Геоэлектростанция и способ повышения ее мощности

Авторы патента:

F24J3/08 - геотермального тепла (устройства для использования геотермальной энергии с целью получения механической энергии F03G 4/00)

F01K27/02 - предназначенные для использования различных видов тепловой энергии, например тепла трения частей двигателей, исключая тепло выхлопных газов

Владельцы патента RU 2441185:

Письменный Владимир Леонидович (RU)

Изобретение относится к теплоэнергетике. Геоэлектростанция содержит тепловую камеру, находящуюся на глубине более 1000 метров от поверхности Земли, канал подвода воздуха из атмосферы в тепловую камеру, канал отвода воздуха из тепловой камеры в атмосферу, электрогенератор, турбину привода электрогенератора, установленную на выходе из тепловой камеры. Способ повышения мощности геоэлектростанции заключается в том, что в канал подвода воздуха подается вода, например вода подается в распыленном виде через форсунки, установленные на входе в канал подвода воздуха. Геоэлектростанция преобразует внутреннюю энергию Земли в электроэнергию. Геоэлектростанция позволяет снизить себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике.

В связи с сокращением запасов углеводородных топлив во всем мире большое внимание уделяется созданию энергетических установок, в частности электростанций, использующих гидро-, солнечную, ветровую, геотермальную и другие виды возобновляемой энергии.

Известна геотермическая электростанция, преобразующая внутреннее тепло Земли в электроэнергию. Источниками глубинного тепла являются радиоактивные превращения, химические реакции и другие процессы, происходящие в Земной коре. Температура пород с глубиной растет и на уровне 2000÷300 м от поверхности Земли превышает 100°С. Рабочим телом геотермической электростанции является вода (БЭС, том 6, третье издание. М.: Советская энциклопедия, 1971, стр.324).

Известны дымовые трубы для удаления в атмосферу газообразных продуктов сгорания, например, из котельных агрегатов. Трубы создают естественную тягу, под воздействием которой воздух поступает в топку (тепловую камеру), а дымовые газы удаляются из нее (БЭС, том 8, третье издание. М.: Советская энциклопедия, 1972, стр.559).

Известны шахты по добыче золота: «Тау-тона» и «Витватерсранд», расположенные в ЮАР, глубина которых 4500 метров.

Известны электрогенераторы (БЭС, том 30, третье издание. М.: Советская энциклопедия, 1978, стр.41).

Известна газотурбинная установка с подводом тепла при постоянном давлении (Нащекин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1975, с.254, рис.18-1). Установка состоит из тепловой камеры (камеры сгорания), канала подвода воздуха из атмосферы в тепловую камеру, канала отвода воздуха (газа) из тепловой камеры в атмосферу, компрессора, установленного на входе в тепловую камеру, турбины привода компрессора и других потребителей мощности (в том числе электрогенераторов), установленной на выходе из тепловой камеры. Газотурбинная установка является наиболее близким аналогом.

Поставленная цель (преобразование тепловой энергии Земли в электрическую) достигается тем, что тепловую камеру известной газотурбинной установки размещают на глубине более 1000 м от поверхности Земли.

Сущность изобретения заключается в том, что: а) тепловая камера аккумулирует тепло Земли и передает его воздуху; б) давление (вес) воздуха в подводящем (отводящем) каналах вследствие наличия перепада высот (более 1000 м) повышается, причем в подводящем канале давление (вес) повышается больше, чем в отводящем, что связано с разной температурой воздуха в указанных каналах; г) разница давлений в подводящем и отводящем каналах создает условия для непрерывного (цикличного) движения воздушных масс, которые совершают механическую работу, преобразуемую в электроэнергию; д) термодинамические процессы, происходящие с воздухом, образуют цикл Брайтона.

Эффективность термодинамического цикла повышается, если: а) забор (выпуск) воздуха из атмосферы осуществлять на высоте более 100 метров над поверхностью Земли; б) на входе в канал подвода воздуха (при разнице температур воздуха в тепловой камере и атмосфере более 50°С) установить вентилятор (компрессор); в) стенки каналов подвода и отвода воздуха выполнить из теплоизолирующего материала; г) на выходе из канала отвода воздуха установить водовоздушный теплообменник, утилизирующий излишки теплоты.

Размеры тепловой камеры уменьшаются, если: а) тепловую камеру сделать из теплопроводящего материала, установить внутри и снаружи камеры теплообменные элементы; б) внутри тепловой камеры разместить водовоздушный теплообменник, через который пропустить геотермальные воды.

