ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2111422

СОЛНЕЧНАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

СОЛНЕЧНАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Имя изобретателя: Волков Э.П.; Поливода А.И.; Поливода Ф.А. 
Имя патентообладателя: Энергетический научно-исследовательский институт им.Г.М.Кржижановского
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1995.03.06 

Использование: в теплоэнергетике. Сущность: солнечная комбинированная электростанция включает циркуляционные петли теплопередачи от высокотемпературных фототермических и фотоэлектрических теплогенераторов, снабженных зеркальными параболоцилиндрическими модулями-концентраторами, и высокотемпературные, предпочтительно арсенид-галлиевые, фотоэлементы с высокоточной оптической коррекцией энергетических потерь. Электростанция включает низкотемпературную петлю с солнечными коллекторами, второй паросиловой контур с рабочим телом, имеющим более выгодные в сравнении с водой термодинамические свойства. Электростанция снабжена двигателем в виде объемной роторной паровой машины, имеющей преимущества перед турбиной по надежности и металлоемкости, при этом суммарный фототермодинамический коэффициент превышает известные аналоги и прототип.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к гелиоустановкам и может быть использовано для выработки электроэнергии и теплоснабжения потребителя.

В качестве аналога предложения принимается известная термодинамическая солнечная электрическая станция, содержащая циркуляционный контур теплопередачи, включающий теплопередающую петлю из расположенных последовательно приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, парогенератора, пароперегревателя, циркуляционного насоса, соединенного одним своим выходом с входом теплопередающей петли приемников модульного концентратора солнечной энергии, а вторым выходом через дублирующий источник тепла соединенного с входом указанного пароперегревателя, содержащая второй паросиловой контур с пароводяным рабочим телом, состоящий из последовательно размещенных: экономайзера, паросиловых частей парогенератора и пароперегревателя, турбины с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением и конденсационного насоса.

Недостатком аналога является низкий не более 14% коэффициент полезного действия чисто термодинамического пароводяного цикла Ренкина преобразования солнечной энергии в электроэнергию, с чем связана большая площадь приемников энергии и соответственно высокая стоимость оборудования, длительные сроки окупаемости солнечной электростанции, большая площадь застройки со снижением эффективности землепользования.

В качестве прототипа принимается известная фототермодинамическая солнечная комбинированная электрическая станция, содержащая циркуляционные контуры теплопередачи, первый из которых включает теплопередающую петлю из расположенных последовательно приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, парогенератора, пароперегревателя, циркуляционного насоса, соединенного одним своим выходом с входом теплопередающей петли приемников модульного концентратора солнечной энергии, а вторым выходом через дублирующий источник тепла соединенного с входом указанного пароперегревателя, содержащая второй паросиловой контур с пароводяным рабочим телом, состоящий из последовательно размещенных: экономайзера, паросиловых частей парогенератора и пароперегревателя, теплового двигателя с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением и конденсатного насоса, содержащая электролизер разложения воды на водород и кислород, инвертор с аккумулятором, систему низкопотенциального теплоснабжения с циркуляционным насосом.

С помощью известной фототермодинамической электростанции не представляется возможным достигнуть выше 20% суммарный фототермодинамический коэффициент преобразования солнечной энергии при получении электроэнергии.

Данный недостаток, в первую очередь, обусловлен тем, что прототипом предусмотрено применение низкотемпературных, в том числе кремниевых фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей, работоспособных с КПД 10% лишь при температуре не выше 55oC. Поэтому они располагаются на экономайзерах, которые используются, главным образом, для низкотемпературного подогрева с помощью приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии при коэффициенте концентрации менее 20, воды, циркулирующей в сети теплоснабжения и лишь в малой степени для подогрева конденсата, образующегося в паросиловом цикле.

В связи с этим фактором весьма незначителен вклад (менее 5%) сбросного тепла, получаемого при охлаждении низкотемпературных фотоэлементов, в выработку электроэнергии турбогенератором.

Другим фактором, обуславливающим низкий термодинамический КПД прототипа, являются невыгодные термодинамические свойства применяемого рабочего тела - воды в комбинированном фототермодинамическом паросиловом цикле солнечной электростанции. Это, прежде всего, высокие критические параметры водяного пара: давление 21,8 МПа, температура 374oC при высокой теплоте испарения 539 ккал/кг.

