солнечная электростанция (варианты)

Формула изобретения

1. Солнечная электростанция, содержащая неподвижно установленный зеркальный сферический концентратор, плоскость раскрыва которого наклонена под углом, равным широте места, и контур выработки электроэнергии, имеющий один основной или два основной и дополнительный теплообменника, соединенных последовательно или работающих автономно, и турбину с электрогенератором, при этом основной теплообменник установлен на ферме, расположенной на опорной башне, имеет противовес и размещен в квазифокальной области сферического концентратора на расстоянии около половины радиуса сферы с возможностью вращения вокруг ее центра, причем основной теплообменник выполнен в виде объема с криволинейной поверхностью или спирального трубопровода, или в виде диска, перпендикулярного оси симметрии, или в форме цилиндрической трубы, а дополнительный теплообменник выполнен цилиндрическим и расположен вдоль оси симметрии концентратора между последним и основным теплообменником с возможностью совместного с ним вращения, отличающаяся тем, что контур выработки электроэнергии выполнен воздушным, турбина с электрогенератором установлены в центре сферы или наверху опорной башни, или на поверхности земли у основания башни, при этом турбина соединена с теплообменником гибким или шарнирным трубопроводом, а электрогенератор соединен с турбиной карданным валом.

2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что неподвижный сферический концентратор выполнен в виде вырезки из полусферы с апертурным углом 150^o в плоскости экватора и 120^o в плоскости местного меридиана.

3. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что при выполнении основного теплообменника в виде объема с криволинейной поверхностью или спирального трубопровода криволинейная поверхность или огибающая спирального трубопровода выполнены в соответствии с уравнением

x=cos-Acos2-sinctg2

y=Asin2



где все линейные величины (x, y, l) отнесены к радиусу сферического концентратора, принятому за единицу,

x, y координаты текущей точки рабочей поверхности теплообменника;

l расстояние от центра сферы концентратора до вершины профиля теплообменника;

q угол между осью симметрии концентратора и радиусом сферы в точке падения на нее текущего луча от Солнца.

4. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что в ночное время она дополнительно содержит оптическое зеркало, установленное на верхнем конце вращающейся фермы, несущей основной теплообменник, соосное с фермой и направленное вверх вдоль оси симметрии используемого раскрыва концентратора, и съемную приемную антенну-облучатель, установленную на нижнем конце фермы и направленную на зеркало концентратора.

5. Солнечная электростанция, содержащая неподвижно установленный сферический концентратор, плоскость раскрыва которого наклонена под углом, равным широте места, вторичное зеркало с фокусом, совпадающим с центром кривизны сферического концентратора, установленное с возможностью вращения вокруг центра кривизны концентратора, и контур выработки электроэнергии с теплообменником, установленным в центре кривизны концентратора, отличающаяся тем, что огибающая профиля вторичного зеркала выполнена в соответствии с уравнением

x=cos-Bcos2,

y=sin-Bsin2,



где x, y координаты текущей точки образующей рабочей поверхности вторичного зеркала, отнесенные к радиусу сферического концентратора, принятому за единицу,

угол между осью симметрии концентратора и радиусом кривизны концентратора в точке падения текущего луча.

6. Электростанция по п.5, отличающаяся тем, что теплообменник установлен неподвижно и имеет рабочую поверхность, выполненную в виде вырезки из сферы с центром, совпадающим с центром кривизны концентратора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к мощным электростанциям и теплостанциям.

Известны гелиоустановки [1,2] с подвижным сферическим зеркалом концентратором, плоскость раскрыва которого наклонена под углом, равным широте места, и с контуром выработки электроэнергии с теплообменником, установленным в квазифокальной области сферического зеркала с возможностью вращения вокруг его центра.

Однако в упомянутых устройствах сферическое зеркало состоит из неподвижной и подвижной частей, причем конфигурация неподвижной части не оговорена, а подвижная часть составляет существенную долю от общей площади зеркала, что удорожает стоимость и ухудшает точность и надежность в эксплуатации. Кроме того, в контуре выработки электроэнергии замкнутого типа используются традиционные теплоносители (вода-пар), что громоздко (требует градирни) и дает низкий КПД. Применяемый подвижный отражатель сопровождается использованием дополнительных подвижных концентраторов и линз, а его образующая задана громоздкими приближенными соотношениями, что неоптимально.