Недостатком геоэлектростанции является существенное снижение мощности при увеличении температуры атмосферного (наружного) воздуха, которое может привести к остановке станции.

Указанный недостаток устраняется, если при положительных температурах наружного воздуха (более 0°С) в канал подвода воздуха подавать воду.

Сущность изобретения (способа повышения мощности геоэлектростанции) заключается в том, что в термодинамическом цикле появляется дополнительный «холодильник» - само рабочее тело, а точнее вода, которая испаряется и становится составной частью воздуха, участвующего в термодинамических процессах (в конечном счете, вода вместе с поглощенной теплотой удаляется в атмосферу). Испарение воды сопровождается понижением температуры воздуха в процессе его сжатия. Это позволяет увеличить работу цикла по трем причинам: а) увеличивается тепловой поток, проходящий через тепловую камеру; б) увеличивается степень сжатия воздуха; в) увеличивается теплоемкость воздуха.

На фиг.1 изображена геоэлектростанция.

На фиг.2 изображен термодинамический цикл геоэлектростанции.

На фиг.3 показаны зависимости эффективной работы термодинамического цикла геоэлектростанции от внешних условий (температуры наружного воздуха и расположения тепловой камеры).

На фиг.4 изображен термодинамический цикл геоэлектростанции.

На фиг.5 показаны зависимости эффективной работы термодинамического цикла геоэлектростанции от внешних условий (температуры наружного воздуха и расположения тепловой камеры).

Геоэлектростанция (фиг.1) состоит из тепловой камеры 1, расположенной на глубине более 1000 м от поверхности Земли, канала подвода воздуха 2, канала отвода воздуха 3 (каналы установлены вертикально, соединяют тепловую камеру с атмосферой), турбины 4, установленной на выходе из тепловой камеры, электрогенератора 5, приводимого в действие турбиной 4, газовых горелок, установленных в нижней части канала 3. Корпус тепловой камеры выполнен из теплопроводящего материала (например, алюминий), внутри и снаружи корпуса имеются теплообменные элементы (например, алюминиевые пластины). Стенки каналов 2 и 3 покрыты теплоизолирующим материалом.

Геоэлектростанция (фиг.1) работает следующим образом. Воздух, находящийся в канале 3, нагревается с помощью газовых горелок. Нагретый воздух поднимается вверх и заполняет канал 3. По мере заполнения канала давление (вес) воздуха в канале 3 становится меньше давления (веса) воздуха в канале 2. В результате между входом и выходом тепловой камеры устанавливается перепад давлений, под действием которого воздух из тепловой камеры поступает в канал 3, а воздух из атмосферы - в канал 2 и далее в тепловую камеру. Горелки выключают. Движение воздуха при этом не прекращается (функцию горелок выполняет тепловая камера).

Между корпусом (теплообменными элементами) тепловой камеры и воздухом, поступающим в тепловую камеру, существует разница температур, благодаря которой внутреннее тепло Земли передается воздуху.

При прохождении канала 3 воздух попадает в турбину 4, которая преобразует часть энергии (теплосодержания) воздуха в механическую работу, которая в электрогенераторе 5 преобразуется в электроэнергию.

На фиг.2 изображен термодинамический цикл геоэлектростанции в P-V координатах. Под действием сил гравитации в канале 2 происходит адиабатическое сжатие воздуха - процесс н-к. Процесс подвода тепла в тепловой камере характеризуется изобарой к-г. Адиабатическое расширение воздуха происходит в турбине - процесс г-т и канале 3 - процесс т-в. В канале 3 воздух преодолевает сопротивление сил гравитации и совершает работу, равную той, которую эти силы совершают при сжатии воздуха в канале 2. Точка т, характеризующая состояние воздуха за турбиной, определяется из условия равенства этих работ. Процесс отвода тепла в атмосферу соответствует отрезку в-н.

На фиг.3 показаны зависимости эффективной работы термодинамического цикла геоэлектростанции Le от глубины шахты L (расположения тепловой камеры) и температуры наружного воздуха Тн.

Цикл (фиг.2) является циклом Брайтона. Эффективная работа цикла определяется по формуле

где Ср - теплоемкость воздуха;

к - показатель адиабаты;

π - степень повышения давления воздуха в канале 2;

Тг - температура воздуха в тепловой камере;

η_c, η_p - к.п.д. в процессах сжатия и расширения.

