Коллектор солнечного излучения с турбиной или с турбокомпрессором - RU2596709C2

Чертежи

Описание

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

Толчком к данному изобретению послужили разные и очень известные технологии, такие как газотурбины, паровые турбины, турбокомпрессоры, гелиостаты и другие виды коллекторов солнечной энергии, применяемые в различных конструкциях солнечных тепло и парогенераторов. К перечисленным технологиям остается добавить параболы с одним или двумя фокусами, используемые в различных коллекторных установках для концентрации солнечной энергии. Собранные воедино перечисленные технологии и дали толчок к новому шагу развития технической идеи в этом направлении. Используя вместе определенные части этих технологий, автор настоящего патента приходит к новой модели, уже улучшенной, по мнению автора, и тем самым отличающейся от известных моделей своей повышенной результативностью.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель данного изобретения - повысить термодинамическую эффективность при получении энергии конструкциями, использующими солнечную энергию как движущую энергию; избежать использования воды в таких установках; снизить затраты, не снижая эффективности; использовать температуру на выходе газа (горячий воздух) и за счет части этой термоэнергии получить водород, или путем аккумулирования солей, масел или высокотемпературных рабочих тел получить холод для его использования в различных целях, или получить пар для работы паровых турбин в темное время суток, как уже указывал на это автор в своем изобретении, зарегистрированном в Испании в феврале 2006 года под номером U 200600388 и в европейском реестре под номером 07381002-0-1267, причем второе имеет преимущество над первым.

Важно также отметить, что другая цель изобретения, предмета данного патента, это уменьшение загрязнения окружающей среды и производство электроэнергии с использованием возобновляемых источников.

ПРОБЛЕМЫ, ТРЕБУЮЩИЕ РЕШЕНИЯ.

Существует несколько проблем, требующих решения: загрязнение окружающей среды топливом, используемым для работы газовых турбин; высокая себестоимость в силу сложности газотурбинных установок, и низкий показатель энергетической эффективности в рамках возможностей, которые нам дает термодинамика. Что касается высоких температур газотурбинных установок, в настоящем проекте предпринимаются попытки, которые приводят к снижению их воздействия на саму турбину и другие составляющие части газотурбинных установок.

Другая проблема, требующая решения, заключается в том, что солнечные коллекторы в подобных проектах являются основными и очень важными для конечного результата получения энергии элементами, так как от них зависит возможность способности накопления энергии солнечного излучения для ее последующего преобразования и передача тепла рабочим телам таких механических компонентов, как паровые турбины, турбокомпрессоры, а также газовые турбины или другие установки для использования энергии солнечного излучения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах представлены все элементы вместе, описываемые в настоящем патенте, и каждый из них в отдельности. За исключением турбокомпрессора, представленного на рисунке 2, все остальные элементы представлены на общем рисунке 1: коллектор 1, ведущая турбина 4, трубки теплообменника - входной участок 24 и выходной участок 17, находящиеся на пути выхода горячего газа 8; выход от коллектора в турбину 3, длина которого должна быть приблизительно в шесть раз больше диаметра прохода; последний виток коллектора 12, который больше всего нагревается солнечным излучением; керамическое покрытие, накапливающее тепло 13; выходное отверстие 19 отработанных газов (внутренняя сторона) из ведущей турбины 4 и лопастей охлаждения 21 ведущей турбины 4, и охлажденного воздуха, поступающего от лопастей 22 компрессора 16. Компрессор 16 сжимает воздух и направляет его к входным трубкам 24, исполняющим функцию теплообменника при нагревании воздухом, поступающим к выходу 8; воздух из компрессора 16 подается на вход 24 и выходит через трубки 17 в направлении к коллектору 1 по каналам 18, защищенными от наружного воздуха изоляционным материалом 23. Сжатый компрессором 16 воздух, разогретый в трубках 40 (рисунок 5), выполняющих функцию теплообменника, с входом 24 и выходом 17, и в свою очередь разогретый теплом глухой секции 20, подается по проходу 18 на вход 6 коллектора 1. Коллектор 1 получает солнечное излучение, отраженное параболой или гелиостатами, в зависимости от требуемой мощности для сети генератора 10, примыкающего к главной оси 9, которая соединяет ведущую турбину 4, компрессор 16 и генератор 10. Сжатый воздух разогревается, проходит через последний виток 12 и выходит через выход 3 коллектора 1, приводя в движение ведущую турбину 4, которая приводит в движение соответственно компрессор 16 и генератор 10. Коллектор 1 снаружи и внутри покрыт изоляционным материалом 23, под слоем которого находится теплоаккумулятор в виде керамического порошка или керамических шариков 13 для избежания флуктуаций потока в трубках от входа 6 в коллектор 1 и до выхода 3.