Целью изобретения является расширение области применения и повышение эффективности при упрощении конструкции и технологии изготовления и эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой солнечной электростанции (СЭС), содержащей неподвижно установленный зеркальный сферический концентратор, плоскость раскрыва которого наклонена под углом, равным широте места, и контур выработки электроэнергии, имеющий один-основной или два-основной и дополнительный теплообменники, соединенные последовательно или работающие автономно, и турбину с электрогенератором, при этом основной теплообменник установлен на ферме, расположенной на опорной башне (или треноге), имеет противовес и размещен в квазифокальной области сферического концентратора на расстоянии около половины радиуса сферы с возможностью вращения вокруг ее центра, причем основной теплообменник выполнен в виде объема с криволинейной поверхностью или спирального трубопровода, или в виде диска, перпендикулярного оси симметрии, или в форме цилиндрической трубы, а дополнительный теплообменник выполнен цилиндрическим и расположен вдоль оси симметрии концентратора, между последним и основным теплообменником с возможностью совместного с ним вращения, вся отражающая поверхность и вся опорная конструкция сферического концентратора выполнена полностью стационарными, контур выработки электроэнергии выполнен воздушным и открытого типа, турбина с электрогенератором установлены в центре сферы, или наверху опорной башни, или на поверхности земли у основания башни, при этом турбина соединена с теплообменником гибким или шарнирным трубопроводом, а электрогенератор соединен с турбиной карданным валом.

Кроме того, неподвижный сферический концентратор выполнен в виде вырезки из полусферы с апертурным углом в 150^о в плоскости экватора и в 120^о в плоскости местного меридиана.

Кроме того, при выполнении основного теплообменника в виде объема с криволинейной поверхностью или спирального трубопровода, криволинейная поверхность или огибающая спирального трубопровода выполнены в соответствии с уравнением

х cos A cos 2 sin ctg 2

y A sin 2

A 2 l cos где все линейные величины (х,у,l) отнесены к радиусу сферического концентратора, принятому за единицу,

х,у координаты текущей точки рабочей поверхности теплообменника,

l расстояние от центра сферы концентратора до вершины профиля теплообменника,

угол между осью симметрии концентратора и радиусом сферы в точке падения на нос текущего луча от Солнца.

Кроме того, в ночное время она дополнительно содержит оптическое зеркало, установленное на верхнем конце вращающейся фермы, несущей основной теплообменник, соосное с фермой и направленное вверх вдоль оси симметрии используемого раскрыва концентратора, и съемную приемную антенну-облучатель зеркала концентратора, установленную на нижнем конце фермы и направленную на зеркало концентратора.

Кроме того, в СЭС, содержащей неподвижно установленный сферический концентратор, плоскость раскрыва которого наклонена под углом, равным широте места, вторичное зеркало с фокусом, совпадающим с центром кривизны сферического концентратора, установленное с возможностью вращения вокруг центра кривизны концентратора, и контур выработки электроэнергии, огибающая профиля вторичного зеркала выполнена в соответствии с уравнением

х сos B cos 2

y sin B sin 2

B , где x,y координаты текущей точки образующей рабочей поверхности вторичного зеркала, отнесенные к радиусу сферического концентратора, принятому за единицу,

угол между осью симметрии концентратора и радиусом кривизны концентратора в точке падения текущего луча.

Кроме того, сферическая рабочая поверхность теплообменника, установленного неподвижно в центре кривизны сферического концентратора, с центром, совпадающим с центром кривизны концентратора, выполнена в виде вырезки из сферы с плоскостью раскрыва, наклоненной под углом, равным широте места и с апертурными углами, равными 150^о в плоскости экватора и 50^о в плоскости местного меридиана.

Наличие причинно-следственных связей между совокупностью существенных признаков данного изобретения и достигаемым техническим результатом (целью изобретения) заключается прежде всего в следующем.