Степень повышения давления воздуха в канале 2 определяется как

Rг - газовая постоянная воздуха;

g - ускорение свободного падения;

Тх - средняя температура воздуха в канале 2.

При определении зависимостей (фиг.3) принято, что температура Земли не зависит от температуры наружного воздуха и увеличивается с удалением от поверхности Земли на 30°С на каждый километр (например, на глубине 3 км температура Земли - 90°С). Потери работы в процессах сжатия (расширения) приняты равными 5%.

Недостатком геоэлектростанции является существенное снижение эффективной работы цикла (мощности геоэлектростанции) при увеличении температуры наружного воздуха (фиг.3).

Эффективная работа цикла (мощность геоэлектростанции) повышается, если при положительных температурах наружного воздуха (более 0°С) в канал 2 (фиг.1) подавать воду.

Способ повышения мощности геоэлектростанции осуществляется следующим образом. В канал 2 (фиг.1) через форсунки, установленные на входе, подается распыленная вода. Под действием сил гравитации вода вместе с воздухом опускается вниз. При движении (смешении) водовоздушных масс происходит испарение воды с поглощением теплоты (внутренней энергии) воздуха. Процесс сжатия воздуха в этом случае является политропным.

На фиг.4 показан цикл геоэлектростанции с подачей воды в канал 2. Здесь н-к' - процесс сжатия воздуха с отбором теплоты Q₄, которая равна теплоте парообразования воды, н-к - процесс сжатия воздуха без отбора теплоты (адиабата). Темным цветом (цикл - н-к'-к-н) показано приращение работы цикла геоэлектростанции, происходящее при применении способа (подача воды в канал 2). Величина приращения работы равна разнице теплоты Q₃, которая подводится в тепловой камере в процессе к'-к, и теплоты Q₄, которая отводится (поглощается водой) в процессе сжатия воздуха н-к'. Теплота Q₄ (в скрытом виде) удаляется в атмосферу вместе с воздухом (процесс в-н).

Величина теплоты Q₄ зависит от количества воды, которое может поглотить воздух. При попадании в канал 2 воздух имеет относительную влажность, как правило, 40÷70 процентов. При движении по каналу 2 воздух поглощает воду, которая находится во взвешенном состоянии. При этом происходят два термодинамических процесса: а) сжатие воздуха с увеличением его температуры; б) испарение воды с поглощением теплоты и уменьшением температуры воздуха. В результате влагосодержание воздуха увеличивается до величины, при которой наступает насыщение воздуха водой при фактических температуре и давлении воздуха (относительная влажность 100 процентов). Дальнейшее увеличение воды уже не приводит к понижению температуры воздуха (вода выпадает в виде осадка). Появление осадка является признаком насыщения воздуха, по которому осуществляется регулирование расхода воды.

На фиг.5 показаны зависимости эффективной работы термодинамического цикла геоэлектростанции Le от глубины шахты L и температуры наружного воздуха Тн при использовании предлагаемого способа. Вода в количестве, обеспечивающем насыщение воздуха, подавалась в канал 2 (фиг.1) при температурах наружного воздуха от 0 до +30°С. Исходная относительная влажность воздуха принималась равной 50 процентам. Показатель политропы в расчетах изменялся в пределах n=1,24÷1,03; расход воды - 24÷12 г на килограмм воздуха.

Следует отметить, что при расположении геоэлектростанции (тепловой камеры) в геотермически активной зоне (например, в Исландии) ее мощность при тех же технических характеристиках существенно увеличивается.

Геоэлектростанция генерирует электроэнергию 24 часа в сутки при любых погодных условиях, не требует затрат энергии со стороны потребителя, не нарушает экологию, является безопасной, позволяет снизить себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии по отношению к известным способам ее получения.

1. Геоэлектростанция, содержащая тепловую камеру, канал подвода воздуха из атмосферы в тепловую камеру, канал отвода воздуха из тепловой камеры в атмосферу, электрогенератор, турбину привода электрогенератора, установленную на выходе из тепловой камеры, отличающаяся тем, что тепловая камера находится на глубине более 1000 м от поверхности Земли.

2. Геоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что каналы подвода и отвода воздуха установлены вертикально.

3. Геоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что стенки каналов подвода и отвода воздуха выполнены из теплоизолирующего материала.

4. Геоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что на входе в канал подвода воздуха установлен вентилятор (компрессор).

5. Геоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что забор (выпуск) воздуха из атмосферы осуществляется на высоте более 100 м над поверхностью Земли.

6. Геоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что тепловая камера выполнена из теплопроводящего материала, внутри и снаружи тепловой камеры установлены теплообменные элементы.

7. Геоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что внутри тепловой камеры находится водовоздушный теплообменник.

8. Геоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в нижней части канала отвода воздуха установлены газовые горелки.

9. Геоэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что тепловая камера расположена в геотермически активной зоне.

10. Способ повышения мощности геоэлектростанции, содержащей тепловую камеру, находящуюся на глубине более 1000 м от поверхности Земли, канал подвода воздуха из атмосферы в тепловую камеру, канал отвода воздуха из тепловой камеры в атмосферу, электрогенератор, турбину привода электрогенератора, установленную на входе в канал отвода воздуха, отличающийся тем, что в канал подвода воздуха подается вода.

11. Способ повышения мощности геоэлектростанции по п.10, отличающийся тем, что вода подается в распыленном виде через форсунки, установленные на входе в канал подвода воздуха.

12. Способ повышения мощности геоэлектростанции по п.10, отличающийся тем, что вода не осаждается в нижней части канала.

Изобретение относится к средствам извлечения геотермальной энергии массива горных пород и может использоваться для обогрева зданий и сооружений. .

Система и распределительная цистерна для сети низкотемпературной энергии // 2429428

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системе использования низкотемпературной энергии, содержащей контур коллектора, заполненного первым рабочим раствором, теплопередающий контур, заполненный вторым рабочим раствором, теплообменник, выполненный с возможностью теплопереноса между рабочими растворами контура коллектора и теплопередающим контуром.

Система автономного обогрева помещений // 2429423

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к системам теплоснабжения помещений. .

Труба и система для использования низкотемпературной энергии // 2421666

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к использованию низкотемпературной энергии земного грунта. .

Геотермальное устройство // 2406944

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для теплоснабжения на основе геотермальных источников. .

Способ и устройство для нагревания и охлаждения // 2394191

Способ теплообмена в газовых и жидких средах // 2381432

Изобретение относится к теплообменным устройствам, применяемым для передачи тепла или холода в процессах, использующих потоки жидкости или газа, и может быть использовано в системах отопления, вентиляции, в химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Способ предотвращения солеотложения при утилизации энергии геотермальных вод // 2372564

Изобретение относится к утилизации энергии геотермальных вод и может быть использовано для теплоснабжения объектов различного назначения. .

Способ термического бурения вертикальных скважин в земной коре и твердотопливный бур гашимова для его осуществления, а также способ скважинной парогенерации с использованием глубинного тепла земли // 2360095

Изобретение относится к области техники и технологии бурения вертикальных скважин в земной коре, к области скважинной геотехнологии, к области теплоэлектроэнергетики и энергетике альтернативных источников энергии.

Тепловой аккумулятор // 2359183

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в устройствах, охлаждающих жилые и иные помещения в теплый период года и нагревающих эти помещения в холодное время года.

Геотермальная энергетическая установка // 311025

Генерирующее устройство хранилища высокотемпературного термоизлучателя (варианты) // 2458228

Изобретение относится к генерирующему устройству хранилища высокотемпературного излучателя

Турбодетандерная генераторная установка и система отбора энергии потока природного газа из газопровода // 2564173

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности, турбодетандерная генераторная установка относится к генераторам электрической энергии с газотурбинным приводом и применяется в области газоснабжения для утилизации энергии потока сжатого природного газа. Назначением предлагаемой турбодетандерной генераторной установки (ТДУ), которая представляет собой электрогенератор (ЭГ) с турбодетандерным приводом (ТД), является выработка электрической энергии на основе преобразования потенциальной энергии природного газа в трубопроводе. Причем ТДУ используют на объектах газопотребления, например, на газорегуляторных пунктах (ГРП) и газораспределительных станциях (ГРС), где давление в трубопроводе на входе составляет 0,3-1,2 МПа. Полученная с помощью ТДУ электрическая мощность может использоваться для собственных нужд потребителя. Потребителем таких ГРП могут быть, например, котельные. Таким образом, ТДУ может быть использована в качестве автономного источника энергии малой мощности. Система отбора энергии потока ПГ из газопровода для ТДУ применяется в области газоснабжения для утилизации энергии потока сжатого природного газа, а также для утилизации вырабатываемого генератором тепла. Назначением этой системы является ее использование на объектах газопотребления, например, на газорегуляторных пунктах (ГРП) и газораспределительных станциях (ГРС). Кроме того, возможна установка такой системы с ТДУ методом врезки как в уже существующие магистрали и их запорную арматуру, внутри уже построенного и эксплуатирующегося ГРП (ГРС), так и установка ТДУ на этапе проектирования и строительства ГРП (ГРС) и ее монтажа. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

