GR20160200083U

GR20160200083U - Digital control system practicable for enclosed solar chimney-equipped power generation stations

Info

Publication number: GR20160200083U
Application number: GR20160200083U
Authority: GR
Inventors: Χρηστος Δημητριου Παπαγεωργιου
Original assignee: Χρηστος Δημητριου Παπαγεωργιου
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2017-10-23

Abstract

Novelty: a digital control system practicable for confined power generation station equipped with solar chimney is disclosed. Purpose: to maximize power generation in said power generation station via a decision algorithm. Constitution: the greenhouse (solar collector) enclosed by the airproof wall (1.3) whereon there are placed-inside proper openings-the power- generating units of the solar station, which units are composed of the air turbine (2.1) and the power generation engine (2.2). Being composed of electrically-operated systems (2.3) blocking the air of the turbines, said control system opens or closes by wired commands sent from a microcomputer which is liable to receive, in a wired mode, the indications of the sensors measuring the velocity of the air ingressing the turbine and the yielded electric power of the respective power-generating engine as well; furthermore, said control system sends, via a logic decision algorithm, the proper commands for the actuation and closure of some electrically-operated systems meant to block air and actuate or interrupt the operation of the respective power-generating engine.

Description

ΣΥΣΤΗΜΑ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΕΡΙΚΛΕΙΣΤΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΜΕ ΗΛΙΑΚΗ SOLAR CLOSED STATION DIGITAL CONTROL SYSTEM

ΚΑΜΙΝΑΔΑ CHIMNEY

Ο περίκλειστος ηλεκτροπαραγωγικός σταθμός με ηλιακή καμινάδα αποτελείται βασικά από ένα κυκλικό ή πολυγωνικό θερμοκήπιο (ηλιακός συλλέκτης) με διαφανή οροφή που περικλείεται από αεροστεγές τοίχωμα και μια κυλινδρική ηλιακή καμινάδα που υψώνεται στο κέντρο του θερμοκηπίου του. Οι αεροστρόβιλοι του ηλεκτροπαραγωγικού σταθμού είναι τοποθετημένοι σε κατάλληλα κυκλικά ανοίγματα επί του περιμετρικού τείχους που περικλείει το θερμοκήπιο The enclosed solar chimney power plant basically consists of a circular or polygonal greenhouse (solar collector) with a transparent roof enclosed by an airtight wall and a cylindrical solar chimney rising in the center of its greenhouse. The wind turbines of the power plant are placed in suitable circular openings on the perimeter wall that encloses the greenhouse

Η διαφανής στέγη του περίκλειστου θερμοκηπίου (1.1) κατά τα γνωστά, αφήνει την ηλιακή ακτινοβολία να διέλθει ώστε να θερμαίνεται το έδαφος του θερμοκηπίου και μέσω αυτού θερμαίνεται και ο αέρας που είναι μέσα στο θερμοκήπιο ενώ συγχρόνως δεν επιτρέπει την διέλευση της θερμικής ακτινοβολίας του θερμαινόμενου εδάφους προς το διάστημα. The transparent roof of the enclosed greenhouse (1.1) as is well known, allows solar radiation to pass through to heat the soil of the greenhouse and through it the air inside the greenhouse is also heated, while at the same time it does not allow the passage of the thermal radiation of the heated soil towards space.

Ο θερμός αέρας του θερμοκηπίου απάγεται διά της ηλιακής καμινάδας (1.2) προς τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας και ανανεώνεται από ίση ποσότητα φρέσκου αέρα που εισέρχεται από την ανοίγματα του περιμετρικού τοιχώματος (1.3) που περιβάλλει το θερμοκήπιο. Ο φρέσκος αέρας που εισέρχεται από τα ανοίγματα κινείται προς το κέντρο της ηλιακής καμινάδας, θερμαίνεται και αυτός με την σειρά του και απάγεται από την ηλιακή καμινάδα κτλ. The hot air of the greenhouse is drawn through the solar chimney (1.2) to the upper layers of the atmosphere and renewed by an equal amount of fresh air entering from the openings of the perimeter wall (1.3) that surrounds the greenhouse. The fresh air that enters through the openings moves towards the center of the solar chimney, it is heated in turn and is taken away from the solar chimney, etc.

Τα ρεύματα του φρέσκου αέρα, που εισέρχονται στο θερμοκήπιο από τα ανοίγματα του περιμετρικού τοιχώματος, περιστρέφουν τους αντίστοιχους αεροστρόβιλους (2.1), . Οι αεροστρόβιλοι περιστρέφουν τις ηλεκτρογεννήτριες (2.2) με τις οποίες είναι συνδεδεμένοι, οι οποίες παράγουν τελικά την ηλεκτρική ενέργεια του σταθμού. The currents of fresh air, entering the greenhouse from the openings of the perimeter wall, rotate the respective air turbines (2.1), . The wind turbines rotate the electric generators (2.2) to which they are connected, which ultimately produce the station's electricity.

Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται αποδίδεται σε παρακείμενο ηλεκτρικό δίκτυο συνήθως μέσω κατάλληλου ηλεκτρικού υποσταθμού. The electricity produced is delivered to an adjacent electrical grid usually through a suitable electrical substation.

Έτσι ο περίκλειστος σταθμός με ηλιακή καμινάδα είναι μια ηλιοθερμική διάταξη που μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια κατ’ αρχήν σε θερμική (θερμαίνοντας το έδαφος και δια αυτού τον αέρα του θερμοκηπίου). Στη συνέχεια, με την απαγωγή του θερμού αέρα δια της ηλιακής καμινάδας, δημιουργούνται εισερχόμενα ρεύματα αέρα που περιστρέφουν τους αεροστρόβιλους και τις ηλεκτρογεννήτριες μετατρέποντας μέρος της θερμικής ενέργειας του αέρα του θερμοκηπίου σε ηλεκτρική. Thus, the enclosed station with a solar chimney is a heliothermal device that converts solar energy in principle into thermal energy (heating the ground and thereby the air of the greenhouse). Then, by exhausting the hot air through the solar chimney, inflows of air are created that spin the wind turbines and generators, converting some of the thermal energy of the greenhouse air into electricity.

Με τους περίκλειστους σταθμούς με ηλιακή καμινάδα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ως αεροστροβίλους συνήθεις αξονικούς εξαεριστήρες (axial air fans) που περιστρέφονται από ηλεκτρικούς κινητήρες ώστε να δημιουργούν ρεύματα αέρος. Οι μηχανές αυτές χρησιμοποιούνται με αντίστροφη λειτουργία, δηλαδή ρεύματα του αέρα περιστρέφουν τους αεροστρόβιλους και αυτοί με την σειρά τους ηλεκτρικές μηχανές που παράγουν τελικά ηλεκτρική ενέργεια. With the enclosed solar chimney stations we can use as air turbines ordinary axial fans (axial air fans) that are rotated by electric motors to create air currents. These machines are used in reverse operation, i.e. currents of air rotate the air turbines and they in turn electric machines that ultimately produce electricity.

Η εύρεση των κατάλληλων αεροστροβίλων μπορεί να γίνει επιλέγοντας την διάμετρο των ανοιγμάτων και την ποσότητα του αέρα που διέρχεται μέσω αυτών, όπως υπολογίζεται θεωρητικά από το θερμικό μοντέλο της λειτουργίας του θερμοκηπίου του ηλιακού σταθμού, ώστε τα μεγέθη αυτά να αντιστοιχούν στα ονομαστικά μεγέθη του επιλεγόμενων αξονικών εξαεριστήρων. Finding the suitable wind turbines can be done by choosing the diameter of the openings and the amount of air passing through them, as calculated theoretically from the thermal model of the operation of the greenhouse of the solar plant, so that these sizes correspond to the nominal sizes of the selected axial ventilators.

Με τον τρόπο αυτό αποφεύγεται και η χρήση ενδιάμεσων κιβωτίων ταχύτητας αφού από την κατασκευή τους οι μονάδες των υπαρχόντων στην αγορά αξονικών εξαεριστήρων, λειτουργούν σε συνθήκες μεγίστης απόδοσης για τη ονομαστική τους παροχή και την συχνότητα περιστροφής της συνδεδεμένης ηλεκτρικής μηχανής τους. In this way, the use of intermediate gearboxes is also avoided since, since their construction, the units of axial ventilators on the market operate at maximum efficiency for their nominal output and the rotation frequency of their connected electric machine.

Συνήθως επιλέγουμε ως ονομαστική τιμή παροχής αέρα για τον αεροστρόβιλο, την ποσότητα του αέρα σε κάθε άνοιγμα, κατά τις συνθήκες της μεγίστης ηλιοθερμικής απόδοσης του σταθμού, η οποία επιτυγχάνεται κατά τις μεσημβρινές ώρες μιας αντιπροσωπευτικής μέρας του καλοκαιριού. We usually choose as the nominal value of air supply for the wind turbine, the amount of air at each opening, under the conditions of the maximum solar thermal efficiency of the station, which is achieved during the midday hours of a representative summer day.