Сферический концентратор и его опорные (несущие) конструкции, выполненные полностью неподвижно в виде сварных металлоконструкций обеспечивают простоту, надежность и дешевизну всей конструкции как при изготовлении, так и при юстировке зеркала и длительной эксплуатации СЭС. Особенно важно это для мощных СЭС с крупногабаритными концентраторами, где наличие подвижных секций концентратора весьма нежелательно, так как перемещение сотен тонн конструкций требует рельсовых путей с мощным фундаментом, систем колес, редукторов, электроприводов и пр. Кроме того, наличие протяженных (десятки и более метров) металлоконструкций приводит к существенным деформациям зеркала и снижению его точности и КПД из-за перепадов температуры в течение дня и от зимы к лету. Таким образом, данное решение позволяет реализовать как маломощные СЭС (5-10 кВт), так и мощные (5-10 МВт и более), т.е. существенно расширяет область применения СЭС при упрощении и удешевлении конструкции. Практическое отсутствие деформаций приводит к повышению точности и КПД концентратора, т.е. его эффективности.

Конфигурация полностью неподвижного зеркала концентратора с указанными апертурными углами в 150^о в плоскости экватора и в 120^о в плоскости местного меридиана оптимальна и позволяет (наряду с наклоном плоскости раскрыва на угол, равный широте места) обеспечить работу СЭС в течение сего года в течение в среднем около 9,5 часов ежедневно.

Выполнение контура выработки электроэнергии воздушным, открытого типа, позволяет упростить конструкцию (отсутствие градирен), существенно повысить КПД и обеспечить полную экологическую чистоту СЭС, т.е. существенно повысить ее эффективность.

Выполнение профиля (огибающей) теплообменника в соответствии с приведенным уравнением обеспечивает нормальное (перпендикулярное) в каждой точке падение лучей от концентратора на рабочую поверхность теплообменника, что повышает его КПД и эффективность.

Дополнительное введение оптического зеркала (телескопа) позволяет использовать СЭС в ночное время в качестве довольно крупного оптического телескопа (в научных и учебных целях) для наблюдений небесных объектов.

Введение антенны-облучателя позволяет использовать СЭС в ночное (и в дневное) время в качестве радиотелескопа. Эти мероприятия повышают общую эффективность и общеполезность СЭС.

Выполнение профиля вторичного зеркала в соответствии с приведенным простым уравнением позволяют выбрать его оптимальные размеры и местоположение вдоль оси симметрии концентратора, что наряду с отсутствием дополнительных подвижных зеркал и линз повышает общую эффективность СЭС.

На фиг.1 показана схема СЭС в плоскости местного меридиана; на фиг.2 ее конструкция в той же плоскости; на фиг.3 приведена схема СЭС в плоскости экватора; на фиг.4 показана аксонометрическая схема общего вида СЭС; на фиг.5 представлена конструкция основного теплообменника зафокального типа в виде объема с криволинейной поверхностью; на фиг.6 конструкция комбинированного теплообменника с основным зафокального типа в виде спирального трубопровода и с дополнительным в форме цилиндрической трубы; на фиг.7 показан контур выработки электроэнергии с общим валом турбина-компрессор; на фиг.8 то же, с раздельными валами; на фиг.9 вариант СЭС с подвижным вторичным зеркалом и неподвижным теплообменником.

СЭС содержит неподвижное сферическое зеркало 1, выполненное как вырезка из полусферы. В каждый данный момент времени используется часть зеркала. Диаметр 2 используемого раскрыва 2 выбирается равным 0,6-0,7 от диаметра сферы 1. Положение используемого раскрыва 2 показано (для полудня) в дни равноденствия (21 марта и 22 сентября), а также в самый длинный день (22 июня) и в самый короткий день года (22 декабря). Соответственно показаны положения основного теплообменника 3 (с турбиной и электрогенератором), установленного в области квазифокуса сферического концентратора, на расстоянии около полрадиуса сферы от зеркала с возможностью вращения вокруг центра 4 сферы. Показаны пределы вращения теплообменника ( 23^о вокруг оси склонений 16 в течение года). Показана часовая ось 5 вращения в течение дня. Плоскость раскрыва 6 усеченной полусферы и главная ось 7 зеркала наклонены к югу на угол <N>phi<N>, равный широте места. Показан также апертурный угол концентратора в данной плоскости, равный 120^о.