По указанным принципиальным причинам суммарный фототермодинамический коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую в прототипе может быть даже ниже 20%.

Помимо низкого КПД, использование воды в качестве рабочего тела в паросиловом цикле, обуславливающее применение высоких температур и давлений, влечет за собой требование высокой прочности и соответственно металлоемкости оборудования при высокой стоимости, низкой надежности работы и опасности при эксплуатации прототипа.

В прототипе нерационально применение низкотемпературного экономайзера, снабженного приемниками модульного зеркально параболоцилиндрического концентратора со следящей системой.

Низкотемпературный подогрев конденсата и теплофикационной воды может быть осуществлен значительно проще, надежней и дешевле с помощью неподвижных солнечных коллекторов, не требующих концентрации и систем слежения за солнцем.

Экологическим недостатком прототипа является выброс окислов азота в атмосферу с продуктами сгорания, дублирующим источником тепла, выполненным в виде традиционной котельной установки с горелками на газообразном топливе, сжигаемом в периоды отсутствия солнца. При сжигании газообразного топлива в горелке при температуре пламени порядка 2000oC идет интенсивный синтез окислов азота и в атмосферу выбрасывается до 1400 см3 названных окислов на 1 м3 дымовых газов (в пересчете на NO2), крайне токсичных для человека и животных.

Согласно прототипу невозможно выполнение фототермодинамических электростанций небольшой мощности, в том числе мобильных вариантов, в связи с особенностями турбины в качестве двигателя. Вместо сложной, громоздкой, металлоемкой, тяжелой и соответственно дорогой турбины целесообразно применение более легких, простых и надежных агрегатов при высоком (до 82%) термомеханическом КПД, низкой стоимости и металлоемкости.

В известных предложениях отсутствуют оптические корректирующие элементы, необходимые для равномерного распределения высокоинтенсивной (с коэффициентом более 100) концентрации солнечного излучения по поверхности p-n-перехода высокотемпературных, в особенности арсенид-галлиевых, фотоэлектрических преобразователей с отводом утилизируемого при охлаждении тепла. Для высокотемпературных фотоэлементов требуется исключение оптических и энергетических потерь, связанных со спецификой солнца как источника энергии, а также с оптическими погрешностями зеркальных параболоцилиндров при высоких (более 100) коэффициентах концентрации.

Энергетический, экологический и технический результаты предлагаемого технического решения - повышение эффективности использования солнечной энергии и экологической чистоты окружающей среды при работе дублирующего источника тепла.

Данный технический результат достигается тем, что солнечная комбинированная электрическая станция, содержащая циркуляционные контуры теплопередачи, первый из которых включает теплопередающую петлю из расположенных последовательно приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, парогенератора, пароперегревателя, циркуляционного насоса, соединенного одним своим выходом с входом теплопередающей петли приемников модульного концентратора солнечной энергии, а вторым выходом через дублирующий источник тепла соединенного с входом указанного пароперегревателя, содержащая второй паросиловой контур с парожидким рабочим телом, состоящий из последовательно размещенных: экономайзера, паросиловых частей парогенератора и пароперегревателя, теплового двигателя с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением и конденсатного насоса, содержащая электролизер разложения воды на водород и кислород, инвертор с аккумулятором, систему низкопотенциального теплоснабжения с циркуляционным насосом, согласно изобретению снабжена второй петлей теплопередачи

первого контура, включающей высокотемпературный фотоэлектрический теплогенератор, выполненный в виде приемников модульного параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с расположенной в фокусе параболоцилиндра теплоприемной трубой с циркулирующим теплоносителем, на которой размещены высокотемпературные фотоэлектрические преобразователи, теплообменник и циркуляционный насос, при этом высокотемпературные фотоэлектрические преобразователи подключены к электролизеру, выходному инвертору с аккумулятором, причем выход теплоносителя из фотоэлектрического теплогенератора соединен теплопроводом второй петли теплопередачи с входом горячей части теплообменника, соединенной с выходом дублирующего источника тепла, выход теплообменника подключен через циркуляционный насос с входом фотоэлектрического теплогенератора и входом в дублирующий источник тепла, выход паросиловой части теплообменника соединен с входом парогенератора.

