Генерирующая установка с двигателем стирлинга

Изобретение относится к энергетике. Генерирующая установка содержит двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга и нагреватель двигателя Стирлинга. Установка снабжена солнечной башенной электростанцией с зеркалами. Нагреватель двигателя Стирлинга расположен на вершине башни солнечной башенной электростанции с зеркалами. Зеркала выполнены с возможностью слежения за Солнцем и отражения солнечных лучей на нагреватель двигателя Стирлинга. Установка снабжена выпрямительным и инверторным блоками, регулятором и датчиком температуры рабочего тела в нагревателе двигателя Стирлинга. Выход датчика температуры соединен с входом регулятора. Выход регулятора соединен с управляющими входами выпрямительного и инверторного блоков. Силовой выход электрогенератора соединен с силовым входом выпрямительного блока. Силовой выход инверторного блока соединен с сетью потребителей. Изобретение направлено на повышение КПД установки. 1 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике, более конкретно - к возобновляемы источникам энергии на основе солнечных башенных электростанций.

Известны устройства (аналоги) - солнечные башенные электростанции на основе реализации цикла Ренкина с использованием расположенных на большой площади следящих за Солнцем плоских зеркал, отражающих солнечные лучи на центральный приемник (котел), помещенный на вершине башни (Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1990. Стр.134-136).

В таблице приведены основные характеристики некоторых созданных в мире солнечных башенных электростанций с реализацией цикла Ренкина.

Характеристики	Название солнечной башенной электростанции с циклом Ренкина
Solar-1 (Барстоу, США)	СЭС-5 (Крым, СССР)	THEMIS (Таргасонн, Франция)	Eurelios (Андрано, Италия)	CESA-1 (Альмерия, Испания)	CRS(Альмерия, Испания)
Форма поля	Эллипс	Круг	Сектор	Сектор	Сектор	Сектор
Электрическая мощность, МВт	10	5	2.5	1	1.2	0.5
Суммарная площадь зеркал, тыс.м2	73.2	40	10.8	6.2	11.4	3.7
Число зеркал (гелиостатов)	1818	1600	201	70	300	93
Площадь гелиостата, м2	40.3	25.5	53.7	53.7	38	39
Коэффициент отражения зеркал	0.9	0.71	0.9	0.77	0.87	0.91
Высота башни, м	91	89	101.5	55	60	43
Тип приемника (котла)	Отрытый цилиндр	Отрытый цилиндр	Полостной	Полостной	Полостной	Полостной
Площадь приемника, м2	294	154	16	16	11.6	9.7
Температура приемника,°С	516	250	505	512	520	530
Полный КПД	0.137	0.125	0.231	0.161	0.105	0.135

Недостаток устройств-аналогов - низкая эффективность, заключающаяся, как следует из последней строки таблицы, в низком КПД. Полный реальный КПД определяется для солнечного ясного полдня при плотности потока солнечного излучения G=1 кВт/м² по формуле: η= $$\frac{P}{G\cdot S},$$ Р[кВт] - электрическая мощность по второй строке таблицы, 8[м²] - суммарная площадь зеркал по третьей строке таблицы. Например, для СЭС-5 η= $$\frac{P}{G\cdot S}=\frac{5000}{1\cdot 40000}=\mathrm{0.125.}$$

Известна когенерационная установка, содержащая двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, гидролинии, систему охлаждения двигателя Стирлинга с насосом, камеру сгорания двигателя Стирлинга, теплообменник для передачи тепловой энергии потребителям, теплообменники утилизации теплоты систем охлаждения двигателя Стирлинга, отработанных газов, газофикатор, магистраль генераторного газа, магистраль отработанных газов, двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на одном валу с ним, дополнительные системы охлаждения, утилизации теплоты. (Жаров А.В., Павлов А.А. Когенерационная установка с двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга. Патент РФ №2440504, опубл. 20.01.2012)

Данная установка-прототип обладает тем недостатком, что использует для своей работы углеводородное топливо различных видов, следствием чего всегда является выброс в окружающую среду углекислого газа, что ухудшает экологическую обстановку среды.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении эффективности солнечных башенных электростанций при одновременном улучшении экологической обстановки среды путем исключения выброса в окружающую среду углекислого газа при работе устройства.

