солнечная энергетическая установка

Формула изобретения

Солнечная энергетическая установка, содержащая баллон привязного аэростата с фотоэлектрической оболочкой, причем баллон соединен посредством каната с якорем, а фотоэлектрическая оболочка посредством электрических проводов с инвертором, отличающаяся тем, что канат выполнен из углепластика и на нем дополнительно установлен с возможностью перемещения в вертикальном направлении обратимый электроподъемник с грузом, работающий в светлое время суток в тяговом режиме, а в темное время суток - в режиме электрогенератора, при этом двигатель электроподъемника подключен к инвертору, а баллон аэростата расположен выше облачного слоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике, а именно к области использования солнечной энергии, и может быть использовано при генерировании электрического тока с использованием энергии солнечного излучения.

Уменьшение доступных запасов органического топлива и постоянное удорожание нефти и природного газа побуждает энергетиков настойчиво искать альтернативные источники энергии. Наиболее реальным альтернативным источником энергии является солнечное излучение. На орбите Земли мощность солнечного излучения составляет 1.3 кВт/м². Теоретически доступный энергетический потенциал солнечного излучения способен удовлетворить все потребности человечества. Однако существующие солнечные энергетические установки обладают существенным недостатком - неравномерностью выдаваемой мощности. Это связано с неравномерностью потока солнечного излучения, достигающего поверхности Земли вследствие вращения Земли вокруг своей оси (светлое и темное время суток), изменения наклона земной оси (смена времен года) и погодных условий (плотность облачного покрова).

По этим причинам крупномасштабное использование солнечной энергии при современных технологиях обязательно подразумевает либо работу солнечных энергетических установок совместно с другими источниками энергии, либо применение аккумулирующих систем, снабжающих потребителя энергией ночью и при пасмурной погоде, что значительно удорожает солнечные энергетические технологии и резко ограничивает сферу их применения.

Так, известна солнечная энергетическая установка (RU патент 2184322, F03G 6/00, 2000). Указанная установка содержит баллон привязного аэростата с двухслойной оболочкой, причем на внешний слой нанесен поглощающий солнечное излучение слой. За счет нагрева оболочки происходит генерация водяного пара, который скапливается внутри баллона и поступает на паровую турбину. Запаса водяного пара в баллоне достаточно для круглосуточной работы установки. Оболочка аэростата выполнена двухслойной. Солнечные лучи нагревают внутренний слой оболочки, на который нанесено поглощающее солнечное излучение покрытие. Современные поглощающие материалы способны нагреваться от прямых несконцентрированных солнечных лучей до 200°С и более. Внутри поглощающей оболочки находится водяной пар, нагретый поступающим через оболочку тепловым потоком до 100-150°С. Давление пара равно наружному атмосферному давлению. Внутренний поглощающий слой оболочки окружает внешний слой, прозрачный для солнечных лучей. Прослойка газа (воздуха) между слоями оболочки теплоизолирует внутренний слой от наружного воздуха. Водяной пар, заключенный внутри поглощающей оболочки, по гибкому паропроводу подается в паровую турбину, расположенную на поверхности Земли, а убыль водяного пара компенсируется питательной водой, которая каскадом насосов подается из конденсатора паровой турбины. Внутри аэростата вода распыляется и испаряется. Для стандартной атмосферы на высоте 5 км при давлении 0,54 ат и температуре 17,5°С плотность воздуха составляет 0,7 кг/м³ , а плотность водяного пара при таком же давлении и температуре 150°С - 0,3 кг/м³. Таким образом, аэростат объемом 1 м³ способен поднять 0,4 кг. Следовательно, аэростат диаметром 150 м может поднять на высоту 5 км груз массой 700 т. Этого вполне достаточно для удержания собственной оболочки, паропровода, трубопровода питательной воды и каскада электронасосов. При температуре водяного пара во внутренней оболочке 150°С КПД турбоустановки будет равен 25%, а мощность электронасосов, необходимая для подъема питательной воды из конденсатора паровой турбины вовнутрь аэростата, составит 15% от вырабатываемой электрической мощности. Основным достоинством паровой аэростатной установки является то, что запаса водяного пара, находящегося во внутренней полости аэростата, достаточно для бесперебойной работы паровой турбины в темное время суток. Из-за подачи водяного пара на турбину и охлаждения за счет теплообмена с окружающим воздухом за ночь подъемная сила аэростата уменьшится на 10-20%, что не скажется на положении аэростата. В дневное время в результате нагрева солнечным излучением происходит генерация пара не только для работы паровой турбины, но и для восполнения запаса водяного пара во внутренней полости аэростата.

При диаметре оболочки аэростата 150 м паровой турбогенератор способен бесперебойно вырабатывать 2000 кВт электрической мощности. При этом можно совершенно безболезненно изменять мощность турбогенератора в течение суток в соответствии с нуждами потребителя.

Термодинамический цикл такой установки обладает весьма интересной особенностью. При подаче потока пара вниз к поверхности Земли давление и температура пара перед турбиной увеличиваются за счет возрастания внутренней энергии пара, что, в свою очередь, повышает термодинамический КПД паротурбинной установки. Этот эффект довольно существенен. Так, при перепаде высот между аэростатом и паровой турбиной в 5000 м повышение температуры составит 25°. Термодинамический КПД паротурбинной установки благодаря этому эффекту возрастает на 5%. Для энергетических установок это значительная величина.