Неподвижное сферическое зеркало 1 (см. фиг.2) концентратора собрано, например, из отдельных кусков (панелей) размерами около 0,5 х 0,5 м² зеркального стекла (покрытых сзади отражающим металлическим слоем) толщиной 6 мм (чтобы не побил град), укрепленных (с возможностью начальной подрегулировки) на невысоких стойках 8, приваренных к сварному опорному (несущему) каркасу 9 из стальных труб и угольников. Каркас закреплен на небольших бетонных фундаментах 10, устроенных на поверхности земли 11, выбранной с естественным уклоном к югу (с целью уменьшения объема металлоконструкций каркаса 9).

Поворотные механизмы (два) с электроприводами установлены в центре 4 сферы 1 на опорной башне 12 (высотой, равной радиусу сферы и расчаленной тросами), представляющей собой сварную металлоконструкцию, установленную на фундаментах 13. Механизмы вращают подвижную ферму 14, представляющую собой сварную металлоконструкцию, несущую на нижнем своем конце теплообменник 3, а на верхнем конце противовес 15.

Вместо противовеса (точнее, его части) на верхнем конце фермы 14 может быть установлено оптическое зеркало ("смотрящее" вверх).

Рядом с теплообменником 3 установлена съемная приемная антенна облучатель 17.

Площадь тени на зеркале 1 от теплообменника 3, фермы 14 и противовеса 15 (общая) не превышает 2% от площади используемого раскрыва 2 (при отношении диаметра последнего к диаметру сферы, равном 0,6). Тень от конструкций башни 12 составляет еще около 3%

Для смывания пыли и снега с зеркала 1 в каркасе 9 предусмотрены трубы с водой и шланги (не показаны). Между панелями зеркала 1 имеются технологические щели, служащие также для стока воды на землю. Поверхность земли под зеркалом не подвержена эрозии, так как покрыта травой или сплошь забетонирована.

Пределы вращения теплообменника 3 по часовой оси 5 в плоскости экватора (в направлении Восток-Запад) показаны на фиг.3 и составляют (при данной вырезке из полусферы) 75^о (10 ч), с 7 ч утра до 17 ч Солнечного времени, а апертурный угол концентратора в плоскости экватора составляет 150^о.

Общий вид неподвижного сферического зеркала 1 в виде оптимальной вырезки из полусферы, а также его расположение в пространстве представлены на аксонометрической схеме на фиг.4. Поверхность построенной вырезки составляет 65% от поверхности полусферы. Здесь же показаны оси 5 и 16 вращения сферы 14. В мощных СЭС монтировка механизмов вращения может быть не параллактической, а азимутальной, что не вызывает затруднений. Отношение площади используемого раскрыва 2 ко всей поверхности построенного зеркала 1 составляет около 0,31 для основного теплообменника и возрастает до 0,41 при включении дополнительного теплообменника.

Для сокращения объема металлоконструкций опорного каркаса 9 большое значение имеет выбор места постройки СЭС. Как уже отмечалось, выбор южного склона ведет к существенному сокращению каркаса 9 (см. фиг.2).

Из фиг.4 же следует, что еще лучше, если на таком склоне будет седловина между двумя буграми (ущелье, овраг, ориентированные на юг). Такое место легко найти в горах или на местности, пересеченной оврагами. Отметим, что на высоте 1500-2000 м над уровнем моря солнечная постоянная выше, чем на уровне моря примерно на 20% и составляет около 1 кВт/м². Там же обычно велико число солнечных дней в году (270-300).

Основной теплобменник 3 с вогнутой (к зеркалу) поверхностью, называется зафокальным. Его кривая рабочая поверхность перпендикулярна в каждой точке к отраженному от сферы лучу. Такая поверхность описывается приведенным уравнением. Могут существовать семейства основных теплообменников различного типа. Из приведенного уравнения следует, что при l 0,5 имеем семейство зафокальных теплообменников, а при l > 0,5 семейство предфокальных теплообменников (выпуклых к зеркалу). Могут применяться также дисковидные теплообменники, а также стержневые (трубовидные), расположенные вдоль оси симметрии 7 концентратора. Могут применяться и комбинации из перечисленных видов теплообменников. Конструктивно основные теплообменники представляют собой металлические объемы, либо спиралевидные трубы.