Технический результат, заключающийся в повышении КПД солнечных башенных электростанций» достигается тем, что в известной генерирующей установке, содержащей двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга и нагреватель двигателя Стирлинга, согласно изобретению, нагреватель двигателя Стирлинга помещен на вершине башни солнечной башенной электростанции с зеркалами, которые выполнены с возможностью слежения за Солнцем и отражения солнечных лучей на нагреватель двигателя Стирлинга, при этом установка снабжена выпрямительным и инверторным блоками, регулятором, датчиком температуры рабочего тела в нагревателе двигателя Стирлинга, выход которого соединен с входом регулятора, выход последнего соединен с управляющими входами выпрямительного и инверторного блоков, силовой выход электрогенератора соединен с силовым входом выпрямительного блока, а силовой выход инверторного блока соединен с сетью потребителей. На чертеже представлен общий вид генерирующей установки, содержащей двигатель Стирлинга 1 с электрогенератором 2 на одном валу, систему охлаждения 3 двигателя Стирлинга и нагреватель 4 двигателя Стирлинга. Нагреватель 4 двигателя Стирлинга помещен на вершине башни 5 солнечной башенной электростанции, а расположенные на большой площади зеркала 6 выполнены с возможностью слежения за Солнцем и отражения солнечных лучей 7 на нагреватель 4 двигателя-Стирлинга, при этом электрогенератор 2 снабжен выпрямительным 8 и инверторным 9 блоками, регулятором 10 скорости вращения электрогенератора 2, датчиком 11 температуры рабочего тела в нагревателе 4 двигателя Стирлинга, выход которого соединен с входом регулятора 10, выход последнего соединен с управляющими входами 12 и 13 соответственно выпрямительного 8 и инверторного 9 блоков, силовой выход 14 электрогенератора 2 соединен с силовым входом 15 выпрямительного блока 8, а силовой выход 16 инверторного блока 9 соединен с сетью 17 потребителей. К цепи между выпрямителем 8 и инвертором 9 подключена аккумуляторная батарея 18.

Генерирующая установка работает следующим образом.

При нормальной работе плотность потока солнечного излучения в течение дня меняется по синусоидальному закону, т.е. в периоды восхода и заката плотность потока солнечного излучения имеет минимальное значение, а в солнечный полдень - максимальное значение, характерное для данного времени года (на плотность потока солнечного излучения влияет и облачность). По мере нарастания плотности потока солнечного излучения после восхода Солнца нарастает температура нагревателя 4 двигателя Стирлинга 1. Нагреватель 4 двигателя Стирлинга 1, помещенный на вершине башни 5 солнечной башенной электростанции, нагревается расположенными на большой площади зеркалами 6, следящими за Солнцем и отражающими солнечные лучи 7 на нагреватель двигателя Стирлинга 1.

По мере роста температуры нагревателя 4 растет температура рабочего тела в нем и тепловая мощность двигателя Стирлинга 1. Датчик 11 фиксирует температуру рабочего тела и формирует на своем выходе соответствующий сигнал, который поступает на вход регулятора 10. В простейшем случае регулятор 10 выполнен в виде функционального блока, который формирует на своем выходе сигнал задания скорости вращения электрогенератора 2 в функции температуры рабочего тела, например, по мере роста температуры рабочего тела растет и скорость вращения электрогенератора 2.

Сигнал задания скорости вращения электрогенератора 2 поступает на управляющие входы 12 и 13 соответственно выпрямительного 8 и инверторного 9 блоков, которые обеспечивают скорость вращения электрогенератора 2 в функции мощности двигателя Стирлинга 1. При этом при переменной скорости вращения электрогенератора 2 на выходе инвертора 9 обеспечивается качество электрической энергии, удовлетворяющее требованиям ГОСТ Р 54149-2010.

Особенностью некоторых типов двигателей Стирлинга является то, что в начале работы уже при достижении рабочей температуры двигатель не может стронуться с места. Для запуска в таких случаях предусмотрена возможность работы блоков 8 и 9 как в выпрямительном, так и в инверторном режимах, выполнив их на запираемых ключах, например на транзисторах. При этом, если сеть 17 выполнена автономной (т.е. не содержит других источников), для начального разворота двигателя Стирлинга к цепи между выпрямителем 8 и инвертором 9 подключена аккумуляторная батарея 18, что позволяет кратковременно электрогенератор 2 включить в двигательный режим.

Поставленная задача решена, т.к. повышена эффективность солнечных башенных электростанций применением двигателя Стирлинга, обладающего более высоким КПД (на практике до 35%) при сохранении присущей солнечным башенным электростанциям экологичности.

Генерирующая установка, содержащая двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга и нагреватель двигателя Стирлинга, отличающаяся тем, что она снабжена солнечной башенной электростанцией с зеркалами, нагреватель двигателя Стирлинга расположен на вершине башни солнечной башенной электростанции с зеркалами, которые выполнены с возможностью слежения за Солнцем и отражения солнечных лучей на нагреватель двигателя Стирлинга, при этом установка снабжена выпрямительным и инверторным блоками, регулятором, датчиком температуры рабочего тела в нагревателе двигателя Стирлинга, выход которого соединен с входом регулятора, выход последнего соединен с управляющими входами выпрямительного и инверторного блоков, силовой выход электрогенератора соединен с силовым входом выпрямительного блока, а силовой выход инверторного блока соединен с сетью потребителей.