силовая установка на солнечной энергии

Формула изобретения

Силовая установка на солнечной энергии, содержащая генератор, испаритель, конденсатор и турбину с низкокипящим рабочим веществом, в которой испарение рабочего вещества происходит за счет солнечной энергии, поступающей к испарителю через теплоноситель, а конденсация рабочего вещества происходит при помощи жидкого охладителя, который отбирает тепло у отработавшего пара, превращая его в жидкость, отличающаяся тем, что охладитель проходит через теплообменник, где он отдает отобранное у отработавшего пара тепло веществу окружающей среды в периоды самой низкой его температуры, а установка содержит тщательно теплоизолированные накопительные емкости для горячего теплоносителя и для охлажденного теплоносителя, емкости для охладителя, отобравшего тепло у отработавшего пара, и для охладителя, отдавшего это тепло в теплообменнике веществу окружающей среды, в периоды его самой низкой температуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к устройствам, преобразующим тепловую энергию в электрическую.

Известны силовые установки с паровой турбиной, преобразующие тепловую энергию в электрическую, известен "Агрегат для преобразования тепловой энергии в электрическую", состоящий из котла на органическом жидком или газообразном топливе, конденсатора, детандера, энергопреобразующего блока, приводимого детандером, теплообменников, соединенных один с котлом, а другой с конденсатором, трубопроводов, соединяющих эти элементы. Рабочим телом предпочтительно является охлаждающая текучая среда, подверженная классическому циклу Ренкина, отбирающая энергию от внешнего источника тепла и преобразующая ее в электрическую энергию в блоке, которым может быть турбогенератор (см. патент Франции 2590934 от 5.06.87 г., F 01 К 25/08, F 01 М 11).

Все современные силовые установки в основном используют для преобразования энергии какого-либо топлива, при этом используется полезно лишь незначительная часть энергии топлива, а остальная (основная) часть энергии в виде тепла бесполезно выбрасывается в окружающую среду, которая при этом одновременно еще загрязняется и вредными отбросами, отработавшими газами, получающимися при горении топлива.

Самым экологически чистым источником энергии является солнечная энергия, и многие уже стремятся использовать эту энергию с помощью фотоэлектропреобразователей или, в частности, солнечную энергию, запасенную водой, как показано ниже.

Так, например, известна тепловая силовая установка ОТЕС, построенная в 1981 г. на острове Науру, которая осенью 1981 г. начала давать электрический ток мощностью 100 кВт, не затрачивая при этом ни какого топлива, а используя только тепло воды, окружающей остров (см. Н.В. Вершинский "Энергия океана", М.: Наука, 1986 г., с. 144-148).

Установка состоит из фреоновой турбины с генератором, испарителя, конденсатора, насоса подачи теплой воды и насоса холодной воды. Фреон испаряется в нагревателе за счет тепла воды поверхностного слоя океана, каждый час испаряется 75 т (20,8 кг/сек) фреона. Для испарения такого количества фреона через нагреватель (испаритель) прокачивается каждый час 1450 т теплой воды из поверхностного слоя океана. Вода поступает в нагреватель с температурой 29,8^oС, а выходит из испарителя при температуре 27,3^oС, отдавая при этом 4209 кВт тепловой энергии. Подача теплой воды в испаритель осуществляется с помощью насоса, двигатель которого потребляет 27,8 кВт.

Выходя из испарителя, газообразный фреон совершает работу в турбине, вал которой связан с генератором мощностью 100 кВт. Далее пары фреона поступают в холодильник, где конденсируются. С этой целью через конденсатор непрерывно прокачивается холодная глубинная вода в количестве 1410 т/ч. Холодная вода входит в конденсатор при температуре 8,1^oС, а выходит при температуре 10,6^oС, отбирая при этом 4098 кВт тепловой энергии. Для прокачки холодной воды имеется насос, потребляющий 43,3 кВт. Для обеспечения циркуляции фреона, в замкнутой системе установки имеется еще третий насос, потребляющий 15,3 кВт. Из полученных 100 кВт электроэнергии на работу самой установки используется 86,4 кВт, а на посторонние полезные цели всего 13,6 кВт, т. е. КПД самой установки равен 100:4209=0,024 или 2,4%, а КПД полезного использования равен 13,6:4209=0,003 или всего 0,3%, т. е. крайне низок.

КПД такой установки крайне низок потому, что разница температур испарения и конденсации рабочего вещества очень мала, всего 19^oС, в то время, как солнечные лучи могут нагревать предметы с черной поверхностью до 100^oС и даже больше, и почти в любом месте Земли можно найти вещество окружающей среды с температурой около +10^oС и даже ниже, это, например, в горах вода горных речек и ручьев, в водоемах вода с глубины, вода из скважин, пробуренных в земле на глубину 20 и более метров, в пустынях воздух в ночное время, поэтому обеспечить разницу температур испарения и конденсации рабочего вещества, при преобразовании солнечной энергии, в пределах 70-90^oС не составит большого труда, а это позволит преобразовывать солнечную энергию с КПД более 10%.