Высокотемпературные фотоэлектрические преобразователи выполнены в виде широкозонных, предпочтительно арсенид-галлиевых, полупроводниковых фотоэлементов одно- или многокаскадных в паре с кремнием или германием.

Дублирующий источник тепла для выработки электроэнергии в паросиловом цикле выполнен в виде каталитического реактора, снабженного секционным теплообменником с абсорбционными теплопроводами, заполненными преимущественно жидким теплоносителем, на которые нанесено селективно-поглощающее ИК-излучение покрытие и теплопроводящие поверхности, располагаемые рядами, чередующимися со слоями губчатого катализатора и рядами трубчатых перфорированных распределителей водорода или другого газообразного топлива и рядами трубчатых распределителей воздуха или кислорода, вводимых в реактор принудительно или за счет конвекции, а теплопроводы секций соединены с переключаемыми вентилями контуров теплопередачи от приемников солнечной энергии, которые могут подключаться раздельно по мере повышения уровня солнечной радиации.

Солнечная электростанция снабжена низкотемпературным фототермическим теплогенератором, выполненным в виде неподвижных пассивных приемников солнечной энергии без концентрации, с теплоприемными селективными панелями, имеющими каналы с циркулирующим теплоносителем, причем выход теплоносителя из каналов панелей через теплопровод подсоединен к 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.

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, также адгезивно 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 p-n-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.

Высокотемпературные фотоэлектрические преобразователи с толщиной более 50 мкм монтируются внутри прозрачной трубы, которая заполнена циркулирующим оптически прозрачным, химически нейтральным, жидким теплоносителем, при этом плоскость p-n-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 по п. 5, через которую аналогично выведены проводники от электродов преобразователей.

В оптически прозрачном теплоносителе располагают оптически прозрачные или отражающие пластины, создающие турбулентность потока теплоносителя, а также располагают оптические среды с коэффициентом преломления, отличающимся от такового для теплоносителя.

В качестве рабочего тела в паросиловом цикле применяется органическое или неорганическое вещество с более низким, чем у воды, критическим давлением, температурой и теплотой парообразования.

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.

СОЛНЕЧНАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

На фиг. 1 изображена схема предлагаемой комбинированной солнечной электростанции.

На фиг. 3 показана энергетическая диаграмма комбинированной солнечной электростанции с арсенид-галлиевыми фотоэлектрическими преобразователями.

На фиг. 2 -теплофотоэлектрический генератор в двух вариантах его узлов:

I - узел металлической трубы первого варианта с наружной прозрачной трубой в поперечном сечении в уменьшенном масштабе,

II - то же, продольное сечение с частично снятой наружной прозрачной трубой, вид со стороны линейной солнечной батареи,

III - узел высокотемпературных фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей в поперечном сечении в увеличенном масштабе,

IV - узел токоизолирующей пленки в увеличенном масштабе,

V - узел фрекелевской корректирующей поверхности,

VI - узел прозрачной трубы второго варианта с наружной прозрачной трубой по первому варианту в поперечном сечении.

Солнечная комбинированная электростанция также, как и прототип, содержит жидкостные циркуляционные контуры, первый из которых снабжен первой теплопередающей петлей 1 из расположенных последовательно приемников 2 модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, пароперегреватель 3, парогенератор 4, циркуляционный насос 5 с вторым входом через дублирующий источник тепла 6, вводами 7 и 8 водорода или газа.

Предлагаемая комбинированная солнечная электростанция снабжена второй петлей 9 первого контура с высокотемпературным фотоэлектрическим теплогенератором, выполненным в виде приемников 2 модульного параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии, включающего расположенную в фокусе F параболоцилиндра теплоприемную трубу 10 с циркулирующим теплоносителем, на которой размещены высокотемпературные фотоэлектрические преобразователи 11, в том числе арсенид-галлиевые, которые подключены электроцепью 12 к электролизеру 13 с газгольдером, выходному инвертору 14 с аккумулятором, причем выход теплоносителя из фотоэлектрического теплогенератора подсоединен к входу второй циркуляционной теплопередающей петли 9 первого контура, соединенной теплопроводом с входом горячей части теплообменника 15, выход которого подсоединен к циркуляционному насосу 16, соединенному теплопроводом с входом фотоэлектрического теплогенератора, а выход паросиловой части теплообменника 15 соединен с входом парогенератора 4.

