| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2111422
СОНЯЧНА Комбінована ЕЛЕКТРОСТАНЦІЯ
Ім'я винахідника: Волков Е.П .; Поливода О.І .; Поливода Ф.А.
Ім'я патентовласника: Енергетичний науково-дослідний інститут ім.Г.М.Кржіжановского
Адреса для листування:
Дата початку дії патенту: 1995.03.06
Використання: в теплоенергетиці. Сутність: сонячна комбінована електростанція включає циркуляційні петлі теплопередачі від високотемпературних фототермічна і фотоелектричних теплогенераторів, забезпечених дзеркальними Параболоциліндричні модулями-концентраторами, і високотемпературні, переважно арсенід-галієвих, фотоелементи з високоточною оптичною корекцією енергетичних втрат. Електростанція включає низькотемпературну петлю з сонячними колекторами, другий паросилова контур з робочим тілом, що має більш вигідні в порівнянні з водою термодинамічні властивості. Електростанція забезпечена двигуном у вигляді об'ємної роторної парової машини, що має переваги перед турбіною по надійності і металоємності, при цьому сумарний фототермодінаміческій коефіцієнт перевищує відомі аналоги і прототип.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до геліоустановки та може бути використано для вироблення електроенергії і теплопостачання споживача.
Як аналог пропозиції приймається відома термодинамічна сонячна електростанція, яка містить циркуляційний контур теплопередачі, що включає теплопередающей петлю з розташованих послідовно приймачів модульного дзеркального Параболоциліндричні концентратора сонячної енергії з системою стеження за сонцем, парогенератора, пароперегрівача, циркуляційного насоса, з'єднаного одним своїм виходом з входом теплопередающей петлі приймачів модульного концентратора сонячної енергії, а другим виходом через дублююче джерело тепла з'єднаного з входом зазначеного пароперегрівача, що містить другий паросилова контур з пароводяних робочим тілом, що складається з послідовно розміщених: економайзера, паросилових частин парогенератора і пароперегрівача, турбіни з генератором електроенергії, конденсатора з охолодженням і конденсаційного насоса.
Недоліком аналога є низький не більше 14% коефіцієнт корисної дії чисто термодинамічної пароводяного циклу Ренкіна перетворення сонячної енергії в електроенергію, з чим пов'язана велика площа приймачів енергії і відповідно висока вартість обладнання, тривалі терміни окупності сонячної електростанції, велика площа забудови зі зниженням ефективності землекористування.
Як прототип приймається відома фототермодінаміческая сонячна комбінована електрична станція, яка містить циркуляційні контури теплопередачі, перший з яких включає теплопередающей петлю з розташованих послідовно приймачів модульного дзеркального Параболоциліндричні концентратора сонячної енергії з системою стеження за сонцем, парогенератора, пароперегрівача, циркуляційного насоса, з'єднаного одним своїм виходом з входом теплопередающей петлі приймачів модульного концентратора сонячної енергії, а другим виходом через дублююче джерело тепла з'єднаного з входом зазначеного пароперегрівача, що містить другий паросилова контур з пароводяних робочим тілом, що складається з послідовно розміщених: економайзера, паросилових частин парогенератора і пароперегрівача, теплового двигуна з генератором електроенергії, конденсатора з охолодженням і конденсатного насоса, що містить електролізер розкладання води на водень і кисень, інвертор з акумулятором, систему низько потенційного теплопостачання з циркуляційним насосом.
За допомогою відомої фототермодінаміческой електростанції не представляється можливим досягти вище 20% сумарний фототермодінаміческій коефіцієнт перетворення сонячної енергії при отриманні електроенергії.
Даний недолік, в першу чергу, обумовлений тим, що прототипом передбачено застосування низькотемпературних, в тому числі кремнієвих фотоелектричних напівпровідникових перетворювачів, працездатних з ККД 10% лише при температурі не вище 55 o C. Тому вони розташовуються на економайзерах, які використовуються, головним чином, для низькотемпературного підігріву за допомогою приймачів модульного дзеркального Параболоциліндричні концентратора сонячної енергії при коефіцієнті концентрації менше 20, води, що циркулює в мережі теплопостачання і лише в малому ступені для підігріву конденсату, що утворюється в паросиловому циклі.
У зв'язку з цим фактором вельми незначний внесок (менше 5%) скидного тепла, одержуваного при охолодженні низькотемпературних фотоелементів, в вироблення електроенергії турбогенератором.
Іншим чинником, що обумовлює низький термодинамічний ККД прототипу, є невигідні термодинамічні властивості застосовуваного робочого тіла - води в комбінованому фототермодінаміческом паросиловому циклі сонячної електростанції. Це, перш за все, високі критичні параметри водяної пари: тиск 21,8 МПа, температура 374 o C при високій теплоті випаровування 539 ккал / кг.
За вказаними принципових причин сумарний фототермодінаміческій коефіцієнт перетворення сонячної енергії в електричну в прототипі може бути навіть нижче 20%.
Крім низького ККД, використання води в якості робочого тіла в паросиловому циклі, яка обумовлює застосування високих температур і тисків, тягне за собою вимогу високої міцності і відповідно металоємності обладнання при високій вартості, низької надійності роботи і небезпеки при експлуатації прототипу.