Поставленная задача - увеличение эффективности преобразования солнечной энергии.

Для этого используется силовая установка, состоящая из турбины с низкокипящим рабочим веществом, испарителя и конденсатора, при этом рабочее вещество испаряется в испарителе за счет солнечной энергии, поступающей в испаритель через теплоноситель, испарение рабочего вещества происходит в теплообменнике, одной полостью которого является испаритель, а в другой полости проходит теплоноситель, нагретый солнечной энергией. Конденсатором является другой теплообменник, в одной полости которого проходит отработавший пар, а в другой -охладитель, который отбирает тепло у отработавшего пара, превращая его в жидкость, охладителем может быть любое жидкое или газообразное вещество окружающей среды в месте нахождения установки, постоянно имеющее температуру около +10^oС и ниже. Если такого вещества окружающей среды с постоянной низкой температурой нет, как, например, в пустыне, то можно, как охладитель, использовать жидкость, охлаждая ее в ночное время холодным воздухом в дополнительном теплообменнике. Для того чтобы установка могла работать не только днем, в часы когда светит Солнце, но и в любое другое время, имеются накопительные емкости, тщательно теплоизолированные, одна - для горячего теплоносителя, другая - для холодного теплоносителя, а при использовании дополнительного теплообменника для охлаждения охлаждающей жидкости также имеются две емкости, одна - для охладителя, поступающего из теплообменника, где он отдал тепло веществу окружающей среды, другая - для охладителя, поступающего из конденсатора, где он отбирает тепло у отработавшего пара, превращая его при этом в жидкость. В результате всего этого будет обеспечен довольно высокий перепад температур испарения и конденсации рабочего вещества соответственно и довольно высокий КПД преобразования солнечной энергии.

На чертеже показана схема силовой установки, некоторые варианты.

Силовая установка состоит из турбины 1, генератора 2, конденсатора 3, насоса 4 для перекачивания рабочей жидкости, испарителя 5, полости 6, емкости 7 для охлажденного теплоносителя, насоса 8 для перекачивания теплоносителя, солнечного коллектора 9, в котором теплоноситель воспринимает энергию солнечных лучей, емкости 10 для горячего теплоносителя, насоса 11 для подачи горячего теплоносителя, полости 12, в которой проходит охлаждающее вещество, при необходимости, накопительной емкости 13, в которую поступает охладитель, отобравший тепло, насоса 14, подающего охладитель, полости 15, теплообменника, в котором охладитель отдает тепло окружающему веществу, накопительной емкости 16, в которую поступает охладитель, отдавший тепло, насоса 17, подающего охлаждающую жидкость в конденсатор, соединительных трубопроводов 18, теплоизоляции 19.

Работает силовая установка следующим образом. Падающие солнечные лучи нагревают в солнечном коллекторе 9 теплоноситель, одновременно в контуре паровой турбины 1 насос 4 прогоняет рабочее вещество, создавая при этом необходимое давление в контуре, рабочее вещество, проходя через испаритель 5, испаряется за счет солнечной энергии, перенесенной в полость 6 теплообменника I теплоносителем, который подается насосом 8 через коллектор 9, где теплоноситель и отбирает энергию у солнечных лучей, а затем поступает в накопитель 10, из накопителя 10 насосом 11 теплоноситель подается в полость 6 теплообменника I, полостью которого является также и испаритель 3, где и происходит испарение рабочего вещества за счет солнечной энергии, рабочий пар поступает в турбину 1, где часть энергии рабочего пара турбина 1 с генератором 2 преобразуют в электроэнергию, а отработавший пар поступает в теплообменник II в конденсатор 3, где отдает тепло охладителю, проходящему в полости 12 теплообменника II, отдавая тепло, отработавший пар превращается в жидкость, которая насосом 4 прогоняется в испаритель 5 ( и т.д.), а охлаждающее вещество, отобрав тепло у отработавшего пара, поступает в окружающую среду или при отсутствии естественного охладителя в накопительную емкость 13, из которой насосом 14 подается в полость 15 теплообменника III, где отдает тепло веществу окружающего пространства, в периоды самой низкой его температуры, и поступает в накопительную емкость 16, из которой насосом 17 подается в полость 12 и далее снова идет по контуру. В результате будет обеспечен довольно высокий перепад температур испарения и конденсации рабочего вещества соответственно и довольно высокий КПД преобразования солнечной энергии силовой установкой.