Электроэнергетическая установка на солнечной энергии

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована предприятиями сельского хозяйства и объектами, расположенными в труднодоступных удаленных местах для обеспечения дешевой электрической и тепловой энергией. Для решения этой задачи используется солнечная энергия и предусматривается солнечный коллектор, при этом в установке условно предусмотрено четыре контура. В первом контуре используется высокотемпературный теплоноситель, например силикатная жидкость, и его температура может быть доведена до значения 300°С. Затем теплота передается второму (теплому) контуру, где циркулирует теплоноситель (вода), температура которого доводится до значения 90-95°С. В третьем контуре используется низкокипящее рабочее вещество, кроме того, в нем предусматривается турбина с генератором. В четвертом контуре используется низкотемпературный источник энергии, который служит для охлаждения отработавшего пара рабочего вещества третьего контура. Падающие солнечный лучи нагревают в солнечном коллекторе теплоноситель, одновременно в контуре паровой турбины насос прогоняет рабочее вещество, создавая при этом необходимое давление в третьем контуре. Рабочее вещество, проходя через испаритель, испаряется за счет солнечной энергии, перенесенной в испаритель теплоносителем теплого контура. Полученный пар в испарителе проходит через турбину, а генератор вырабатывает электроэнергию и подается к потребителю. Кроме того, часть теплоносителя, полученная в теплом контуре, используется для работы абсорбционной холодильной установки и объекта отопления, что позволяет повысить эффективность работы электроэнергетической установки. Таким образом, предложенная электроэнергетическая установка, установленная в труднодоступных местах, может быть использована для выработки тепловой энергии, электроэнергии, и позволяет получить значительную экономию энергоресурсов и обеспечить энергосбережение народного хозяйства.

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована предприятиями сельского хозяйства и объектами, расположенными в труднодоступных удаленных местах.

Известна полезная модель «Устройство для превращения солнечной энергии в электрическую» [1]. Устройство использует солнечную энергию и содержит термоэлектрический генератор, установленный на подвижной платформе; механизм поворота, который обеспечивает синхронный поворот за солнцем. Основным недостатком данного устройства является низкая эффективность термоэлектрического генератора, поэтому это устройство не может решить задачи по обеспечению тепловой энергией и электроэнергией предприятий сельского хозяйства и объектов, расположенных в труднодоступных удаленных местах.

Наиболее близким техническим решением является «Силовая установка на солнечной энергии» [2]. Данная установка работает на солнечной энергии и содержит генератор, испаритель, конденсатор и турбину с низкокипящим веществом. Испарение рабочего вещества происходит за счет солнечной энергии, а конденсация рабочего вещества происходит при помощи жидкого охладителя. Кроме того, установка содержит теплоизолированные накопительный емкости, в которых аккумулируется теплота от солнечной энергии и используется в ночное время и в пасмурную погоду. Полученная электроэнергия используется потребителями.

Основными недостатками данного устройства являются:

1. В данном устройстве не предусмотрено использование тепловой энергии, например для отопления, горячего водоснабжения предприятий сельского хозяйства и объектов, расположенных в труднодоступных удаленных местах.

2. Для сохранения вновь выращенного урожая, например овощей и фруктов, полученная теплота может быть использована для работы абсорбционной холодильной установки без потребления электрической энергии, что не предусмотрено в данном устройстве.

Заявляемая полезная модель решает задачу создания устройства, позволяющего помимо выработки электрической энергии обеспечивать объекты отоплением, горячим водоснабжением, а также теплотой для работы абсорбционной холодильной установки для хранения скоропортящихся продуктов.

Техническим результатом при этом является обеспечение объектов дешевой теплотой и создание абсорбционной холодильной установки без потребления электроэнергии.

Технический результат достигается тем, что в известной силовой установке на солнечной энергии, содержащей генератор, испаритель, конденсатор, турбину с низкокипящим рабочим веществом, аккумулятор теплоты, она дополнительно содержит объект отопления, абсорбционную холодильную установку, связанные с теплым контуром через исполнительный механизм с четырехходовым краном, вход которого подключен к патрубку четырехходового крана, а выход: первый контур подключен к испарителю легкокипящего рабочего вещества, второй контур - к абсорбционной холодильной установке, третий - к объекту отопления с возможностью подключения этих контуров к теплому контуру.

Кроме того, она содержит охладитель, вход которого подключен к конденсатору, выход связан с вертикальным грунтовым теплообменником.

На чертеже представлена заявляемая установка, которая содержит солнечный коллектор 1; теплообменник 2; аккумулятор теплоты 3; солнечные лучи 4; испаритель 5; турбину 6; генератор 7; конденсатор 8; абсорбционную холодильную установку 9; отопительный объект 10; грунтовый низкопотенциальный теплообменник 11; грунт 12; электрические насосы 13, 14, 15; электрический исполнительный механизм с четырехходовым краном 16; электронные трехходовые краны 17, 18; блок управления 19; блок питания 20; блок сравнения 21, 23; задатчики 22, 24; датчики температуры 25, 26; каналы подачи теплоносителей 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40; каналы подачи легкокипящего вещества 41, 42, 43, 44; каналы низкопотенциального теплоносителя 45, 46, 47; каналы подачи электроэнергии 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55; канал подачи электроэнергии потребителю 56; каналы подачи электрических сигналов 57, 58, 59, 60, 61, 62; контакт замыкающий 63.

Электрический исполнительный механизм с четырехходовым краном 16 может быть выполнен согласно патенту 2253024 [3].

Электронные трехходовые краны 17, 18 могут быть выполнены согласно патенту 2270923 [4].

Заявляемая электроэнергетическая установка может условно состоять из следующих замкнутых контуров.

Контур I. Контур I включает в себя: солнечный коллектор 1 с датчиком температуры 25; электронный трехходовой кран 18; электрический насос 14; аккумулятор теплоты 3 с датчиком температуры 26; теплообменник 2; электронный трехходовой кран 17; каналы циркуляции жидкости 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33. По контуру I циркулирует теплоноситель в солнечном коллекторе 1; в результате теплообмена теплоносителя с солнечными лучами происходит нагрев теплоносителя, а в теплообменнике 2 теплота передается теплоносителю замкнутого контура II. В качестве теплоносителя может быть использован высокотемпературный теплоноситель, например силикатная жидкость.

Аккумулятор теплоты 3 во время работы контура I поддерживает температуру жидкости, которая контролируется датчиком температуры 26. В аккумуляторе теплоты имеются накопительные емкости, тщательно теплоизолированные, в пасмурную погоду и в ночное время эта теплота передается теплообменнику 2.

Контур II. Контур II (теплый контур) включает в себя теплообменник 2; четырехходовой кран 16; абсорбционную холодильную машину 9; объект отопления 10; испаритель 5; каналы подачи жидкости 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40. В этом контуре теплоноситель в виде воды нагревается в теплообменнике 2 в результате теплообмена с теплоносителем контура I, например, до температуры 90-95°С.

В электрическом исполнительном механизме 16 с четырехходовым краном происходит распределение потоков теплоносителя по каналу 35 на испаритель 5, по каналу 39 на абсорбционную холодильную машину 9, по каналу 37 на объект отопления 10.

Контур III. Контур III включает в себя испаритель 5; турбину 6; конденсатор 8; электрический насос 15 и каналы циркуляции легкокипящего вещества 41, 42, 43, 44.

В контуре III насос прогоняет рабочее вещество, создавая при этом определенное давление для выработки необходимой электроэнергии.

Контур IV. Контур IV включает в себя конденсатор 8, вертикальный грунтовый теплообменник 11, электрический насос 13 и каналы 45, 46, 47.

По этому контуру циркулирует солевой раствор, например CaCl₂ или NaCl, температура которого в теплообменнике 11 в результате теплообмена с поверхностью грунта понижается до значения 6-8°С. А в конденсаторе 8 этот теплоноситель отбирает тепло от отработанного пара рабочего вещества, превращая его в жидкость.

В генераторе 6 вырабатывается электроэнергия, которая по каналу 54 поступает в блок питания 20, и по каналу 56 подается к потребителю.

В ясную солнечную погоду при превышении температуры контура 1 заданного значения, а также при отсутствии необходимости работы электроэнергетической установки, излишки теплоты могут быть направлены для нагрева других объектов, например для бассейна (позиции на чертеже не указаны).

Заявляемая электроэнергетическая установка на солнечной энергии работает следующим образом.

Включается контакт замыкающий 63.

Электрический насос 14 начинает циркулировать теплоноситель контура 1. При этом заданная температура аккумулятора теплоты 3 контролируется датчиком температуры 26, который по каналу 58 подает сигнал в блок сравнения 23, где сравнивается с сигналом задатчика 24. Эти сигналы обрабатываются в блоке сравнения 23. В случае появления сигнала рассогласования этот сигнал подается в блок управления 19, который подает питание по каналу 49 на электронный трехходовой кран 18, который откроет канал 31 (при этом канал 29 остается открытым), и теплоноситель, проходя через аккумулятор теплоты 3, аккумулирует теплоту в накопительных емкостях. Затем по каналу 32 возвращается в канал 29, продолжается циркуляция в контуре I.