У прототипі нераціонально застосування низькотемпературного економайзера, забезпеченого приймачами модульного дзеркально Параболоциліндричні концентратора зі стежить системою.
Низькотемпературний підігрів конденсату і теплофікаційної води може бути здійснений значно простіше, надійніше і дешевше за допомогою нерухомих сонячних колекторів, які не потребують концентрації та систем стеження за сонцем.
Екологічним недоліком прототипу є викид окислів азоту в атмосферу з продуктами згоряння, дублюючим джерелом тепла, виконаним у вигляді традиційної котельні установки з пальниками на газоподібному паливі, спалюваному в періоди відсутності сонця. При спалюванні газоподібного палива в пальнику при температурі полум'я близько 2000 o C йде інтенсивний синтез оксидів азоту і в атмосферу викидається до 1400 см 3 названих окислів на 1 м 3 димових газів (в перерахунку на NO 2), вкрай токсичних для людини і тварин.
Згідно прототипу неможливе виконання фототермодінаміческіх електростанцій невеликої потужності, в тому числі мобільних варіантів, в зв'язку з особливостями турбіни в якості двигуна. Замість складної, громіздкої, металлоемкой, важкої і відповідно дорогий турбіни доцільно застосування більш легких, простих і надійних агрегатів при високому (до 82%) термомеханічному ККД, низької вартості і металоємності.
У відомих пропозиціях відсутні оптичні коригувальні елементи, необхідні для рівномірного розподілу високоінтенсивної (з коефіцієнтом більше 100) концентрації сонячного випромінювання по поверхні pn-переходу високотемпературних, особливо арсенід-галієвих, фотоелектричних перетворювачів з відведенням утилізованого при охолодженні тепла. Для високотемпературних фотоелементів потрібно виняток оптичних і енергетичних втрат, пов'язаних зі специфікою сонця як джерела енергії, а й з оптичними похибками дзеркальних параболоціліндров при високих (більше 100) коефіцієнтах концентрації.
Енергетичний, екологічний та технічний результати пропонованого технічного рішення - підвищення ефективності використання сонячної енергії та екологічної чистоти навколишнього середовища при роботі дублюючого джерела тепла.
Даний технічний результат досягається тим, що сонячна комбінована електрична станція, яка містить циркуляційні контури теплопередачі, перший з яких включає теплопередающей петлю з розташованих послідовно приймачів модульного дзеркального Параболоциліндричні концентратора сонячної енергії з системою стеження за сонцем, парогенератора, пароперегрівача, циркуляційного насоса, з'єднаного одним своїм виходом з входом теплопередающей петлі приймачів модульного концентратора сонячної енергії, а другим виходом через дублююче джерело тепла з'єднаного з входом зазначеного пароперегрівача, що містить другий паросилова контур з парожідкім робочим тілом, що складається з послідовно розміщених: економайзера, паросилових частин парогенератора і пароперегрівача, теплового двигуна з генератором електроенергії , конденсатора з охолодженням і конденсатного насоса, що містить електролізер розкладання води на водень і кисень, інвертор з акумулятором, систему низько потенційного теплопостачання з циркуляційним насосом, відповідно до винаходу забезпечена другою петлею теплопередачі
першого контуру, що включає високотемпературний фотоелектричний теплогенератор, виконаний у вигляді приймачів модульного Параболоциліндричні концентратора сонячної енергії з розташованої у фокусі параболоціліндра теплопріемной трубою з циркулюючим теплоносієм, на якій розміщені високотемпературні фотоелектричні перетворювачі, теплообмінник і циркуляційний насос, при цьому високо температурні фотоелектричні перетворювачі підключені до електролізерів, вихідному инвертору з акумулятором, причому вихід теплоносія з фотоелектричного теплогенератора з'єднаний теплопроводом другої петлі теплопередачі з входом гарячої частини теплообмінника, з'єднаної з виходом дублюючого джерела тепла, вихід теплообмінника підключений через циркуляційний насос з входом фотоелектричного теплогенератора і входом в дублюючий джерело тепла, вихід паросилова частини теплообмінника з'єднаний з входом парогенератора.
Високотемпературні фотоелектричні перетворювачі виконані у вигляді широкозонних, переважно арсенід-галієвих, напівпровідникових фотоелементів одно- або багатокаскадних в парі з кремнієм або германием.
Дублюючий джерело тепла для вироблення електроенергії в паросиловому циклі виконаний у вигляді каталітичного реактора, забезпеченого секційним теплообмінником з абсорбційними теплопроводами, заповненими переважно рідким теплоносієм, на які нанесено селективно-поглинає ІЧ-випромінювання покриття і теплопровідні поверхні, що розташовуються рядами, що чергуються з шарами губчастого каталізатора і рядами трубчастих перфорованих розподільників водню або іншого газоподібного палива і рядами трубчастих розподільників повітря або кисню, що вводяться в реактор примусово або за рахунок конвекції, а теплопроводи секцій з'єднані з перемикаються вентилями контурів теплопередачі від приймачів сонячної енергії, які можуть підключатися окремо в міру підвищення рівня сонячної радіації .