Низкотемпературный фототермический теплогенератор 17, выполнен в виде неподвижных пассивных приемников солнечной энергии без концентрации с теплоприемными селективными панелями, имеющими каналы с циркулирующим теплоносителем, причем выход теплоносителя из каналов панелей через теплопровод подсоединен к входу третьей отдельной конвективно циркуляционной теплопередающей петли 18 первого контура, соединенной теплопроводом с входом горячей части теплообменника 19, выход которого соединен теплопроводом с входом в канал панелей пассивных фототермических преобразователей 17, а выход паросиловой части теплообменника 19 соединен с входом паросиловой части теплообменника 15 второй петли фотоэлектрического теплогенератора, при этом вход указанного теплообменника 19 подсоединен к выходу конденсатного насоса 20. При невозможности конвективной циркуляции устанавливается самостоятельный циркуляционный насос аналогично второй петле.

Дублирующий источник тепла 6 для выработки электроэнергии в паросиловом цикле выполнен в виде каталитического реактора, снабженного секционным теплообменником 21 с абсорбционными теплопроводами 22, заполненными преимущественно жидким теплоносителем, на которые нанесено селективно-поглощающее ИК-излучение покрытие и теплопроводящие поверхности, располагаемые рядами, чередующимися со слоями губчатого катализатора и рядами трубчатых перфорированных распределителей 23 водорода или другого газообразного топлива с распределителями воздуха или кислорода, вводимых в реактор принудительно или за счет конвекции, причем теплопроводы секций соединены с переключаемыми вентилями 24 петель теплопередачи 1, 9 и 18 от приемников солнечной энергии 1, 2, 10, 11 и 17, которые могут подключаться раздельно по мере изменения уровня солнечной радиации.

Второй паросиловой контур 25 в качестве рабочего тела в паросиловом цикле содержит органическое или неорганическое вещество с более низким, чем у воды критическим давлением, температурой и теплотой парообразования.

Получение электроэнергии в паросиловом цикле осуществляется посредством объемной паровой машины 26, в особенности роторной одно- или многоступенчатой, приводящей в действие электрогенератор 28 с отбором пара 27 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 типа "Лисхольм", при этом вход машины 26 соединен с парогенератором 3, а выход - с конденсатором 29, имеющим систему охлаждения 30. Электрогенератор 28 подключен к входу инвертора 14, с выхода которого электроэнергия подается в сети потребителя.

В первом варианте фотоэлектрические теплогенераторы 2, 10, 11 при толщине пластин высокотемпературных фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей 11 менее 50 мкм выполняют в виде линейной солнечной батареи, монтируемой на поверхности, расположенной в фокусе зеркального параболоцилиндра 2 металлической трубы 10 (узлы I, II, III, IV), имеющей вдоль оси плоскую площадку, снабженную адгезивно связанной токоизолирующей пленкой 32 (узел IV) толщиной не более 1/4 толщины пластинки преобразователя, также адгезионно соединенного с изолирующей пленкой 32 и трубой 10, в которой циркулирует охлаждающий теплоноситель 2 контура теплопередачи в паросиловой цикл, при этом фотоэлектрический теплогенератор снабжен наружной прозрачной трубой 33, герметично соединенной с внутренней металлической трубой 10, диаметр которой на 1/5 меньше наружной, а кольцевое пространство вакуумировано, причем часть оптически прозрачной стенки наружной трубы 38 снабжена асферической или псевдоцилиндрической 34 или френелевской 35 (узел V) оптически преломляющей поверхностью, равномерно распределяющей по плоскости p-n-перехода 36 фотоэлектрических преобразователей 11 пучок концентрированного солнечного излучения, отраженного зеркальными параболоцилиндрами 2, а обратная сторона наружной трубы снабжена выводными клеммами от электродов 37 к преобразователям 14 для подсоединения к сети электроэнергии потребителя или коммутационно преобразовательной схеме.