На фиг.5 представлена конструкция основного зафокального теплобменника 3 в виде объема 18 с криволинейной поверхностью, симметричной по отношению к оси симметрии 7 концентратора и расположенной в квазифокальной области (l 0,5) концентратора. На фиг. 6 представлена конструкция комбинированного теплообменника с основным зафокальным теплообменником в виде спирального трубопровода 19 с внутренней огибающей 20 в соответствии с приведенным выше уравнением и с дополнительным теплообменником 22 в виде цилиндрических труб с наружными кольцевыми ребрами 21, перпендикулярными к идущим от зеркала 1 лучам. Для основного теплообменника используемый диаметр 2 (см. фиг.1-4) составляет 0,6 от диаметра полусферы, а для дополнительного 0,7. Это означает, что дополнительный теплообменник дает еще около 36% тепловой энергии (если энергию от основного принять за 100%). Тыльные (верхние) стороны теплообменников покрыты слоем теплоизоляции 23.

Воздушный контур выработки электроэнергии открытого типа включает кроме теплообменника 3,18,23 также воздушную турбину 24 с валом 25, воздушный компрессор 26, электрогенератор 27, редукторы 28, 29, стартер 30 и др. (см. фиг.7 и 8).

Воздушная турбина 24 выполнена с общим валом 25 с компрессором 25 (см. фиг.7) или без общего вала (см. фиг.8). В первом случае турбина 24 соединена общим валом 25 с компрессором 26 и электрогенератором 27 через понижающий редуктор 28. К валу 25 через повышающий редуктор 29 подсоединен также стартер 30, питающийся от внешнего источника энергии 32. К фланцам 31 подсоединен теплообменник 3,18,23. Во втором случае (см. фиг.8) турбина 2 (с электрогенератором 27) механически разобщена от компрессора 26, а (стартерный) двигатель 33 соединен электрокабелем с электрогенератором 27 через переключатель 34. Во втором варианте имеются дополнительные (электрические) потери, но преимуществом является возможность более удобного пространственного расположения узлов компрессора и турбины, например сокращения длины и изгибов трубопроводов, размещение турбины 24 с электрогенератором 27 (или электрогенератор отдельно) неподвижно в области центра 4 сферы 1 или у основания башни 14.

В качестве общего узла турбины 24, компрессора 26, редукторов 27 и 29 и стартера 30 могут быть использованы самолетные, вертолетные или автомобильные газотурбинные двигатели. Они очень компактны, легки, работают при любой ориентации в пространстве и выпускаются в большом спектре мощностей: от 50 кВт до 20 МВт и более. Нужна лишь небольшая переделка: следует удалить камеры сгорания (расположенные между компрессором и турбиной) и вывести воздухопроводы к фланцам 31. Эти готовые двигатели (можно и отслужившие ресурс в воздухе) лучше использовать в режиме 0,5 или 0,25 их номинальной мощности, что существенно продлит срок их службы и резко сократит уровень издаваемого ими шума.

При установке турбины и электрогенератора в области центра сферы, причем неподвижно на башне или на земле, у основания башни, турбина соединена с теплообменником гибким или шарнирным трубопроводом, а электрогенератор соединен с турбиной карданным валом.

В варианте СЭС с неподвижным теплообменником (и турбиной с электрогенератором) в центре 4 сферы 1 имеется дополнительное подвижное вторичное зеркало, установленное в нижней части фермы 14 с возможностью вращения вокруг центра сферы. Рабочая (нижняя) поверхность теплообменника имеет форму части сферы с центром, совпадающим с центром 4 кривизны сферического концентратора. Теплообменник имеет небольшие размеры, а конфигурация его рабочей поверхности повторяет конфигурацию зеркала 1 (см. фиг.4) и концентрична с последним. Апертурные углы этого теплообменника составляют 150^о в плоскости экватора и около 50^о в плоскости местного меридиана. Образующая профиля вторичного зеркала задана простым и точным (не приближенным) уравнением, что позволяет упростить расчеты, облегчить выбор оптимального варианта такого СЭС, повышает точность вторичного зеркала и положение его установки в пространстве, т.е. эффективность СЭС в целом.