Εάν οι αεροστρόβιλοι του σταθμού λειτουργούσαν πάντοτε με την επιλεγμένη παροχή του θερμού αέρα, η αρχική επιλογή του θα εξασφάλιζε την συνεχή λειτουργία του σε συνθήκες μεγίστης απόδοσης των αεροστροβίλων του . If the station's wind turbines were always operating at the selected supply of hot air, its initial selection would ensure its continuous operation at the maximum efficiency of its wind turbines.

Όμως η ταχύτητα του αέρα που διαφεύγει από την ηλιακή καμινάδα και επομένως και η παροχή του αέρα σε κάθε άνοιγμα, μεταβάλλεται όχι μόνον κατά την διάρκεια του ημερήσιου κύκλου αλλά και κατά την διάρκεια του ετήσιου κύκλου, καθώς εξαρτάται από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο, την ικανότητα θερμικής αποθήκευσης και τις θερμικές απώλειες από το θερμοκήπιο, που εξαρτώνται από τις εξωτερικές στοχαστικά μεταβαλλόμενες ατμοσφαιρικές συνθήκες (δηλαδή κυρίως εξωτερική θερμοκρασία και υγρασία, την νέφωση και τους εξωτερικούς ανέμους κτλ). Έτσι η ταχύτητα και η ποσότητα του αέρα που εξέρχεται από την ηλιακή καμινάδα συνεχώς μεταβάλλεται άρα μεταβάλλεται αντιστοίχως και η ποσότητα αέρος που εισέρχεται από τα ανοίγματα στα οποία βρίσκονται οι αεροστρόβιλοι του σταθμού. Όταν οι αεροστρόβιλοι λειτουργούν έξω από την περιοχή της βέλτιστης απόδοση τους η ηλεκτροπαραγωγή τους μπορεί να ελαττωθεί σημαντικά. Αυτό σημαίνει ότι εάν η ποσότητα του αέρα που διαφεύγει από την ηλιακή καμινάδα μοιραστεί σε λιγότερους αεροστρόβιλους ώστε να καθένας τους να περιστρέφεται με την παροχή που να αντιστοιχεί στην περιοχή της βέλτιστης λειτουργίας του η συνολική ηλεκτροπαραγωγή από τον σταθμό είναι η μεγαλύτερη δυνατή για τις δεδομένες συνθήκες. But the speed of the air that escapes from the solar chimney and therefore the air supply to each opening, changes not only during the daily cycle but also during the annual cycle, as it depends on the intensity of the solar radiation in horizontal level, the thermal storage capacity and the thermal losses from the greenhouse, which depend on the external stochastically changing atmospheric conditions (ie mainly external temperature and humidity, cloudiness and external winds, etc.). Thus, the speed and quantity of air coming out of the solar chimney is constantly changing, so the quantity of air entering through the openings where the station's wind turbines are located also changes accordingly. When wind turbines operate outside of their optimum efficiency range their power generation can be significantly reduced. This means that if the amount of air that escapes from the solar chimney is divided into fewer wind turbines so that each of them rotates with the output corresponding to the region of its optimal operation, the total power generation from the station is the greatest possible for the given conditions .

Η παρούσα εφεύρεση αποβλέπει ακριβώς σε αυτό, δηλαδή να εξασφαλίσει την δυνατότητα μεγίστης ηλεκτροπαραγωγής των περίκλειστων σταθμών με ηλιακή καμινάδα εξασφαλίζοντας για κάθε περίπτωση την λειτουργία του αναγκαίου αριθμού αεροστροβίλων ώστε να λαμβάνουν την κατάλληλη παροχή αέρα, ώστε να εξασφαλίζεται η βέλτιστη λειτουργίας τους. The present invention aims at exactly this, i.e. to ensure the possibility of maximum power generation of the enclosed solar chimney plants by ensuring for each case the operation of the necessary number of air turbines to receive the appropriate air supply, so as to ensure their optimal operation.

Αυτό επιτυγχάνεται με την βοήθεια ενός συστήματος ψηφιακού ελέγχου που αποτελείται από : This is achieved with the help of a digital control system consisting of:

• Ένα σύνολο από ηλεκτροκίνητα τηλεχειριζόμενα συστήματα φραγής του ρεύματος αέρα, που εγκαθίστανται στην εξωτερική επιφάνεια του τοιχώματος των κυκλικών ανοιγμάτων που είναι τοποθετημένοι οι αεροστρόβιλοι ηλεκτροπαραγωγής (2.3) • A set of electrically operated remotely controlled air flow blocking systems, installed on the outer surface of the wall of the circular openings where the wind turbines are mounted (2.3)