Сонячна електростанція забезпечена низькотемпературних фототермічна теплогенератором, виконаним у вигляді нерухомих пасивних приймачів сонячної енергії без концентрації, з теплопріемнимі селективними панелями, що мають канали з циркулюючим теплоносієм, причому вихід теплоносія з каналів панелей через теплопровід приєднаний до входу третьої окремої циркуляційної теплопередающей петлі першого контуру, з'єднаної теплопроводом з входом гарячої частини теплообмінника, вихід якого приєднаний до циркуляційного насосу, з'єднаному теплопроводом з входом в канал панелей пасивних фототермічна перетворювачів, а вихід паросилова частини теплообмінника з'єднаний з входом паросилова частини теплообмінника другої петлі фотоелектричного теплогенератора, при цьому вхід зазначеного теплообмінника приєднаний до виходу конденсатного насоса .
Фотоелектричний теплогенератор при товщині пластин високотемпературних фотоелектричних напівпровідникових перетворювачів менше 50 мкм виконують у вигляді лінійної сонячної батареї, що монтується на поверхні, розташованої у фокусі дзеркального параболоціліндра, металевої труби, що має уздовж осі плоску площадку, забезпечену адгезівно пов'язаної токоізолірующей плівкою товщиною не більше 1/4 товщини пластинки перетворювача, і адгезівно з'єднаного з ізолюючої плівкою і трубою, в якій циркулює охолоджуючий теплоносій другого контура теплопередачі в паросилова цикл, при цьому фотоелектричний теплогенератор забезпечений зовнішньої прозорою трубою, герметично з'єднаної із внутрішньою металевою трубою, діаметр якої на 1/5 менше зовнішньої, а кільцевий простір Вакуумована, причому частина оптично прозорою стінки зовнішньої труби забезпечена псевдоціліндріческой, оптично заломлюючої поверхнею, рівномірно розподіляє по площині pn-переходу фотоелектричних перетворювачів пучок концентрованого сонячного випромінювання, відбитого дзеркальними параболоціліндрамі, а зворотна сторона зовнішньої труби забезпечена виведеними клемами від електродів до инвертору для під'єднання до мережі електроенергії споживача або комутаційно перетворювальної схемою.
Високотемпературні фотоелектричні перетворювачі з товщиною більше 50 мкм монтуються всередині прозорої труби, яка заповнена циркулює оптично прозорим, хімічно нейтральним, рідким теплоносієм, при цьому площина pn-переходу розташовується в імерсійному фокусі, утвореному концентрованим світловим випромінюванням і заломлюючим елементом, утвореним поверхнею прозорою труби, заповненої оптично прозорим теплоносієм контуру теплопередачі в паросилова цикл, причому фотоелектричний теплогенератор забезпечений зовнішньої вакуумированной прозорою трубою по п. 5, через яку аналогічно виведені провідники від електродів перетворювачів.
В оптично прозорому теплоносії розташовують оптично прозорі або відображають пластини, що створюють турбулентність потоку теплоносія, а й у своєму розпорядженні оптичні середовища з коефіцієнтом заломлення, що відрізняється від такого для теплоносія.
Як робоче тіло в паросиловому циклі застосовується органічне або неорганічне речовина з більш низьким, ніж у води, критичним тиском, температурою і теплотою паротворення.
Тепловий двигун виконаний у вигляді об'ємної парової машини, особливо роторної одно- або багатоступеневою, що приводить в дію електрогенератор з відбором пари між ступенями для регенеративного теплообміну або теплофікації, причому об'ємна парова машина може бути виконана у вигляді гвинтового двохвального або трехвальние, одно- або багатоступінчастого турбодетандера з профілями роторів, переважно типу "Лісхольм", при цьому вхід машини з'єднаний з парогенератором, а вихід з конденсатором.
На фіг. 1 зображена схема пропонованої комбінованої сонячної електростанції.
 |
 |
На фіг. 3 показана енергетична діаграма комбінованої сонячної електростанції з арсенід-галієвих фотоелектричними перетворювачами. | |
На фіг. 2 -теплофотоелектріческій генератор в двох варіантах його вузлів: |
Сонячна комбінована електростанція і, як і прототип, містить рідинні циркуляційні контури, перший з яких забезпечений першої теплопередающей петлею 1 з розташованих послідовно приймачів 2 модульного дзеркального Параболоциліндричні концентратора сонячної енергії з системою стеження за сонцем, пароперегрівача 3, парогенератор 4, циркуляційний насос 5 з другим входом через дублююче джерело тепла 6, уведеннями 7 і 8 водню або газу.
Пропонована комбінована сонячна електростанція забезпечена другою петлею 9 першого контуру з високотемпературним фотоелектричним теплогенератором, виконаним у вигляді приймачів 2 модульного Параболоциліндричні концентратора сонячної енергії, що включає розташовану в фокусі F параболоціліндра теплопріемную трубу 10 з циркулюючим теплоносієм, на якій розміщені високотемпературні фотоелектричні перетворювачі 11, в тому числі арсенід-галієвих, які підключені електроланцюг 12 до електролізерів 13 з газгольдером, вихідного инвертору 14 з акумулятором, причому вихід теплоносія з фотоелектричного теплогенератора приєднаний до входу другий циркуляційної теплопередающей петлі 9 першого контуру, з'єднаної теплопроводом з входом гарячої частини теплообмінника 15, вихід якого приєднаний до циркуляційного насосу 16, з'єднаному теплопроводом з входом фотоелектричного теплогенератора, а вихід паросилова частини теплообмінника 15 з'єднаний з входом парогенератора 4.