СЭС работает следующим образом.

Каждый день утром ось фермы 14 (см.фиг.2 и 3) направляются в точку неба, где в 7 ч утра данного дня (по истинному солнечному времени) будет находиться центр диска Солнца. С появлением Солнца в указанной точке включается автосопровождение (простая следящая система). Через несколько минут теплообменник 3 оказывается раскаленным (до температуры порядка 1200^оС) и включается стартер 30 (см. фиг.7, 8). Компрессор 26 нагнетает из атмосферы воздух (под давлением порядка 7 атм.) через теплообменник 3,18-23 на турбину 24. Прогревшись в котле до температуры около 700-800^оС, воздух вращает турбину и, отдав ей энергию (нагрева и сжатия), выходит в атмосферу (при остаточной температуре около 100^оС). Через 20 с стартер 30 отключается, и компрессор 26 продолжает вращаться от турбины 24 (со скоростью в несколько тысяч оборотов в минуту). Турбина же (через редуктор 28) вращает электрогенератор 27, отдающий электрическую энергию в сеть. Приведенные выше значения температуры, давления и другие зависят от типа турбины. Здесь приведены значения для турбодвигателя вертолета МИ-8, мощностью в 1 МВт.

КПД двухконтурных газовых турбин высокий и достигает 30-40% Таким образом, КПД СЭС в целом ориентировочно равен: К= К_зер К_т.обм К_труб К_эл.ген. 0,9 0,9 0,38 0,97 0,3.

Указанный режим работы продолжается по 10 ч в день (с 7 часов до 17 часов) большую часть года (около восьми месяцев). Зимой длительность дня сокращается и зависит от широты места. Например, при =40^о, в самый короткий день года, 22 декабря, длительность дня (и работы СЭС) составляет 9 ч 30 мин (с 7 ч 15 мин до 16 ч 45 мин). В 7 ч СЭС начинает работу с 50% мощностью от номинальной (в 7 ч 15 мин с 70% мощностью), в 8 ч СЭС отдает уже 89% мощности, а около 9 ч 100% Эквивалентное время ежедневной работы СЭС со 100% мощностью составляет 9,5 ч.

Дополнительно к электрической энергии СЭС в течение тех же 10 ч в день вырабатывает тепловую энергию (например, пар, горячая вода) с помощью дополнительного котла 22 (см. фиг.6). Это дополнительное тепло может быть, конечно, использовано также для увеличения мощности вырабатываемой СЭС электроэнеpгии (на 36%).

Использование дополнительного котла позволяет также при заданной выходной мощности СЭС уменьшить радиус сферы 1 на 15% что существенно (около 28%) уменьшает поверхность зеркала и снижает объем материалов и строительных работ.

Работа СЭС в варианте с неподвижным теплообменником, вращающимся дополнительным вторичным зеркалом аналогична описанной выше работе с той лишь разницей, что здесь нет дополнительного теплообменника. Вся энергия от выбранного используемого раскрыва неподвижного сферического концентратора направляется на неподвижный теплообменник в центре сферы. Таким образом, в этом варианте все узлы и агрегаты (сферический концентратор, теплообменник, турбина, электрогенератор) полностью неподвижны, а вращается лишь вторичное зеркало.

В свободное от основной работы время (например, ночью) СЭС может использоваться оптический и (или) радиотелескоп, благодаря установленным в верхней части фермы 14 оптическому зеркалу (телескопу) и в нижней ее части приемной антенне-облучателю. Последняя может быть съемной или откидной (вверх), чтобы не попасть днем в квазифокус (при неполадках в приводе фермы или других ЧП) и не испортиться.

СЭС одновременно с основной работой может использоваться и как большие и точные солнечные часы и календарь (по тени от башни), для чего на зеркале 1 следует нанести соответствующие деления.