Во втором варианте фотоэлектрического теплогенератора высокотемпературные фотоэлектрические преобразователи 11 толщиной более 50 мкм монтируются внутри прозрачной трубы 38 (узел VI), которая заполнена циркулирующим, оптически прозрачным химически нейтральным, жидким теплоносителем, при этом плоскость p-n-перехода 36 располагается в иммерсионном фокусе 39, образованном концентрированным световым излучением и преломляющим элементом 34 или 35, образованным поверхностью прозрачной трубы 38, заполненной оптически прозрачным теплоносителем второй петли 9 контура теплопередачи во второй паросиловой контур 25, причем фотоэлектрический теплогенератор снабжен наружной вакуумированной прозрачной трубой 33 по п. 5, через которую аналогично выведены проводники от электродов 37 к преобразователю 13.

В оптически прозрачном теплоносителе располагают оптически прозрачные или непрозрачные, или отражающие пластины 40, создающие турбулентность потока теплоносителя, а также располагают оптические среды 41 с коэффициентом преломления, отличающимся от такового для теплоносителя.

Солнечная комбинированная электростанция работает следующим образом.

В теплоприемной трубе последовательно расположенных приемников 2, первой теплопередающей петли 1 параболоцилиндрических модулей происходит нагрев теплопередающей жидкости под действием концентрированного солнечного излучения ES. Теплопередающая жидкость (масло или полиметилсилонеоновая жидкость типа ПМС-10) характеризуется такими же свойствами, что она не кипит при температурах, до которых ее нагревают (т.е. 400 - 500oC), и не затвердевает при температуре окружающей среды, т. е. в периоды, когда станция не работает. Нагретая теплопередающая среда направляется к пароперегревателю 3 (теплообменнику), передающему тепло этой жидкости, образовавшееся в парогенераторе 4, пару во втором паросиловом контуре 25, доводя начальные параметры пара по давлению и температуре в паросиловых частях указанных теплообменников 3 и 4, необходимых для работы объемной роторной паровой машины 26. В качестве рабочего тела применяется органическое или неорганическое вещество с более низким, чем у воды, критическим давлением, температурой и теплотой парообразования, например: нормальный бутан C4H10 или, предпочтительно, пентафтортрихлорпропан (C3Cl3F5) с температурами: плавления - 80oC, кипения +74oC и критической 232oC, при критическом давлении 30,4 кг/см2 и теплоте парообразования 60 - 30 ккал/кг (в зависимости от давления). Для поддержания параметров перегретого пара на одном уровне при переменном количестве поступающей от солнца энергии в течение дня или вообще при ее отсутствии производится дополнительный нагрев теплопередающей жидкости в дублирующем источнике тепла 6, работающем на электролитическом водороде (ввод 7) или газообразном топливе (ввод 8). Жидкость после дублирующего источника тепла 6 также, как и системы приемников 1 модульного концентратора 2, подводится к пароперегревателю 3 и парогенератору 4 и далее насосом 5 направляется к системе приемников 2 и/или к дублирующему источнику тепла 6. Во втором паросиловом контуре 25 сработавший в роторной объемной паровой машине 26 пар поступает в конденсатор 29.

Установленный на валу машины 26 генератор 28 вырабатывает электрическую энергию, а конденсатор 29 имеет систему охлаждения 30. В конденсаторе 29 пар конденсируется и жидкость конденсатным насосом 20 направляется на вход паросиловой части теплообменника 19 3-ей петли 18 низкотемпературного фототермического теплогенератора 17, а с паросилового выхода теплообменника 19 на вход теплообменника 15 второй петли фотоэлектрического теплогенератора 2, 11, 10 и далее - на вход парогенератора 4.

