение питания поступает на вход электродвигателя 25 дополнительного привода 18 вертикального перемещения зеркала-гелиостата. Вращение электродвигателя 25 червяком 22 передаётся червячному колесу-гайке 23. В зависимости от направления вращения электродвигателя 25 червячное колесо-гайка 23 будет либо накручиваться, либо скручиваться с винта 24. Так как винт 24 выполнен как единое целое с опорной стойкой 8, то они, соответственно, будут вертикально перемещаться вверх или вниз. Это вертикальное перемещение обеспечивается благодаря подвижному шлицевому соединению, у которого пазы 20 располагаются с внутренней стороны внешней стойкой 17, а выступы 21 шлица располагаются с внешней стороны опорной стойки 8 (см. разрез по А-А).

Фиг. 7 от фиг. 5 отличается тем, что зеркала-гелиостаты 29 и 31 выполнены дополнительно с возможностью вертикального перемещения, как показано на фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4, т.е. они приобрели третью степень свободы. При этом, как видно на фиг. 7, в свою очередь такое вертикальное взаимное перемещение зеркал-гелиостатов исключает взаимное затенение падающего солнечного потока и блокирование отражённого солнечного потока между соседними зеркалами-гелиостатами.

Таким образом, предлагаемое техническое решение проблемы затенения и блокирования солнечного потока между соседними зеркалами-гелиостатами повышает эффективность поля гелиостатов, особенно в утренние и вечерние часы, примерно на 50%, когда солнце находится на 15÷17 градусов выше горизонта, что позволяет существенно уменьшить общее число зеркал-гелиостатов поля.

Изобретение относится к энергетике, более конкретно – к возобновляемым источникам энергии на основе солнечных башенных гелиотермических электростанций, реализующих термодинамический цикл Ренкина. Предлагаются способ работы солнечной электростанции и солнечная электростанция. Способ основан на паропроизводстве для блока термодинамического цикла Ренкина с помощью гелиотермического блока с зеркалами-гелиостатами, которыми отражают солнечное излучение на нагреватель, по меньшей мере часть зеркал-гелиостатов поля выполняют дополнительно с возможностью вертикального перемещени, для каждого из зеркала-гелиостата поля формируют сигналы координат вертикального перемещения зеркала-гелиостата так, что исключают взаимное затенение и блокирование между соседними гелиостатами, одновременно корректируют и формируют новые сигналы координат азимутального угла вращения и зенитного угла вращения зеркал-гелиостатов для указанной части поля. Солнечная электростанция, содержащая блок термодинамического цикла Ренкина с электрогенератором, содержит привод зенитного угла, привод азимутального угла слежения за Солнцем, причем каждый из зеркал-гелиостатов снабжён опирающейся на фундамент внешней стойкой, внутри которой расположена указанная опорная стойка и соединена с внешней стойкой подвижным соединением с возможностью вертикального перемещения зеркала-гелиостата с помощью дополнительного привода. Изобретения должны исключить проблемы затенения и блокирования солнечного потока между соседними зеркалами-гелиостатами. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ работы солнечной электростанции, основанный на паропроизводстве для блока термодинамического цикла Ренкина с помощью гелиотермического блока с зеркалами-гелиостатами, которыми отражают солнечное излучение на нагреватель, отличающийся тем, что по меньшей мере часть зеркал-гелиостатов поля выполняют дополнительно с возможностью вертикального перемещения зеркала-гелиостата, для каждого из зеркала-гелиостата поля формируют сигналы координат вертикального перемещения зеркала-гелиостата так, что исключают взаимное затенение и блокирование между соседними гелиостатами, одновременно корректируют и формируют новые сигналы координат азимутального угла вращения и зенитного угла вращения зеркал-гелиостатов для указанной части поля.

2. Солнечная электростанция, содержащая блок термодинамического цикла Ренкина с электрогенератором, подключённым к энергосистеме, нагреватель, расположенный на вершине башни, и поле с зеркалами-гелиостатами, подзеркальный каркас каждого из которых соединён с опорной стойкой через привод зенитного угла и привод азимутального угла слежения за Солнцем, входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления приводами, первый вход которого соединён с сетью электропитания, а второй вход является его информационным входом, отличающаяся тем, что каждый из зеркал-гелиостатов снабжён опирающейся на фундамент внешней стойкой, внутри которой расположена указанная опорная стойка и соединена с внешней стойкой подвижным соединением с возможностью вертикального перемещения зеркала-гелиостата с помощью дополнительного привода, вход которого соединён с третьим выходом блока управления приводами.

3. Солнечная электростанция по п. 2, отличающаяся тем, что подвижное соединение с возможностью вертикального перемещения зеркала-гелиостата выполнено в виде подвижного шлицевого соединения, у которого пазы располагаются с внутренней стороны внешней стойкой, а выступы шлица располагаются с внешней стороны опорной стойки.

4. Солнечная электростанция по пп. 2 или 3, отличающаяся тем, что привод выполнен в виде расположенного в внешней стойке червячного редуктора с червяком и червячным колесом, которое является гайкой винтовой передачи, винт которого выполнен как единое целое с опорной стойкой, а вал червяка соединён с электродвигателем.

5. Солнечная электростанция по п. 4, отличающаяся тем, что электродвигатель выполнен с встроенным дополнительным редуктором.