Низькотемпературний фототермічна теплогенератор 17, виконаний у вигляді нерухомих пасивних приймачів сонячної енергії без концентрації з теплопріемнимі селективними панелями, що мають канали з циркулюючим теплоносієм, причому вихід теплоносія з каналів панелей через теплопровід приєднаний до входу третьої окремої конвективно циркуляційної теплопередающей петлі 18 першого контуру, з'єднаної теплопроводом з входом гарячої частини теплообмінника 19, вихід якого з'єднаний теплопроводом з входом в канал панелей пасивних фототермічна перетворювачів 17, а вихід паросилова частини теплообмінника 19 з'єднаний з входом паросилова частини теплообмінника 15 другої петлі фотоелектричного теплогенератора, при цьому вхід зазначеного теплообмінника 19 приєднаний до виходу конденсатного насоса 20 . При неможливості конвективного циркуляції встановлюється самостійний циркуляційний насос аналогічно другій петлі.
Дублюючий джерело тепла 6 для вироблення електроенергії в паросиловому циклі виконаний у вигляді каталітичного реактора, забезпеченого секційним теплообмінником 21 з абсорбційними теплопроводами 22, заповненими переважно рідким теплоносієм, на які нанесено селективно-поглинає ІЧ-випромінювання покриття і теплопровідні поверхні, що розташовуються рядами, що чергуються з шарами губчастого каталізатора і рядами трубчастих перфорованих розподільників 23 водню або іншого газоподібного палива з розподільниками повітря або кисню, що вводяться в реактор примусово або за рахунок конвекції, причому теплопроводи секцій з'єднані з перемикаються вентилями 24 петель теплопередачі 1, 9 і 18 від приймачів сонячної енергії 1, 2 , 10, 11 і 17, які можуть підключатися окремо із зміною рівня сонячної радіації.
Другий паросилова контур 25 як робоче тіло в паросиловому циклі містить органічне або неорганічне речовина з більш низьким, ніж у води критичним тиском, температурою і теплотою паротворення.
Отримання електроенергії в паросиловому циклі здійснюється за допомогою об'ємної парової машини 26, особливо роторної одно- або багатоступеневою, що приводить в дію електрогенератор 28 з відбором пари 27 між ступенями для регенеративного теплообміну або теплофікації, причому об'ємна парова машина може бути виконана у вигляді гвинтового двохвального або трехвальние одно- або багатоступінчастого турбодетандера з профілями роторів типу "Лісхольм", при цьому вхід машини 26 з'єднаний з парогенератором 3, а вихід - з конденсатором 29, мають систему охолодження 30. Електрогенератор 28 підключений до входу інвертора 14, з виходу якого електроенергія подається в мережі споживача.
У першому варіанті фотоелектричні теплогенератори 2, 10, 11 при товщині пластин високотемпературних фотоелектричних напівпровідникових перетворювачів 11 менше 50 мкм виконують у вигляді лінійної сонячної батареї, що монтується на поверхні, розташованої у фокусі дзеркального параболоціліндра 2 металевої труби 10 (вузли I, II, III, IV ), що має уздовж осі плоску площадку, забезпечену адгезівно пов'язаної токоізолірующей плівкою 32 (вузол IV) товщиною не більше 1/4 товщини пластинки перетворювача, і адгезионно з'єднаного з ізолюючої плівкою 32 і трубою 10, в якій циркулює охолоджуючий теплоносій 2 контури теплопередачі в паросилова цикл , при цьому фотоелектричний теплогенератор забезпечений зовнішньої прозорою трубою 33, герметично з'єднаної із внутрішньою металевою трубою 10, діаметр якої на 1/5 менше зовнішньої, а кільцевий простір Вакуумована, причому частина оптично прозорою стінки зовнішньої труби 38 забезпечена асферичною або псевдоціліндріческой 34 або Френелевскую 35 ( вузол V) оптично заломлюючої поверхнею, рівномірно розподіляє по площині pn-переходу 36 фотоелектричних перетворювачів 11 пучок концентрованого сонячного випромінювання, відбитого дзеркальними параболоціліндрамі 2, а зворотна сторона зовнішньої труби забезпечена вивідними клемами від електродів 37 до перетворювачів 14 для під'єднання до мережі електроенергії споживача або комутаційно перетворювальної схемою.