На рисунке 2 представлена та же схема, но в этом случае ведущая турбина 4 и компрессор 16 заменены на турбокомпрессор: компрессор 16 берет воздух через 27, сжимает его и подает по 18 в теплообменик 24, где после разогрева воздух идет по 18 на вход коллектора 1. Парабола или гелиостаты фокусируют солнечное излучение на коллектор 1 и разогретый в проходах коллектора воздух достигает выхода 3 к ведущей турбине 4, проходит и нагревает 24, после чего выходит через 8. Слой изоляционного материала и теплоаккумулятор 13 предохраняют от воздействия температуры наружного воздуха и накапливают тепло на случай колебаний интенсивности солнечного излучения. Вся эта кинетическая энергия ведущей турбины 4 передается по оси 9 компрессору 16, редуктору 26 и от редуктора генератору 10.

На рисунке 3 представлена модель проекта настоящего патента, в которой компрессор является отдельным элементом цепи и не входит в нее. Цепь тогда состоит из коллектора 1, где через вход 6 от размещенного снаружи компрессора в него поступает сжатый воздух. Воздух проходит через теплообменник 2 поступает в трубки коллектора 1, который, так же как и в других схемах имеет форму конусообразной спирали. Последний виток 12 коллектора 1 выводит в проход 3, снабженный лопастями против турбулентности, и подает поток, имеющий высокую температуру и давление на ведущую турбину 4. Газы по пути к выходу 8 проходят через теплообменник 5, который подает тепло по каналу 7 предпочтительно внутри самого коллектора 1 для избежания потери тепла - на теплообменник 2 и на вход коллектора 1. Ведущая турбина 4 через ось 9 передает кинетическую энергию на компрессор 16 и через муфту присоединяется к стартеру. На рисунке 4 - вид коллектора 1 спереди, где ясно различается его конфигурация в виде конуса и последний ее виток 12. На рисунке указывается расположение ведущей турбины 4, хотя на самом деле она не видна. Виден радиатор 2 на входе 6 коллектора 1 и изображение червячного компрессора 14; выход для газов 8, теплообменник 5 на пути к выходу для газов и канал 7, проходящий снаружи и внутри коллектора 1. На рисунке 5 в центре изображен теплообменник с трубками 40 и с торцевыми поверхностями 24 и 17. На поверхности 24 видно, что ее центральная часть глухая и прилегает к компрессору, а по ее окружности сделаны отверстия, ведущие в трубы 40, выходящие уже на стороне поверхности 17. Через эти трубы воздух поддувается в коллектор 1 (см. рисунок 1: проходы 18). На поверхности 17 видны отверстия выхода трубок, по которым воздух проходит от компрессора 16 (см. рисунок 01) к коллектору 1; видны также отверстия 19, пропускающие газы от ведущей турбины к выходу 8 (см. рисунок 1) по трубкам 40.

На рисунке 6 показана одна из возможностей монтажа всей установки 36 с коллектором 1, включая все части, описанные в настоящем патенте на рисунках 1 и 2. На рисунке 6 установка 36 расположена в центре параболы с задней ее части. Солнечные лучи 38 падают на всю поверхность параболы, которая фокусирует лучи в рефлекторе 37, который, в свою очередь, направляет сфокусированные лучи в центр параболы, где как раз располагается коллектор 1. Можно также расположить всю установку с коллектором в прямом фокусе параболы.

Еще раз заметим, что на рисунке 6 показан лишь один из вариантов монтажа установки на параболе.

ОПИСАНИЕ

КОЛЛЕКТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ТУРБИНОЙ ИЛИ С ТУРБОКОМПРЕССОРОМ - это турбинный солнечный, коллектор где турбина работает на потоке воздуха, нагретого солнечным излучением от коллектора параболы или гелиостатов. Предусмотрена также возможность работы турбины при помощи других рабочих тел.