• Ένα σύνολο από αισθητήρες μετρητές της παροχής αέρα και της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος που συνοδεύουν κάθε αεροστρόβιλο • A set of sensors measuring the air supply and electrical power produced accompanying each turbine

• Ένα ηλεκτρονικό σύστημα με μικροϋπολογιστή, στο οποίο θα διαβιβάζονται οι ψηφιακές ενδείξεις των αισθητήρων (με σύρμα ή οπτική ίνα) και το οποίο με ένα εγκατεστημένο αλγόριθμο απόφασης θα αποστέλλει τις ενσύρματες ηλεκτρικές εντολές, που θα καθορίζουν πόσα και ποια συστήματα φραγής του αέρα θα κλείνουν ή θα παραμένουν ανοικτά όπως και οι αντίστοιχες ηλεκτρογεννήτριες τους. • An electronic system with a microcomputer, to which the digital readings of the sensors will be transmitted (by wire or optical fiber) and which, with an installed decision algorithm, will send the wired electrical commands, which will determine how many and which air barrier systems will close or they will remain open as their respective generators.

• Τέλος ο μικροϋπολογιστής θα μπορεί να μεταβιβάζει με σύνδεση INTERNET σε κεντρικό σταθμό ελέγχου τις ψηφιακές ενδείξεις που λαμβάνει ώστε να πιστοποιείται η καλή λειτουργία των αεροστροβίλων και να υπάρχει δυνατότητα να δίδονται εντολές αλλαγής του αλγόριθμου απόφασης από τον κεντρικό σταθμό ελέγχου. • Finally, the microcomputer will be able to transmit with an INTERNET connection to a central control station the digital indications it receives in order to certify the good operation of the air turbines and to be able to give orders to change the decision algorithm from the central control station.

Το σύστημα αυτό είναι απαραίτητο για την αποδοτική λειτουργία του περίκλειστου σταθμού με ηλιακή καμινάδα, ώστε να μπορεί να μεγιστοποιείται συνεχώς η στιγμιαία ηλεκτροπαραγωγή του σταθμού, με βάση τις επικρατούσες εξωτερικές μετεωρολογικές συνθήκες και επομένως και η ετήσια ηλεκτροπαραγωγή του. This system is necessary for the efficient operation of the enclosed plant with a solar chimney, so that the plant's instantaneous power generation can be continuously maximized, based on the prevailing external meteorological conditions and therefore its annual power generation.

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΧΗΜΑΤΩΝ DESCRIPTION OF FIGURES

Σχήμα 1. Ενδεικτικό σχήμα περίκλειστου ηλεκτροπαραγωγικού σταθμού με ηλιακή καμινάδα Figure 1. Indicative scheme of an enclosed power plant with a solar chimney

1.1 Διαφανής οροφή του περίκλειστου θερμοκηπίου του σταθμού 1.1 Transparent roof of the enclosed greenhouse of the station

1.2 Ηλιακή καμινάδα 1.2 Solar chimney

1.3 Τοίχωμα του περίκλειστου σταθμού με τα ανοίγματα και τους αεροστροβίλους του σταθμού. 1.3 Wall of the enclosed station with the openings and the air turbines of the station.

Σχήμα 2. Ενδεικτικό σχήμα Αεροστρόβιλου με την ηλεκτρογεννήτρια και το ηλεκτρομηχανικό σύστημα φραγής του ανοίγματος του. Figure 2. Indicative scheme of an Aeroturbine with the electric generator and the electromechanical system of blocking its opening.

2.1 Αεροστρόβιλος 2.1 Air turbine

2.2 Ηλεκτρογεννήτρια 2.2 Generator

2.3 Ηλεκτρομηχανικό σύστημα φραγής αέρα 2.3 Electromechanical air barrier system

Claims

CLAIMS Digital control system of enclosed station with solar chimney characterized by:

1. It includes, among others, a set of electromechanical remote-controlled air shut-off systems (2.3) of the wind turbines (2.1) which are placed in openings in the outer wall (1.3) surrounding the greenhouse of the enclosed solar chimney station (1.2) and includes also a set of sensors that digitally records the velocity of the incoming air and the electrical power delivered by each wind turbine-generator unit and also includes a microcomputer which accepts wired commands with the digital readings of the sensors and with a logical decision algorithm, which can be varied , sends remote wired commands for which air barrier systems to close and now open along with commands to stop or start their generators accordingly

2. A digital control system of an enclosed plant with solar chimneys that includes, among others, a remote external control center with which the microcomputer of claim 1 communicates via the INTERNET and can on the one hand send the digital indications received from all wind turbine-generator units and on the other hand, it can receive commands to modify the logical decision algorithm