Недостатком известной установки следует признать достаточную сложность конструкции и не эффективное использование в темное время суток.

Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, состоит в разработке конструкции установки альтернативной энергетики нового типа.

Технический результат, получаемый в результате реализации разработанного устройства, состоит в обеспечении получения электроэнергии вне зависимости от погодных условий и круглосуточно без применения дополнительных источников энергии.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать солнечную энергетическую установку, содержащую баллон привязного аэростата с фотоэлектрической оболочкой, причем баллон соединен посредством каната с якорем, а фотоэлектрическая оболочка посредством электрических проводов с инвертором, при этом на канате дополнительно установлен с возможностью перемещения в вертикальном направлении обратимый электроподъемник с грузом, работающий в светлое время суток в тяговом режиме, а в темное время суток - в режиме электрогенератора с передачей выработанного электроподъемника электричества по проводам инвертору.

В дальнейшем сущность изобретения будет рассмотрена с использованием графического материала. На чертеже приняты следующие обозначения: баллон аэростата 1, фотоэлектрическая оболочка 2, канат 3, якорь 4, электрические провода 5, инвертор 6, канаты 7, обратимый электроподъемник 8, груз 9.

Установка работает следующим образом. В светлое время суток при освещении солнечными лучами в фотоэлектрической оболочке 2 генерируется постоянный электрический ток, который по проводам 5 поступает в инвертор 6 и обратимый электроподъемник 8. Инвертор 6 преобразует постоянный ток в переменный и выдает потребителям. Обратимый электроподъемник 8, работая в тяговом режиме, поднимает груз 9 вдоль каната 3. В темное время суток обратимый электроподъемник 9 с грузом 8 опускается и, работая в режиме электрогенератора, вырабатывает электроэнергию, которая через провода 5 и инвертор 6 поступает потребителям.

В предпочтительном варианте реализации канаты 7 прикреплены к баллону. Фотоэлементы генерируют постоянный ток в то время, когда потребителям нужен переменный ток, поэтому инвертор преобразует постоянный ток в переменный. При этом может быть и повышение напряжения электрического тока.

Соответственно ток электроподъемника в инвертор поступает по проводам (не показаны).

Фотоэлектрическая оболочка состоит из ячеек (сегментов). Каждая ячейка имеет контакты для съема напряжения. К контактам подведены провода, которые подключены к общей шине. По указанной общей шине происходит съем электрического тока с фотоэлементов.

Баллон может быть заполнен любым легким газом (водород, гелий, метан и т.д.).

При диаметре баллона аэростата 200 м подъемная сила баллона с водородом на высоте 5 км составит примерно 2800 т. При массе груза 1200 т установка способна в постоянном режиме круглосуточно генерировать до 1000 кВт электрической мощности.

Работоспособность установки обоснована следующими расчетами.

Примем установку со следующими характеристиками.

Диаметр баллона: D=200 м

Высота баллона над поверхностью: Н=5000 м

Удельная масса оболочки баллона: m=3 кг/м²

Материал каната: углепластик ( =10000 кг/см²)

Интенсивность солнечного излучения: q=1 кВт/м²

КПД фотоэлементов: =0.1 (10%)

Продолжительность светлого времени суток: =8 час=28800 с

На шарообразную оболочку в течение светового дня падает поток лучистой энергии Солнца мощностью

Электрическая мощность, генерируемая фотоэлектрической оболочкой, составит

N_ФЭ = ×N_С=0.1×31400=3140 кВт

Средняя электрическая мощность установки в сутки (24 часа) составит

Для обеспечения постоянного режима работы потенциальная энергия, запасенная поднятым грузом, должна составить

Е_гр=N_cp×(24- )×3600=1047000×(24-8)×3600=60307200000 Дж

Потенциальная энергия поднятого груза массой М _гр равна

Е_ГР=M_ГР×g×H

Для нашего случая масса груза должна быть

На высоте Н=5000 м атмосферное давление составляет 0.540 бар, плотность воздуха _ВОЗД=0.736 кг/м³. Плотность водорода при таком давлении _В=0.05 кг/м³.

Масса оболочки баллона

Моб=m D²=3×3.14×200²=376800 кг=377 т

Подъемная сила баллона диаметром D=200 м

Таким образом, подъемная сила баллона больше, чем сумма массы оболочки и массы груза на величину

F=2872-377-1230=1265 т

Сечение каната с разрывным усилием =10000 кг/см² (10 m/см²) должно быть больше

С учетом давления ветра примем сечение каната S=400 см²=0.04 м²

При плотности углепластика _УГЛ=1500 кг/м³ масса каната

M_mp= _УГЛ SH=1500×0.04×5000=300000 кг=300 т

Высота облачного слоя над поверхностью Земли составляет 1÷4 км. Так как баллон с фотоэлектрической оболочкой находится выше облачного слоя, то работа установки не зависит от погодных условий.

Изобретение должно обеспечить получение электроэнергии как в светлое, так и в темное время суток и при наличии облачного покрова без использования дополнительных источников энергии.