У другому варіанті фотоелектричного теплогенератора високотемпературні фотоелектричні перетворювачі 11 товщиною більше 50 мкм монтуються всередині прозорої труби 38 (вузол VI), яка заповнена циркулює, оптично прозорим хімічно нейтральним, рідким теплоносієм, при цьому площина pn-переходу 36 розташовується в імерсійному фокусі 39, утвореному концентрованим світловим випромінюванням і заломлюючим елементом 34 або 35, утвореним поверхнею прозорою труби 38, заповненої оптично прозорим теплоносієм другої петлі 9 контуру теплопередачі в другій паросилова контур 25, причому фотоелектричний теплогенератор забезпечений зовнішньої вакуумированной прозорою трубою 33 по п. 5, через яку аналогічно виведені провідники від електродів 37 до перетворювача 13.
В оптично прозорому теплоносії розташовують оптично прозорі або непрозорі, або відображають пластини 40, що створюють турбулентність потоку теплоносія, а й у своєму розпорядженні оптичні середовища 41 з коефіцієнтом заломлення, що відрізняється від такого для теплоносія.
Сонячна комбінована електростанція працює в такий спосіб.
У теплопріемной трубі послідовно розташованих приймачів 2, першої теплопередающей петлі 1 Параболоциліндричні модулів відбувається нагрів теплопередающей рідини під дією концентрованого сонячного випромінювання E S. Теплопередающей рідина (масло або поліметілсілонеоновая рідина типу ПМС-10) характеризується такими ж властивостями, що вона не кипить при температурах, до яких її нагрівають (тобто 400 - 500 o C), і не твердне при температурі навколишнього середовища, т. е. в періоди, коли станція не працює. Нагріта теплопередающей середовища справляється до пароперегрівача 3 (теплообміннику), що передає тепло цієї рідини, що утворилося в парогенераторі 4, пару в другому паросиловому контурі 25, доводячи початкові параметри пари по тиску і температурі в паросилових частинах зазначених теплообмінників 3 і 4, необхідних для роботи об'ємної роторної парової машини 26. як робоче тіло застосовується органічне або неорганічне речовина з більш низьким, ніж у води, критичним тиском, температурою і теплотою пароутворення, наприклад: нормальний бутан C 4 H 10 або, переважно, пентафтортріхлорпропан (C 3 Cl 3 F 5) з температурами: плавлення - 80 o C, кипіння +74 o C і критичної 232 o C, при критичному тиску 30,4 кг / см 2 і теплоті паротворення 60 - 30 ккал / кг (в залежності від тиску). Для підтримки параметрів перегрітої пари на одному рівні при змінному кількості надходить від сонця енергії протягом дня або взагалі при її відсутності проводиться додатковий нагрів теплопередающей рідини в дублюючому джерелі тепла 6, що працює на електролітичному водні (введення 7) або газоподібному паливі (введення 8). Рідина після дублюючого джерела тепла 6 і, як і системи приймачів 1 модульного концентратора 2, підводиться до пароперегрівача 3 і парогенератору 4 і далі насосом 5 подається до системи приймачів 2 і / або до дублюючому джерела тепла 6. У другому паросиловому контурі 25 спрацював в роторної об'ємної парової машині 26 пар надходить в конденсатор 29.
Встановлений на валу машини 26 генератор 28 виробляє електричну енергію, а конденсатор 29 має систему охолодження 30. У конденсаторі 29 пар конденсується і рідина конденсатні насосом 20 направляється на вхід паросилова частини теплообмінника 19 3-ій петлі 18 низькотемпературного фототермічна теплогенератора 17, а з паросилового виходу теплообмінника 19 на вхід теплообмінника 15 другої петлі фотоелектричного теплогенератора 2, 11, 10 і далі - на вхід парогенератора 4.
У низькотемпературному фототермічна теплогенераторі 17 третьої циркуляційної теплопередающей петлі 18 першого контуру відбувається нагрів теплопередающей рідини, яка за допомогою конвекції циркуляційного насоса подається в теплообмінник 19 і здійснює першу сходинку підігріву конденсату нагнітається конденсатні насосом 20, який далі з виходу теплообмінника 19 надходить на вхід теплообмінника 15. З циркуляційної петлі 18 можливий відбір теплоносія в систему теплопостачання. У високотемпературному фотоелектричному теплогенераторі 2, 10, 11 другий циркуляційної петлі 9 першого контуру відбувається нагрів теплопередающей рідини, яка за допомогою циркуляційного насоса 16 подається в теплообмінник 15 і за рахунок утилізації скидного тепла фотоелектричних перетворювачів 11 здійснює другу сходинку підігріву конденсату, що нагнітається конденсатні насосом 20, який далі з виходу теплообмінника 15 надходить на вхід парогенератора 4. нагрівається в високотемпературному фотоелектричному теплогенераторі 2, 10, 11 рідина виконує роль охолоджувача високотемпературних фотоелектричних перетворювачів 11, в тому числі арсенід-галієвих, монтуються у вигляді лінійної сонячної батареї 31 на поверхні металевої 10 або всередині прозорою труби 38. Сполучені між собою електричним колом 12 високотемпературні фотоелектричні перетворювачі при надлишку сонячної енергії в період полудня живлять електролізер 13, який нагнітає водень в газгольдер, інвертор 14 з електроакумуляторами, які в цей період заряджаються. Інвертор 14 підключений до циркуляційних насосів всіх трьох циркуляційних петель 1, 9, 18 першого контуру, до конденсатних помп 20 і насоса системи охолодження 30. У инверторе 14 електроенергія, що виробляється електрогенератором 28 і фотоелектричним теплогенератором 2, 10, 11, підсумовується і подається мереж споживача .