На турбину поступает воздух от коллектора (инновация данного коллектора заключается в его конфигурации, представляющую собой конусообразную спираль), который получает необходимое количество солнечного излучения или энергии, в зависимости от требуемой мощности (в киловаттах). При требуемой мощности ниже пятнадцати киловатт будет целесообразнее установить коллектор на параболе соразмерной площади и требуемой тепловой энергии. Производимая мощность (в кВт) увеличивается при установке на параболе больших размеров и большего диаметра. При потребности увеличить еще больше производимую мощность (в кВт) идеальным вариантом для нагревания воздуха, который поступает от компрессора в коллектор и подается на турбину, будет использование определенного количества гелиостатов, и тогда коллектор, турбина и остальные составляющие монтируются на вышке. Такая турбина отличается от уже известных изменением самой идеи механического действия, что и определяет шаг вперед в развитии турбин. Если в проекте, который бы включал турбину, представленную в этом патенте, предусматривается возможность использования для турбины таких рабочих тел, как природные органические топлива, водород или топлива из биомассы, идеальным вариантом все же остается нагревание воздушного потока энергией солнечного излучения. Представлены три модели турбины и коллектор, являющихся предметом настоящего патента: первая с наружным компрессором; другая, где компрессор является составной частью турбины, но поток воздуха от ведущей турбины подается к компрессору, что детально описывается на рисунках; и третья модель, когда турбина для коллектора заменяется на турбокомпрессор. В любом случае, каждая модель располагает усовершенствованным коллектором, трубы которого в виде кольца или квадрата представляют собой конусообразную спираль, а новизна турбины, в принципе работы которой сохраняется термодинамический цикл Брайтона в том, что кроме обычных ее составных в нее входит рекуператор. Этим данная турбина отличается от всех уже известных до настоящего времени.

Надо отметить, что турбина и коллектор, каждый в отдельности, могут устанавливаться с разными коллекторами и турбинами и монтироваться, как на это уже указывалось, вместе или по отдельности.

С другой стороны, ввиду новизны коллектора и его повышенной эффективности, для установок мощности менее 15 кВт в целях снижения себестоимости производимого продукта можно установить вместо турбины турбокомпрессорный агрегат, который отличается тем, что обходится очень дешево и может быть встроен в установки с усовершенствованным солнечным коллектором.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основная идея изобретения заключается в двух элементах, которые составляют одно целое и могут использоваться каждый отдельно. Это турбина или турбокомпрессор (для установок небольшой мощности в ватт) и коллектор, которые каждый в отдельности состоят из разных элементов, а взятые вместе представляют одну целую установку. Коллектор имеет коническую конфигурацию спиральной формы, когда труба одного витка не отбрасывает тень на следующий виток, и солнечное излучение падает на поверхность труб каждого витка, при этом витки соединены между собой таким образом, чтобы разогретый солнечным излучением воздух внутри конуса спирали не смог выйти через эти соединения. В зависимости от расположения коллектора, последний может быть снабжен прозрачным защитным экраном. Поверхность коллектора, на которую не падает солнечное излучение, заполнена керамическим материалом, сохраняющим температуру в трубках коллектора. Поверх керамического материала идет слой термоизоляции. В зависимости от вида монтажа коллектора вместе с ведущей турбиной, входное отверстие наружной части коллектора - части большего диаметра, на которую солнечное излучение попадает сразу, может направляться на наружный компрессор, подающий воздух в коллектор, который получает солнечное излучение, отраженное параболой или гелиостатами, а трубы, ведущие на выход - самая внутренняя часть или край последнего витка, к прямой антитурбулентной трубе, длина которой в шесть раз больше ее диаметра, причем внутри трубы, если это необходимо, устанавливаются лопасти для избежания турбулентности на входе к турбине сразу после выхода из последнего витка спирали коллектора. Если в турбину встроен компрессор, то входная труба коллектора соединяется с компрессором трубкой, изолированной от воздействия наружного воздуха. В обоих случаях поток нагревается энергией солнечного излучения больше в трубках изнутри конусообразной спирали по мере его прохода от входа в коллектор до выхода, где уже достигает очень высокой температуры в пределах требуемой мощности (в кВт). Так как в коллекторе турбина может монтироваться и демонтироваться, то трубки коллектора могут идти спирально не только в виде колец или прямоугольника, но и иметь любую другую форму, которая бы позволяла получать максимально возможное солнечное излучение. В приведенном примере с коллектором в виде конусообразной спирали нагреваемым рабочим телом является воздух, тем не менее в случае турбины, описываемой в данном патенте, для нагревания могут быть использованы и другие рабочие тела (вода, гелий и т.д.) в зависимости от типа механического генератора.