При аккумулировании требуемой теплоты датчик температуры 26 подачей сигнала устраняет сигнал рассогласования в блоке сравнения 23. Электронный трехходовой кран 18 закрывает канал 31.

В пасмурную погоду и в ночное время, когда солнечные лучи перестают попадать на солнечный коллектор 1, датчик температуры 25 по каналу 57 подает сигнал в блок сравнения 21. Обработанный сигнал по каналу 59 подается в блок управления 19, который по каналу 51 подает электроэнергию на электронный трехходовой кран 17, который срабатывает и закрывает канал 27, открывает канал 33.

Электронный трехходовой кран 18 закрывает канал 29, открывает канал 31 и контур I начинает работать от аккумулятора теплоты 3, минуя солнечный коллектор 1.

В контуре II в результате теплообмена между теплоносителем контура I и теплоносителем контура II в теплообменнике 2 температура теплоносителя контура II доводится до значения 90-95°С и по каналу 34 поступает в четырехходовой кран электрического исполнительного механизма 16. Четырехходовой кран по каналу 35 направляет часть теплоносителя на испаритель 5, другую часть теплоносителя по каналу 39 - в абсорбционную холодильную установку 9, а оставшуюся часть теплоносителя по каналу 37 на объект отопления 10.

В испаритель 5 по каналу 44 одновременно поступает низкокипящее рабочее вещество в виде жидкости. Как уже было сказано выше, в испаритель 5 по каналу 35 поступает теплоноситель (вода), нагретый до температуры 90-95°С. В испарителе 5 низкокипящее рабочее вещество отбирает теплоту от горячего теплоносителя, происходит испарение низкокипящего рабочего вещества и его превращение в пар. Далее рабочий пар поступает в турбину 6, где часть энергии рабочего пара турбина 6 с генератором 7 преобразует в электроэнергию. Отработавший пар поступает в конденсатор 8, где отдает тепло солевому раствору. Отдавая тепло, отработавший пар превращается в жидкость, которая насосом 15 прогоняется в испаритель 5. А солевой раствор, отобрав тепло от отработавшего пара, по каналу 47 возвращается в грунтовый теплообменник 11 и т.д.

В результате будет обеспечен довольно высокий перепад температур испарения и конденсации рабочего вещества соответственно и довольно высокий коэффициент полезного действия (КПД) преобразования солнечной энергии электроэнергетической установки.

Как уже было отмечено выше, по каналу 39 часть теплоносителя контура II поступает в абсорбционную холодильную установку 9, которая начинает производить требуемый холод на поданной горячей воде без потребления электроэнергии и может быть использован для сохранения скоропортящихся продуктов.

Одновременно часть теплоносителя от четырехходового крана 16 по каналу 37 контура II, имеющего температуру 90-95°С, поступает в объект отопления 10, где теплоноситель используется как для отопления, так и для горячего водоснабжения.

Таким образом, предложенная электроэнергетическая установка, установленная в труднодоступных местах на объектах сельского хозяйства, может быть использована для выработки тепловой энергии, электроэнергии, и позволяет получить значительную экономию энергоресурсов и обеспечить энергосбережение народного хозяйства.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент 86247, F02G 5/02. Устройство для превращения солнечной энергии в электрическую / В.Н.Тимофеев, А.В.Тимофеев, Д.В.Тимофеев, М.А.Тимофеев; опубл. в БИ 27.08.2009.

2. Патент 2184873, F03G 6/00. Силовая установка на солнечной энергии / А.Ф.Исачкин; опубл. в БИ 10.07.2002.

3. Патент 2253024, F01P 7/14, 3/20. Устройство для регулирования рабочей температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания / В.Н.Тимофеев, A.M.Поздеев, Л.В.Тимакова; опубл. в БИ 20.11.2004.

4. Патент 2270923, F01P 7/16. Электрический термостат / В.Н.Тимофеев, Н.П.Кузин, А.Н.Краснов; опубл. в БИ 27.02.2006.

Электроэнергетическая установка на солнечной энергии, содержащая генератор, испаритель, конденсатор, турбину с низкокипящим рабочим веществом, аккумулятор теплоты, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит объект отопления, абсорбционную холодильную установку, связанные с теплым контуром через исполнительный механизм с четырехходовым краном, вход которого подключен к патрубку четырехходового крана, а выход: первый контур подключен к испарителю легкокипящего рабочего вещества, второй контур - к абсорбционной холодильной установке, третий - к объекту отопления с возможностью подключения этих контуров к теплому контуру.