У першому варіанті фотоелектричного теплогенератора 2, 10, 11 скидна теплова енергія, що супроводжує фотоелектричний процес, що відбувається на pn-переході 36 фотоелектричного перетворювача 11 товщиною менше 50 мкм, через товщу пластини, в тому числі кристалічної арсенід-галієвих, тильний електрод, токоізолірующую плівку 32 і стінку металевої труби 10 надходить до циркулюючої теплопередающей рідини і далі через теплообмінник утилізується в другому паросиловому контурі 24 через теплообмінник 15. При проходженні тепла через зазначені елементи відбувається деяке зниження початкової температури на pn-переході, наприклад, з 110 до 105 o C в циркулюючої рідини.
Вакуумований кільцевий простір між металевою трубою 10 з розташованої на ній лінійної сонячною батареєю 31 і зовнішньої прозорою трубою 37 зводить до мінімуму молекулярно-кінетичну теплопередачу в навколишнє атмосферу. Асферична або псевдоціліндріческая заломлююча поверхня 34, виконана, наприклад, у вигляді від'ємної циліндричної лінзи частини оптично зовнішньої прозорої труби 33, здійснює рівномірний розподіл концентрованих сонячних променів і усунення максимуму випромінювання в центрі лінійної майданчики pn-переходу, пов'язаного з особливістю сонця, як джерела випромінювання ( диск), а й з циліндричними астигматизм дзеркал.
Зазначена оптична поверхню 34 може бути винесена і віддалена від труби 10. Оптично заломлююча поверхня може бути і виконана у вигляді від'ємної або позитивної циліндричної лінзи Френеля 35, яка має профіль з призматичних борозенок уздовж осі труби, що забезпечує рівномірний розподіл концентрованого випромінювання на поверхні pn-переходу .
У другому варіанті при товщині пластин високотемпературних фотоелектричних напівпровідникових перетворювачів 1 понад 50 мкм скидна теплова енергія, що супроводжує фотоелектричний процес, що відбувається на pn-переході 36, в тому числі арсенід-галлиевого фотоелектричного перетворювача, безпосередньо з його поверхні надходить до циркулюючої оптично прозорою електрично-нейтральної теплопередающей рідини і далі аналогічно першому варіанту. Оптично прозорі або непрозорі або відображають пластини 40 розташовують таким чином, щоб у поверхні pn-переходу створювалася турбулентність потоку теплоносія для мінімального температурного перепаду, наприклад, не більше 1,5 o C при щільності випромінювання 10 Вт / см 2.
При необхідності додаткової оптичної корекції всередині прозорої труби 38 перед pn-переходом розташовуються оптичні середовища 41, наприклад скляний стрижень, з коефіцієнтом заломлення вище, ніж у оптично прозорого теплоносія. Залежно від електричної потужності комбінованої сонячної електростанції лінійні сонячні батареї 31 фотоелектричних теплогенераторів можуть з'єднуватися паралельно або послідовно для підключення до електролізерів 13 з газгольдером і инвертору 14. У періоди відсутності сонця запасеної електролітичне водневе паливо з електролізера 13 подається на введення 7 і спалюється в дублюючому джерелі тепла 6 при температурі не вище 520 o C з забезпеченням повної екологічної чистоти процесу отримання електроенергії в відсутності сонця. У дублюючому джерелі тепла 6 низькотемпературна секція теплообмінника 21, розташована на його виході, і утилізує тепло відхідних газів. Об'єднання термодинамічної процесу, що включає цикл отримання електроенергії, з фотоелектричним процесом прямого перетворення і отримання електроенергії за рахунок утилізації високотемпературної скидний теплової енергії, що відводиться від фотоелектричних високотемпературних, особливо арсенід-галієвих, напівпровідникових перетворювачів 11 при їх охолодженні, через другий окремий середньотемпературна циркуляційний контур з петлею 9 теплопередачі для другого ступеня підігріву рідини і отримання пара в якості робочого тепла в паросиловому циклі Ренкіна або інших при виробленні електроенергії за допомогою об'ємної роторної парової машини 26 з електрогенератором 28 дозволяє значно підвищити (до 40%) ККД перетворювача сонячної енергії в електроенергію в порівнянні з прототипом і відповідно знизити площу приймачів 2 і 17, знизити теплове забруднення навколишнього середовища з системи охолодження 30.
Додаткове введення низько потенційного-температурної теплової енергії від пасивних фототермічна перетворювачів-теплогенераторів 17 без концентрації випромінювання сонця і без застосування дзеркальних параболоціліндров для підігріву конденсату, що утворюється при конденсації пари в паросиловому циклі, в якості першого ступеня підвищення теплосодержания випаровується рідини до її підігріву і випаровування скідних теплом фотоелектричних перетворювачів дозволяє різко знизити матеріаломісткість і вартість будівництва комбінованої сонячної електростанції. Застосування каталітичного процесу спалювання палива в дублюючому джерелі тепла 6 дозволяє в 100 і більше разів знизити викид окислів азоту NO 2 в атмосферу, з відповідним підвищенням екологічної чистоти в порівнянні з прототипом.
Застосування трьох самостійних циркуляційних петель теплопередачі 1, 9, 18 дозволяє різко підвищити надійність роботи комбінованої сонячної електростанції в разі відмови елементів в одній або двох з них.
Приклад виконання комбінованої сонячної електростанції.
Арсенід-галієвих сонячна фототермодінаміческая електростанція (СФТЕС) потужністю 1 МВт включає 20 дзеркальних модулів Параболоциліндричні приймачів, забезпечених одноосьовими системами орієнтації площею по 150 м 2 з коефіцієнтами концентрації 100, відображення 0,9, поглинання 0,9. Перша петля високотемпературних фототермічна теплогенераторів (ВТГ) включає 4 модулі загальною площею 600 м 2, друга среднетемпературная петля включає 16 фотоелектричних теплогенераторів (ФЕТГ) загальною площею 2400 м 2 і третя низькотемпературна петля - 320 шт. нерухомих сонячних колекторів (СК) загальною площею 510 м 2. Загальна площа прийому сонячної енергії 3510 м 2. Сумарна площа високотемпературних арсенід-галієвих фотоелектричних перетворювачів 26,2 м 2. Робоче тіло в паросиловому циклі - нормальний бутан C 4 H 10 (див. Таблицю 1).
 |
 |
ККД об'ємної двоступеневої машини 
м = 0,82%, генератора 87%. Для ідеального термодинамічної циклу Карно коефіцієнт перетворення теплової енергії в механічну (без урахування втрат в електрогенераторі) при початковій температурі пара н. бутану 250 o C (T 1 = 523 К) і кінцевої температурі 25 o C (T 2 = 298 К) становить: 
Таким чином, сумарний фототермодінаміческій ККД пропонованої комбінованої сонячної електростанції близький до граничного і складає фт / к = 40,3 / 42,5 = 0,94, що абсолютно недосяжна для прототипу.
При сверхкритической робочої температурі паросилового циклу, підвищеної, наприклад з t кр = 232 o C до 350 o C для C 3 Cl 3 F 5, на об'ємну парову машину надходить двофазна туманообразнимі парожидкостная середа з різною концентрацією рідини, що сприяє підвищенню термомеханічного ККД за рахунок ущільнення рідиною конструктивних зазорів гвинтових роторів, що обертаються з порівняно малими швидкостями в циліндрах високого і низького тиску. Тому застосування в комбінованій сонячної електростанції в якості двигуна досить простою і надійною об'ємної роторної парової машини, краще, ніж високошвидкісний турбіни, оскільки остання через ерозію лопаток з їх подальшим відривом при дії кінетичної енергії високошвидкісних частинок туманообразного робочого тіла може швидко (з можливим вибухом ) зруйнуватися.
Застосування в якості робочого тіла замість н. бутану (C 4 H 10) екологічно чистого, пожежобезпечного пентафтортріхлорпропана (C 3 Cl 3 F 5) і підвищення початкової температури до 350 o C дозволить підвищити сумарний фототермодінаміческій ККД комбінованої сонячної електростанції до 48%. Це значно перевищує ККД новітніх теплових електростанцій і в два з гаком рази вище сонячних електростанцій з пароводяним силовим циклом. Таким чином, відповідно знизиться металоємність обладнання, а терміни окупності капіталовкладень в будівництво комбінованої сонячної електростанції скоротяться в кілька разів з урахуванням зниження більш, ніж в два рази площі приймачів сонячної енергії.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Сонячна комбінована електрична станція, яка містить циркуляційні контури теплопередачі, перший з яких включає теплопередающей петлю з розташованих послідовно приймачів модульного дзеркального Параболоциліндричні концентратора сонячної енергії з системою стеження за Сонцем, парогенератора, пароперегрівача, циркуляційного насоса, з'єднаного одним своїм виходом з входом теплопередающей петлі приймачів модульного концентратора сонячної енергії, а другим виходом через дублююче джерело тепла з'єднаного з входом зазначеного пароперегрівача, що містить другий паросилова контур з парожідкім робочим тілом, що складається з послідовно розміщених економайзера, паросилових частин парогенератора і пароперегрівача, теплового двигуна з генератором електроенергії, конденсатора з охолодженням і конденсатного насоса, що містить електролізер розкладання води на водень і кисень, інвертор з акумулятором, систему низько потенційного теплопостачання з циркуляційним насосом, що відрізняється тим, що вона додатково забезпечена другою петлею теплопередачі першого контуру, що включає високотемпературний фотоелектричний теплогенератор, виконаний у вигляді приймачів модульного Параболоциліндричні концентратора сонячної енергії з розташованої у фокусі параболоціліндра теплопріемной трубою з циркулюючим теплоносієм, на якій розміщені високотемпературні фотоелектричні перетворювачі, теплообмінники і циркуляційний насос, при цьому високо температурні фотоелектричні перетворювачі підключені до електролізерів, вихідного инвертору з акумулятором, причому вихід теплоносія з фотоелектричного теплогенератора з'єднаний теплопроводом другої петлі теплопередачі з входом гарячої частини теплообмінника, з'єднаної з виходом дублюючого джерела тепла, вихід теплообмінника підключений через циркуляційний насос з входом фотоелектричного теплогенератора і входом в дублюючий джерело тепла, вихід паросилова частини теплообмінника з'єднаний з входом парогенератора.
2. Електростанція по п.1, що відрізняється тим, що високотемпературні фотоелектричні перетворювачі виконані у вигляді широкозонних, переважно арсенід-галієвих напівпровідникових фотоелементів одно- або багатокаскадних в парі з кремнієм або германием.
3. Електростанція по п. 1, яка відрізняється тим, що дублюючий джерело тепла для вироблення електроенергії в паросиловому циклі виконаний у вигляді каталітичного реактора, забезпеченого секційним теплообмінником з абсорбційними теплопроводами, заповненими переважно рідким теплоносієм, на які нанесено селективно-поглинає інфрачервоне випромінювання покриття і теплопровідні поверхні, що розташовуються рядами, що чергуються з шарами губчастого каталізатора і рядами трубчастих перфорованих розподільників водню або іншого газоподібного палива і рядами трубчастих розподільників повітря або кисню, що вводяться в реактор примусово або за рахунок конвекції, а теплопроводи секцій з'єднані з перемикаються вентилями контурів теплопередачі від приймачів сонячної енергії , які можуть підключатися окремо в міру підвищення рівня сонячної радіації.
4. Електростанція по п.1, що відрізняється тим, що вона забезпечена низькотемпературних фототермічна теплогенератором, виконаним у вигляді нерухомих пасивних приймачів сонячної енергії без концентрації, з теплопріемнимі селективними панелями, що мають канали з циркулюючим теплоносієм, причому вихід теплоносія з каналів панелей через теплопровід приєднаний до входу третьей отдельной циркуляционной теплопередающей петли первого контура, соединенной теплопроводом с входом горячей части теплообменника, выход которого подсоединен к циркуляционному насосу, соединенному теплопроводом с входом в канал панелей пассивных фототермических преобразователей, а выход паросиловой части теплообменника соединен с входом паросиловой части теплообменника второй петли фотоэлектрического теплогенератора , при этом вход указанного теплообменника подсоединен к выходу конденсатного насоса.
5. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что фотоэлектрический теплогенератор при толщине пластин высокотемпературных фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей менее 50 мкм выполняют в виде линейной солнечной батареи, монтируемой на поверхности, расположенной в фокусе зеркального параболоцилиндра, металлической трубы, имеющей вдоль оси плоскую площадку, снабженную адгезивно связанной токоизолирующей пленкой, толщиной не более 1/4 толщины пластинки преобразователя, и адгезионно соединенного с изолирующей пленкой и трубой, в которой циркулирует охлаждающий теплоноситель второго контура теплопередачи в паросиловой цикл, при этом фотоэлектрический теплогенератор снабжен наружной прозрачной трубой, герметично соединенной с внутренней металлической трубой, диаметр которой на 1/5 меньше наружной, а кольцевое пространство вакуумировано, причем часть оптически прозрачной стенки наружной трубы снабжена псевдоцилиндрической оптически преломляющей поверхностью, равномерно распределяющей по плоскости pn-перехода фотоэлектрических преобразователей пучок концентрированного солнечного излучения, отраженного зеркальными параболоцилиндрами, а обратная сторона наружной трубы снабжена выводимыми клеммами от электродов к инвертору для подсоединения к сети электроэнергии потребителя или коммутационно преобразовательной схеме.
6. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что высокотемпературные фотоэлектрические преобразователи с толщиной более 50 мкм монтируются внутри прозрачной трубы, которая заполнена циркулирующим оптически прозрачным, химически нейтральным, жидким теплоносителем, при этом плоскость pn-перехода располагается в иммерсионном фокусе, образованном концентрированным световым излучением и преломляющим элементом, образованным поверхностью прозрачной трубы, заполненной оптически прозрачным теплоносителем контура теплопередачи в паросиловой цикл, причем фотоэлектрический теплогенератор снабжен наружной вакуумированной прозрачной трубой, через которую аналогично выведены проводники от электродов преобразователей.
7. Электростанция по п.6, отличающаяся тем, что в оптически прозрачном теплоносителе располагают оптически прозрачные, или непрозрачные, или отражающие пластины, создающие турбулентность потока теплоносителя, а и располагают оптические среды с коэффициентом преломления, отличающимся от такового для теплоносителя.
8. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела в паросиловом цикле применяется органическое или неорганическое вещество с более низким, чем у воды, критическим давлением, температурой и теплотой парообразования.
9. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что тепловой двигатель выполнен в виде объемной паровой машины, в особенности роторной одно- или многоступенчатой, приводящей в действие электрогенератор с отбором пара между ступенями для регенеративного теплообмена или теплофикации, причем объемная паровая машина может быть выполнена в виде винтового двухвального или трехвального, одно- или многоступенчатого турбодетандера с профилями роторов предпочтительно типа "Лисхольм", при этом вход машины соединен с парогенератором, а выход с конденсатором.
Версія для друку
Дата публикации 18.03.2007гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.