В низкотемпературном фототермическом теплогенераторе 17 третьей циркуляционной теплопередающей петли 18 первого контура происходит нагрев теплопередающей жидкости, которая посредством конвекции циркуляционного насоса подается в теплообменник 19 и осуществляет первую ступень подогрева конденсата нагнетаемого конденсатным насосом 20, который далее с выхода теплообменника 19 поступает на вход теплообменника 15. Из циркуляционной петли 18 возможен отбор теплоносителя в систему теплоснабжения. В высокотемпературном фотоэлектрическом теплогенераторе 2, 10, 11 второй циркуляционной петли 9 первого контура происходит нагрев теплопередающей жидкости, которая посредством циркуляционного насоса 16 подается в теплообменник 15 и за счет утилизации сбросного тепла фотоэлектрических преобразователей 11 осуществляет вторую ступень подогрева конденсата, нагнетаемого конденсатным насосом 20, который далее с выхода теплообменника 15 поступает на вход парогенератора 4. Нагреваемая в высокотемпературном фотоэлектрическом теплогенераторе 2, 10, 11 жидкость выполняет роль охладителя высокотемпературных фотоэлектрических преобразователей 11, в том числе арсенид-галлиевых, монтируемых в виде линейной солнечной батареи 31 на поверхности металлической 10 или внутри прозрачной трубы 38. Соединенные между собой электрической цепью 12 высокотемпературные фотоэлектрические преобразователи при избытке солнечной энергии в период полудня питают электролизер 13, который нагнетает водород в газгольдер, инвертор 14 с электроаккумуляторами, которые в этот период заряжаются. Инвертор 14 подключен к циркуляционным насосам всех трех циркуляционных петель 1, 9, 18 первого контура, к конденсатному насосу 20 и насосу системы охлаждения 30. В инверторе 14 электроэнергия, вырабатываемая электрогенератором 28 и фотоэлектрическим теплогенератором 2, 10, 11, суммируется и подается сетям потребителя.

В первом варианте фотоэлектрического теплогенератора 2, 10, 11 сбросная тепловая энергия, сопровождающая фотоэлектрический процесс, происходящий на p-n-переходе 36 фотоэлектрического преобразователя 11 толщиной менее 50 мкм, через толщу пластины, в том числе кристаллической арсенид-галлиевой, тыльный электрод, токоизолирующую пленку 32 и стенку металлической трубы 10 поступает к циркулирующей теплопередающей жидкости и далее через теплообменник утилизируется во втором паросиловом контуре 24 через теплообменник 15. При прохождении тепла через указанные элементы происходит некоторое снижение начальной температуры на p-n-переходе, например, с 110 до 105oC в циркулирующей жидкости.

Вакуумированное кольцевое пространство между металлической трубой 10 с расположенной на ней линейной солнечной батареей 31 и наружной прозрачной трубой 37 сводит к минимуму молекулярно-кинетическую теплопередачу в окружающую атмосферу. Асферическая или псевдоцилиндрическая преломляющая поверхность 34, выполненная, например, в виде отрицательной цилиндрической линзы части оптически наружной прозрачной трубы 33, осуществляет равномерное распределение концентрированных солнечных лучей и устранение максимума излучения в центре линейной площадки p-n-перехода, связанного с особенностью солнца, как источника излучения (диск), а также с цилиндрическими астигматизмами зеркал.

Указанная оптическая поверхность 34 может быть вынесена и отдалена от трубы 10. Оптически преломляющая поверхность может быть также выполнена в виде отрицательной или положительной цилиндрической линзы Френеля 35, которая имеет профиль из призматических бороздок вдоль оси трубы, обеспечивающий равномерное распределение концентрированного излучения на поверхности p-n-перехода.

Во втором варианте при толщине пластин высокотемпературных фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей 1 более 50 мкм сбросная тепловая энергия, сопровождающая фотоэлектрический процесс, происходящий на p-n-переходе 36, в том числе арсенид-галлиевого фотоэлектрического преобразователя, непосредственно с его поверхности поступает к циркулирующей оптически прозрачной электрически-нейтральной теплопередающей жидкости и далее аналогично первому варианту. Оптически прозрачные или непрозрачные или отражающие пластины 40 располагают таким образом, чтобы у поверхности p-n-перехода создавалась турбулентность потока теплоносителя для минимального температурного перепада, например, не более 1,5oC при плотности излучения 10 Вт/см2.

При необходимости дополнительной оптической коррекции внутри прозрачной трубы 38 перед p-n-переходом располагаются оптические среды 41, например стеклянный стержень, с коэффициентом преломления выше, чем у оптически прозрачного теплоносителя. В зависимости от электрической мощности комбинированной солнечной электростанции линейные солнечные батареи 31 фотоэлектрических теплогенераторов могут соединяться параллельно или последовательно для подключения к электролизеру 13 с газгольдером и инвертору 14. В периоды отсутствия солнца запасенное электролитическое водородное топливо из электролизера 13 подается на ввод 7 и сжигается в дублирующем источнике тепла 6 при температуре не выше 520oC с обеспечением полной экологической чистоты процесса получения электроэнергии в отсутствии солнца. В дублирующем источнике тепла 6 низкотемпературная секция теплообменника 21, расположенная на его выходе, и утилизирует тепло уходящих газов. Объединение термодинамического процесса, включающего цикл получения электроэнергии, с фотоэлектрическим процессом прямого преобразования и получения электроэнергии за счет утилизации высокотемпературной сбросной тепловой энергии, отводимой от фотоэлектрических высокотемпературных, в особенности арсенид-галлиевых, полупроводниковых преобразователей 11 при их охлаждении, через второй отдельный среднетемпературный циркуляционный контур с петлей 9 теплопередачи для второй ступени подогрева жидкости и получения пара в качестве рабочего тепла в паросиловом цикле Ренкина или других при выработке электроэнергии посредством объемной роторной паровой машины 26 с электрогенератором 28 позволяет значительно повысить (до 40%) КПД преобразователя солнечной энергии в электроэнергию в сравнении с прототипом и соответственно снизить площадь приемников 2 и 17, снизить тепловое загрязнение окружающей среды из системы охлаждения 30.

Дополнительное введение низкопотенциально-температурной тепловой энергии от пассивных фототермических преобразователей-теплогенераторов 17 без концентрации излучения солнца и без применения зеркальных параболоцилиндров для подогрева конденсата, образующегося при конденсации пара в паросиловом цикле, в качестве первой ступени повышения теплосодержания испаряемой жидкости до ее подогрева и испарения сбросным теплом фотоэлектрических преобразователей позволяет резко снизить материалоемкость и стоимость строительства комбинированной солнечной электростанции. Применение каталитического процесса сжигания топлива в дублирующем источнике тепла 6 позволяет в 100 и более раз снизить выброс окислов азота NO2 в атмосферу, с соответствующим повышением экологической чистоты в сравнении с прототипом.

Применение трех самостоятельных циркуляционных петель теплопередачи 1, 9, 18 позволяет резко повысить надежность работы комбинированной солнечной электростанции в случае отказа элементов в одной или двух из них.

Пример выполнения комбинированной солнечной электростанции.

Арсенид-галлиевая солнечная фототермодинамическая электростанция (СФТЭС) мощностью 1 МВт включает 20 зеркальных модулей параболоцилиндрических приемников, снабженных одноосными системами ориентации площадью по 150 м2 с коэффициентами концентрации 100, отражения 0,9, поглощения 0,9. Первая петля высокотемпературных фототермических теплогенераторов (ВТГ) включает 4 модуля общей площадью 600 м2, вторая среднетемпературная петля включает 16 фотоэлектрических теплогенераторов (ФЭТГ) общей площадью 2400 м2 и третья низкотемпературная петля - 320 шт. неподвижных солнечных коллекторов (СК) общей площадью 510 м2. Общая площадь приема солнечной энергии 3510 м2. Суммарная площадь высокотемпературных арсенид-галлиевых фотоэлектрических преобразователей 26,2 м2. Рабочее тело в паросиловом цикле - нормальный бутан C4H10 (см. таблицу 1).

КПД объемной двухступенчатой машины м = 0,82%, генератора 87%. Для идеального термодинамического цикла Карно коэффициент преобразования тепловой энергии в механическую (без учета потерь в электрогенераторе) при начальной температуре пара н. бутана 250oC (T1 = 523 К) и конечной температуре 25oC (T2 = 298 К) составляет:

Таким образом, суммарный фототермодинамический КПД предлагаемой комбинированной солнечной электростанции близок к предельному и составляет фт/к = 40,3/42,5 = 0,94, что совершенно недостижимо для прототипа.

При сверхкритической рабочей температуре паросилового цикла, повышенной, например с tкр = 232oC до 350oC для C3Cl3F5, на объемную паровую машину поступает двухфазная туманообразная парожидкостная среда с различной концентрацией жидкости, что способствует повышению термомеханического КПД за счет уплотнения жидкостью конструктивных зазоров винтовых роторов, вращающихся со сравнительно малыми скоростями в цилиндрах высокого и низкого давления. Поэтому применение в комбинированной солнечной электростанции в качестве двигателя весьма простой и надежной объемной роторной паровой машины, предпочтительнее, чем высокоскоростной турбины, поскольку последняя из-за эрозии лопаток с их последующим отрывом при действии кинетической энергии высокоскоростных частиц туманообразного рабочего тела может быстро (с возможным взрывом) разрушиться.

Применение в качестве рабочего тела вместо н. бутана (C4H10) экологически чистого, пожаробезопасного пентафтортрихлорпропана (C3Cl3F5) и повышение начальной температуры до 350oC позволит повысить суммарный фототермодинамический КПД комбинированной солнечной электростанции до 48%. Это значительно превышает КПД новейших тепловых электростанций и в два с лишним раза выше солнечных электростанций с пароводяным силовым циклом. Таким образом, соответственно снизится металлоемкость оборудования, а сроки окупаемости капиталовложений в строительство комбинированной солнечной электростанции сократятся в несколько раз с учетом снижения более, чем в два раза площади приемников солнечной энергии.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Солнечная комбинированная электрическая станция, содержащая циркуляционные контуры теплопередачи, первый из которых включает теплопередающую петлю из расположенных последовательно приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за Солнцем, парогенератора, пароперегревателя, циркуляционного насоса, соединенного одним своим выходом с входом теплопередающей петли приемников модульного концентратора солнечной энергии, а вторым выходом через дублирующий источник тепла соединенного с входом указанного пароперегревателя, содержащая второй паросиловой контур с парожидким рабочим телом, состоящий из последовательно размещенных экономайзера, паросиловых частей парогенератора и пароперегревателя, теплового двигателя с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением и конденсатного насоса, содержащая электролизер разложения воды на водород и кислород, инвертор с аккумулятором, систему низкопотенциального теплоснабжения с циркуляционным насосом, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена второй петлей теплопередачи первого контура, включающей высокотемпературный фотоэлектрический теплогенератор, выполненный в виде приемников модульного параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с расположенной в фокусе параболоцилиндра теплоприемной трубой с циркулирующим теплоносителем, на которой размещены высокотемпературные фотоэлектрические преобразователи, теплообменники и циркуляционный насос, при этом высокотемпературные фотоэлектрические преобразователи подключены к электролизеру, выходному инвертору с аккумулятором, причем выход теплоносителя из фотоэлектрического теплогенератора соединен теплопроводом второй петли теплопередачи с входом горячей части теплообменника, соединенной с выходом дублирующего источника тепла, выход теплообменника подключен через циркуляционный насос с входом фотоэлектрического теплогенератора и входом в дублирующий источник тепла, выход паросиловой части теплообменника соединен с входом парогенератора.

2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что высокотемпературные фотоэлектрические преобразователи выполнены в виде широкозонных, предпочтительно арсенид-галлиевых полупроводниковых фотоэлементов одно- или многокаскадных в паре с кремнием или германием.

3. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что дублирующий источник тепла для выработки электроэнергии в паросиловом цикле выполнен в виде каталитического реактора, снабженного секционным теплообменником с абсорбционными теплопроводами, заполненными преимущественно жидким теплоносителем, на которые нанесено селективно-поглощающее инфракрасное излучение покрытие и теплопроводящие поверхности, располагаемые рядами, чередующимися со слоями губчатого катализатора и рядами трубчатых перфорированных распределителей водорода или другого газообразного топлива и рядами трубчатых распределителей воздуха или кислорода, вводимых в реактор принудительно или за счет конвекции, а теплопроводы секций соединены с переключаемыми вентилями контуров теплопередачи от приемников солнечной энергии, которые могут подключаться раздельно по мере повышения уровня солнечной радиации.

4. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена низкотемпературным фототермическим теплогенератором, выполненным в виде неподвижных пассивных приемников солнечной энергии без концентрации, с теплоприемными селективными панелями, имеющими каналы с циркулирующим теплоносителем, причем выход теплоносителя из каналов панелей через теплопровод подсоединен к 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, также 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 p-n-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 p-n-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 также 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.

Версия для печати
Дата публикации 18.03.2007гг


вверх