Система теплоснабжения и горячего водоснабжения на основе возобновляемых источников энергии // 2445554

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для теплоснабжения и горячего водоснабжения децентрализованных объектов малой мощности с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ)

Грунтовый теплообменник // 2472076

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в устройствах, охлаждающих жилые и иные сооружения в теплый период года и нагревающих эти сооружения в холодное время года

Способ посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта и скважинные теплообменники для осуществления вариантов способа // 2483255

Изобретение относится к технологиям и средствам автономного отопления объектов различного назначения с комплексным использованием, на основе скважинных циркуляционных систем закрытого типа и тепловых насосов, низкопотенциальных возобновляемых тепловых источников из окружающей среды

Система для извлечения гидротермальной энергии из глубоководных океанических источников и для извлечения ресурсов со дна океана // 2485316

Сеть для нагревания и охлаждения зданий // 2486416

Способ комплексного использования геотермального тепла с помощью пароэжекторного теплового насоса // 2528213

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в системах тепло-холодоснабжения при использовании геотермального тепла с помощью пароэжекторного теплового насоса. Сущность: охлажденный теплоноситель подается в скважину, а нагретый передает тепло потребителю при помощи пароэжекторного теплового насоса, причем тепло скважины в теплый период используют для выработки холода для нужд холодоснабжения. При снижении или отсутствии нагрузок тепло-холодоснабжения осуществляют выработку электрической энергии при помощи турбогенератора, работающего на паре хладагента - низкокипящего теплоносителя, который получают в генераторе пароэжекторного теплового насоса, при этом пары хладагента направляются на паровую турбину для выработки электрической энергии, а отработанный пар отсасывается в конденсатор пароэжекторного теплового насоса пароструйным эжектором. Такой способ позволит снизить себестоимость тепло-холодоснабжения за счет гибкого режима комплексной выработки тепловой энергии, холода и электрической энергии. 1 ил.

Петротермальная электростанция и устройство монтажа теплоотборной системы петротермальной электростанции // 2529769

Изобретение относится к области энергетики, в частности к электростанциям, работающим на базе глубинного тепла Земли. Петротермальная электростанция содержит скважину, пробуренную до глубины с температурой забоя не менее 600°С, теплоотборную систему, расположенную в скважине, содержащую паровой котел, два присоединенных к нему трубопровода, каждый из которых состоит из отдельных частей, причем части трубопровода для нагнетания воды соединены с частями паропровода для отвода пара жесткими перемычками с образованием секций, при этом часть скважины в зоне расположения парового котла с захватом зоны его разогрева, заполнена водонепроницаемым материалом, остальная часть скважины заполнена породой, поднятой на поверхность при бурении скважины с соблюдением порядка ее расположения в земной коре в месте бурения. Устройство монтажа теплоотборной системы петротермальной электростанции включает монтажную вышку с гидроподъемником, монтажный стол, выполненный в виде сварочного стола, раздвижным, с выемками, образующими в центре стола при соединении этих частей проем с возможностью продвижения через него в скважину секций теплоотборного устройства. Обеспечивает надежную работу петротермальной электростанции, повышение мощности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Геотермальное устройство // 2529850

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения производственных и жилых зданий. Геотермальное устройство включает теплообменник, сопряженный с тепловым насосом, грунтовый теплообменник, установленный в геотермальной скважине, трубопроводы, соединяющие теплообменники с образованием замкнутой системы, заполненной рабочим телом в виде жидкости, причем грунтовый теплообменник содержит опускную и подъемную трубы, сообщающиеся друг с другом в нижней зоне. Свободное пространство геотермальной скважины заполнено наполнителем с высокой дренирующей способностью, грунтовый теплообменник содержит, по меньшей мере, шесть подъемных труб, удаленных от опускной трубы на расстояние не меньше их диаметра, причем трубы грунтового теплообменника сообщены между собой посредством оголовка, при этом опускная труба выполнена с возможностью равномерного подвода к ее внешней поверхности дренирующей жидкости и наполнителя геотермальной скважины с возможностью его увлажнения. Система увлажнения наполнителя геотермальной скважины включает накопительную камеру, расположенную ниже оголовка. Технический результат выражается в повышении теплопроизводительности грунтового теплообменника и расширении области применения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.