Турбина разделяется на несколько частей. Ниже дается описание принципа действия самых важных ее частей и указывается их предназначение:

Сверху или снизу задней части турбины в зависимости от расположения турбины, а точнее в части турбины на входе воздуха, поглощаемого компрессором, в случае если компрессор вмонтирован, будет целесообразно установить фильтр для очищения нагнетаемого компрессором воздуха от примесей: сжатый воздух поступает в элемент, состоящий из двух поверхностей и серединной части. Назовем одну поверхность «А» - со стороны компрессора, а другую - поверхность «Б» - со стороны выхода потока воздуха от ведущей турбины. На обеих поверхностях по всей окружности каждой просверлены отверстия, где проходят соединяющие обе поверхности тонкие трубки, пропускающие поток сжатого воздуха от компрессора. Турбинный поток воздух в эти трубы не попадает. На поверхности «А» отверстия и трубки расположены только по окружности, а внутренняя часть круга поверхности «А» глухая, не сообщающаяся ни с каким элементом. На поверхности «Б», расположенной со стороны ведущей турбины и турбинного потока воздуха, есть выступающая часть, перекрывающая сообщение трубок, по которым воздух проходит от компрессора к приемнику турбинного потока. За этой выступающей частью на поверхности «Б» по ее внутреннему радиусу есть отверстия, по которым поток воздуха от турбины попадает в серединную часть между поверхностями «А» и «Б», т.е. высокотемпературный воздух от турбины проходит через эти отверстия. В то же время отработанные газы, когда идут на выход, отдают свое тепло трубкам, по которым проходит воздух от компрессора к коллектору, а трубки передают это тепло сжатому воздуху и, кроме того, еще нагревают глухую часть поверхности «А» - со стороны, где проходит сжатый воздух от компрессора, и далее по пути трубкам, по которым воздух проходит к коллектору - таким образом можно пытаться максимально использовать горячий воздух, выходящий из турбины. Важно выделить как определение, что эти трубки являются системой сообщения сжатого воздуха с коллектором. При этом трубки могут иметь любую форму при условии, что их количество и внутренний их диаметр не станут дросселировать воздух. Поверхности «А» и «Б», трубки и в конечном счете любая съемная и несъемная механическая часть должны быть выполнены из стойкого к действию высоких температур сплава с низким коэффициентом теплового расширения, а также стойкого к коррозии при действии на него составных частей воздуха как кислород и т.д. На соединяющей турбину с компрессором оси расположена герметичная камера, а именно в том месте, где ось проходит через теплообменнику поверхностями «А» и «Б». В герметичной камере компрессор снабжен лопастями, от которых какая-то часть воздуха, рассчитанная для охлаждения, поступает на ведущую турбину. Турбина получает, а не втягивает этот холодный воздух из компрессора и своими внутренними лопастями гонит его к выходу газов.

Хоть коллектор и турбина состоят из множества деталей, выделим четыре элемента, соединяющих между собой главные составляющие:

- камера компрессора, которая соединяется с серединной частью, выполняющей функцию теплообменника, и служит для выхода горячих газов;

- теплообменник, примыкающий к камере, закрывающей ведущую турбину;

- ведущая турбина, соединенная с коллектором и сам коллектор.

Кинетическая энергия, производимая ведущей турбиной, приводит в движение компрессор, а сама ось приводит в движение генератор.

Приведенное описание действия турбины можно таким же образом адаптировать и к турбокомпрессорам в тех случаях, когда применяются турбокомпрессоры. Если используется установленный снаружи червячный компрессор или любой другой, то действие на генератор производит непосредственно ведущая турбина без посредства компрессора. В этом случае будут действовать два теплообменника для разогревания потока: один будет расположен на выходе газов, а другой, сообщаясь с первым, будет расположен на входе воздуха ранее описанного солнечного коллектора (воздух, нагнетаемый в коллектор от установленного снаружи компрессора). Для всего, описанного выше, коллектор может получать энергию солнечного излучения от параболических коллекторов или зеркал. Установка из коллектора, турбины или турбокомпрессора, компрессора и генератора может монтироваться как на параболе, так и на вышке.

ОПИСАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

Так как существуют две схемы данного проекта - встроенный компрессор или компрессор, установленный вне оси турбины; использование параболы или вышки, оптимальными вариантами могут быть следующие два. Первый вариант - установка на вышке, высота которой рассчитывается таким образом, чтобы не появлялась тень при проекции гелиостатами отраженного солнечного излучения. Вторым оптимальным вариантом, предусмотренным для некрупномасштабного производства, будет монтаж установки в фокусальном центре солнечного излучения от параболы. В случае первого варианта необходимо провести строительные работы для выполнения на определенной высоте платформы под генератор, турбину и коллектор. При этом трубки должны быть небольшого сечения (в мм) кольцевые или квадратные и выполнены из материала с высокой теплопроводностью, огнеупорного, с самым низким коэффициентом теплового расширения. Все это необходимо для лучшей передачи тепла энергии солнечного излучения материалу элементов, по которым должен проходить поток воздуха или других рабочих тел. В данном проекте речь идет о потоке воздуха. Трубки должны иметь форму конусообразной спирали, где витки идут один за другим так, чтобы на каждый из них попадало солнечное излучение. Каждый последующий виток будет меньше предыдущего по диаметру до самого выхода, подсоединенного к входу на турбину, и где отходит трубка на вход коллектора, т.е. к первому его витку, который должен сообщаться с выходом из компрессора. Конусообразная спираль коллектора должна располагаться под углом так, чтобы солнечное излучение, отраженное гелиостатами, фокусировалось в последнем витке, совпадающем с точкой сообщения коллектора с турбиной. Таким образом, первый наружный виток конусообразной спирали коллектора будет разогрет до высокой температуры, которая будет повышаться с каждым последующим витком до выхода, где температура снижается и может достигать 1200°C. К коллектору присоединяется турбина или турбокомпрессор. Согласно описанию, представленному в настоящем патенте, данные турбина или турбокомпрессор должны выполнять следующие требования: пропускать поток воздуха разогретого энергией солнечного излучения и трубками для сжатого воздуха, соединенными с входом в коллектор, это в случае, когда компрессор встроен в турбину, а в случае турбокомпрессора, компрессор уже в нем предусмотрен. Отработанные газы выходят через выход в вышке, на которой размещается установка. Идеальный вариант вышки в этом случае - вышка полая внутри. Таким образом, горячие отработанные газы поднимаются вверх из-за разницы температуры с наружным воздухом, что приводит к циркуляции воздуха, вследствие чего происходит охлаждение элементов вышки. На выходе из турбины, когда воздух проходит между трубок, по которым идет сжатый воздух от компрессора к коллектору, с целью максимального использования тепла горячий воздух может быть использован на теплообменниках воздух/рабочее тело (масло, соль и т.д.) для аккумулирования или производства in situ энергии в темное время или для получения водорода с помощью пара и части электроэнергии, полученной в пик солнечного излучения. В случае вышки солнечное излучение принимают предпочтительно гелиостаты, позволяющие регулировать направление сконцентрированного пучка излучения. Для решения для меньшего производства другим оптимальным вариантом при тех же составляющих установки, что и в случае ее монтажа на вышке, является монтаж установки на параболе. В этом случае коллектор располагается в точке фокуса отраженного излучения. К коллектору подсоединяются минитурбина и генератор переменного и постоянного тока. Такой вариант установки оптимален в случаях необходимости получения энергии в пределах 15 кВт. Если требуется получать энергию свыше 15 кВт, лучше предпочесть вариант монтажа установки на вышке.

Реферат

Солнечный коллектор с турбиной или турбокомпрессором для приема солнечного излучения содержит коллектор (1) в форме конусообразной спирали, содержащий трубки круглого или квадратного сечения, причем радиус предыдущего витка трубок больше последующего, так что тень предыдущего витка не падает на последующий, и витки плотно прилегают друг к другу без зазоров между ними вплоть до последнего витка, соединенного с трубкой, питающей ведущую турбину (4); и содержит вход (6) для поступления сжатого воздуха из компрессора (16), содержит защиту указанного коллектора (1), покрывающую его поверхность и поверхность трубок (18) и различные инжекторы (30) для производства тепла посредством инжекции газов, содержит ведущую турбину (4), на которую поступает воздух, разогретый в коллекторе (1) энергией солнечного излучения или другими видами топлива, указанная турбина содержит теплообменник, отделяющий ведущую турбину (4) от компрессора (16), содержит промежуточную секцию, разделяющую компрессор (16) и ведущую турбину (4), с центральным проходом для размещения оси (9) в полости воздухонепроницаемой трубки, по которой лопастями (22) компрессора (16) направляется поток воздуха из окружающей среды наружной температуры по направлению к лопаткам ведущей турбины (4), охлаждая их, а центральными лопастями (21) ведущей турбины воздух выбрасывается наружу, где он смешивается с потоком воздуха, продвигающимся на выход (8). Изобретение должно обеспечить получение кинетической энергии, используя солнечное излучение, отраженное с помощью гелиостатов или параболы, предусматривая возможность работы на другом топливе при отсутствии солнечного излучения. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула