RU2301380C2 - Powerful solar electro-thermal station - Google Patents
Powerful solar electro-thermal station Download PDFInfo
- Publication number
- RU2301380C2 RU2301380C2 RU2005123901/06A RU2005123901A RU2301380C2 RU 2301380 C2 RU2301380 C2 RU 2301380C2 RU 2005123901/06 A RU2005123901/06 A RU 2005123901/06A RU 2005123901 A RU2005123901 A RU 2005123901A RU 2301380 C2 RU2301380 C2 RU 2301380C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat exchanger
- turbine
- preliminary
- compressor
- regenerative
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к мощным солнечным электротеплостанциям (МСЭТС).The invention relates to solar engineering, in particular to powerful solar electric heat stations (MSEC).
Известна МСЭТС [1] с неподвижным сферическим зеркалом-концентратором, подвижной фермой, следящей за Солнцем, воздушным контуром открытого типа для выработки электро- и тепловой энергии, с основным теплообменником (ОТО) для выработки электроэнергии и дополнительным теплообменником (ДТО) для выработки электро- или тепловой энергии.Known MSETS [1] with a fixed spherical mirror-hub, a movable farm that monitors the Sun, an open air circuit for generating electric and thermal energy, with a main heat exchanger (GTR) for generating electricity and an additional heat exchanger (DTO) for generating electric or thermal energy.
В указанной МСЭТС ОТО имеет профиль в соответствии с уравнениемIn the specified MSETS, GR has a profile in accordance with the equation
х=cos θ - A cos 2θ-(sinθ)ctg 2θ,x = cos θ - A cos 2θ- (sinθ) ctg 2θ,
у=A sin 2θ, y = A sin 2θ,
где х, у - координаты точек профиля ОТО,where x, y are the coordinates of the points of the GR profile,
l - расстояние от центра сферы (т.е. начала координат) до вершины профиля ОТО,l is the distance from the center of the sphere (i.e., the origin) to the top of the GR profile,
θ - угол между осью симметрии ОТО, направленной на Солнце и радиусом сферы в точке падения текущего луча от Солнца, причемθ is the angle between the axis of symmetry of GR directed towards the Sun and the radius of the sphere at the point of incidence of the current ray from the Sun,
x, у, l - выражены в долях радиуса сферы, принятого за единицу.x, y, l - are expressed in fractions of the radius of the sphere, taken as a unit.
Этим же уравнением задан профиль огибающей ОТО, выполненного в виде спирального воздуховода.The same equation defines the profile of the envelope of GR made in the form of a spiral duct.
Это уравнение обеспечивает перпендикулярнность лучей от зеркала в каждой точке профиля ОТО.This equation ensures the perpendicularity of the rays from the mirror at each point in the GR profile.
Однако такой ОТО имеет низкие КПД и надежность, т.к. его стенки (в частности, в районе вершины ОТО и весь спиралевидный ОТО) не имеют достаточно тесного контакта с продуваемым воздухом-теплоносителем, а также велика вероятность расплавления верхней части ОТО (где интенсивность приходящих лучей максимальна); а также образования трещин в теле ОТО из-за сильных температурных деформаций, возникающих от быстрого и неравномерного перепада температуры (тепловой удар) в момент введения ОТО в фокальную область зеркала, в которой температура необдуваемого металла достигнет 2000°С, в то время как температура воздуха на входе турбины (и на выходной части ОТО) должна быть около 800°С.However, such a general relativity has low efficiency and reliability, because its walls (in particular, in the region of the top of the GTR and the entire spiral-shaped GTR) do not have close enough contact with the purged air-coolant, and there is a high probability of melting of the upper part of the GTR (where the intensity of incoming rays is maximum); as well as the formation of cracks in the body of general relativity due to severe temperature deformations arising from a rapid and uneven temperature drop (heat stroke) at the time of introducing general relativity into the focal region of the mirror, in which the temperature of the blown metal reaches 2000 ° C, while the air temperature at the inlet of the turbine (and at the output of the GTR) should be about 800 ° C.
Кроме того, длинный тракт передачи горячего воздуха от ОТО к турбине, установленной на вершине опорной башни, или у ее основания, а также неиспользованное тепло от горячего воздуха выхлопа турбины (с температурой около 400°С) приводят к потерям тепла и снижению КПД ОТО и МСЭТС в целом.In addition, the long path of transferring hot air from the GTR to the turbine mounted on top of the support tower or at its base, as well as unused heat from the hot air from the turbine exhaust (with a temperature of about 400 ° C) lead to heat losses and reduce the efficiency of GTR and ITEC as a whole.
Целью настоящего изобретения является существенное повышение КПД, надежности и долговечности работы ОТО и МСЭТС в целом.The aim of the present invention is to significantly increase the efficiency, reliability and durability of general relativity and MSETS in general.
Поставленная цель достигается тем, что предложенная Мощная солнечная электротеплостанция Геруни-"APEB", содержащая неподвижно установленный зеркальный коллиматор, выполненный в виде вырезки из полусферы, воздушный контур выработки энергии открытого типа, подвижную ферму, следящую за Солнцем, установленную с возможностью вращения вокруг центра сферы, теплообменники, компрессор, турбину и электрогенератор, содержит РТО, ПТО, ОТО и ВТО, где ПТО имеет цилиндрический рабочий профиль, ОТО выполнен из двух последовательно соединенных частей, нижней входной с усеченным сверху профилем, к которой лучи приходят перпендикулярно к рабочей поверхности в каждой точке, и верхней выходной, выполненной в виде усеченного конуса, причем обе части выполнены в виде ряда продольных, примыкающих друг к другу отдельных воздуховодов трапециевидного сечения, ПТО выполнен из таких же воздуховодов и установлен в воздушном тракте между компрессором и основным теплообменником, выход которого подсоединен ко входу турбины, на выходе которой установлен РТО, а после него в выхлопном потоке воздуха от турбины установлен ВТО; при этом компрессор, РТО, ПТО, ВТО, турбина и электрогенератор соединены в компактный узел выработки энергии, расположенный в нижней и средней частях подвижной фермы.This goal is achieved by the fact that the proposed Powerful solar electric heat station Geruni - "APEB", containing a motionless mounted mirror collimator made in the form of a hemisphere cutout, an open-type energy production air circuit, a movable farm that watches the Sun, mounted with rotation around the center of the sphere , heat exchangers, compressor, turbine and electric generator, contains RTO, PTO, GTR and GTR, where GTR has a cylindrical working profile, GTR is made of two series-connected parts, neither of the entrance duct with a top-truncated profile, to which the rays come perpendicular to the working surface at each point, and the upper output, made in the form of a truncated cone, both parts made in the form of a series of longitudinal, adjacent to each other individual ducts of trapezoidal section, the PTO is made of of the same air ducts and is installed in the air path between the compressor and the main heat exchanger, the output of which is connected to the turbine inlet, at the outlet of which a PTO is installed, and after it in the exhaust air stream from t Rbin installed the WTO; wherein the compressor, PTO, PTO, VTO, turbine and electric generator are connected to a compact power generation unit located in the lower and middle parts of the mobile farm.
Наличие причинно-следственных связей между совокупностью существенных признаков данного изобретения и достигаемым техническим результатом (целью изобретения) заключается прежде всего в следующем.The presence of causal relationships between the totality of the essential features of this invention and the achieved technical result (the purpose of the invention) is primarily as follows.
Новая конфигурация ОТО (из двух частей) и новая конструкция ОТО (из ряда продольных воздуховодов) позволяют резко повысить его эффективность, избежать расплавления тела ОТО в районе вершины, а также трещин при тепловом ударе.The new configuration of general relativity (in two parts) and the new design of general relativity (from a number of longitudinal ducts) can dramatically increase its efficiency and avoid the melting of the body of general relativity in the region of the apex, as well as cracks during thermal shock.
Новая компановка ПТО, ОТО, РТО u BTO вместе с компрессором, турбиной и электрогенератором в единый узел выработки энергии, расположенный в нижней и средней частях вращающейся фермы, позволяет повысить КПД, надежность и срок безотказной службы МСЭТС путем устранения потерь тепла в высокотемпературных соединительных воздуховодах и исключения гибких (в двух плоскостях) соединений этих воздуховодов.The new line-up of PTO, OTO, PTO and BTO together with a compressor, turbine and electric generator into a single power generation unit located in the lower and middle parts of a rotating truss allows to increase the efficiency, reliability and uptime of the MSETS by eliminating heat losses in high-temperature connecting ducts and exclusion of flexible (in two planes) connections of these ducts.
На фиг.1 показана схема лучей от Солнца в системе МСЭТС, причем лучи перенумированы (0.1, 0.2,...) в долях радиуса зеркала. На фиг.2 представлены деформации ОТО при тепловом ударе. На фиг.3 показаны стенки ОТО и ПТО, выполненные из отдельных воздуховодов. На фиг.4 показана схема размещения основных узлов контура выработки энергии МСЭТС.Figure 1 shows the scheme of rays from the Sun in the MSETS system, and the rays are renumbered (0.1, 0.2, ...) in fractions of the radius of the mirror. Figure 2 presents the deformation of general relativity during thermal shock. Figure 3 shows the walls of GR and PTO, made of separate ducts. Figure 4 shows the layout of the main nodes of the power generation circuit MSEC.
Из фиг.1 ясно, что плотность приходящих лучей в область у вершины кривой профиля прежнего ОТО (см. пунктирную линию с вершиной в точке l) гораздо выше, чем на нижних краях ОТО. В результате в области вершины (т.е. в квазифокусе зеркала) собирается тепловая энергия мощностью до мегаватт и выполнение этой области по пунктирной линии (как в прототипе) приведет к расплавлению материала ОТО. Расчеты показывают, что без струи воздуха от компрессора (продуваемого между двойными стенками ОТО), материал ОТО (сталь) прогреется до температуры более 2000°С. Но эта струя воздуха охлаждает ОТО до примерно 800°С. При этом воздух сам нагревается (от стенок) тоже примерно до 800°С и отдает это тепло турбине, вращая ее. В этом наша цель, но как избавиться от угрозы расплавления?From figure 1 it is clear that the density of incoming rays in the region near the top of the profile curve of the former GR (see the dashed line with the vertex at point l) is much higher than at the lower edges of GR. As a result, thermal energy with a power of up to megawatts is collected in the vertex region (i.e., in the quasi-focus of the mirror) and the execution of this region along the dashed line (as in the prototype) will lead to the melting of the GR material. Calculations show that without a jet of air from the compressor (blown between the double walls of GR), the material of GR (steel) will warm up to a temperature of more than 2000 ° C. But this stream of air cools GTR to about 800 ° C. At the same time, the air itself heats up (from the walls) also to about 800 ° C and gives this heat to the turbine, rotating it. This is our goal, but how to get rid of the threat of meltdown?
Проблему можно решить, увеличив площадь (прежнюю) рабочей поверхности ОТО у его вершины. На фиг.1 показано, что верхняя часть ОТО плавно переходит в усеченный конус с существенно большей (чем пунктир) поверхностью. В конической части углы падения лучей на рабочую поверхность не прямые, т.е. коэффициент поглощения меньше, однако отраженная часть энергии направлена на противоположную стенку конуса и поглощается ею. Такие многократные отражения от стенок конуса обеспечивают практически полное поглощение энергии от каждого луча. В этом смысле коническую часть ОТО можно назвать "черным телом", откуда попавшие туда лучи не выходят наружу, т.е. отдают свое тепло полностью (КПД равен почти 1).The problem can be solved by increasing the area (former) of the working surface of general relativity at its top. Figure 1 shows that the upper part of GTR smoothly passes into a truncated cone with a substantially larger (than dashed) surface. In the conical part, the angles of incidence of the rays on the working surface are not straight, i.e. the absorption coefficient is lower, but the reflected part of the energy is directed to the opposite wall of the cone and is absorbed by it. Such multiple reflections from the walls of the cone provide almost complete absorption of energy from each beam. In this sense, the conical part of general relativity can be called a “black body”, from where the rays that got there do not go outside, i.e. give up their heat completely (efficiency is almost 1).
В нижней же части ОТО, имеющей профиль в соответствии с приведенным уравнением, лучи приходят перпендикулярно к рабочей поверхности в каждой точке, что обеспечивает высокий коэффициент поглощения.In the lower part of GR, which has a profile in accordance with the above equation, the rays come perpendicular to the working surface at each point, which ensures a high absorption coefficient.
Кроме того, у теплообменников, в частности у ОТО и ПТО, существует проблема теплового удара, когда последние вводятся в фокальную область зеркала. Происходит резкое расширение стенок ОТО и ПТО, причем их внутренние стенки (рабочая поверхность) деформируются больше и раньше, чем наружные стенки, которые прогреются до той же температуры позже, спустя несколько минут. Но этого достаточно, чтобы в теле ОТО и ПТО возникли трещины из-за неравномерного нагрева. На фиг.2 показана продольная деформация стенок ОТО при тепловом ударе. Здесь условно принято, что зафиксирован стык между верхней и нижней частями ОТО. Проблему можно решить и резко уменьшить деформации, если выполнить стенки в виде продольных отдельных воздуховодов трапецевидного сечения, показанных на фиг.3а. При этом тепло от рабочей стенки к наружной стенке ОТО будет передаваться не только струёй воздуха, но и металлическими перемычками между внутренней и наружной стенками, что резко ускорит выравнивание температур между стенками. На фиг.3б показано поперечное сечение воздуховодов и видны перемычки между стенками и трапецевидное сечение воздуховодов. Введение отдельных воздуховодов плодотворно тем, что стенки ОТО и ПТО получают возможнсть "дышать" при тепловом ударе, иметь больше гибкости, одинаковые деформации и не ломаться.In addition, heat exchangers, in particular GTR and PTO, have the problem of heat stroke when the latter are introduced into the focal region of the mirror. A sharp expansion of the walls of GR and PTO occurs, and their inner walls (working surface) are deformed more and earlier than the outer walls, which warm up to the same temperature later, after a few minutes. But this is enough for cracks to appear in the body of general relativity and technical conditions due to uneven heating. Figure 2 shows the longitudinal deformation of the walls of general relativity during thermal shock. Here it is conditionally accepted that a junction between the upper and lower parts of GR is fixed. The problem can be solved and deformations sharply reduced if the walls are made in the form of longitudinal individual trapezoidal air ducts shown in Fig. 3a. In this case, heat from the working wall to the outer wall of GR will be transferred not only by a stream of air, but also by metal jumpers between the inner and outer walls, which will dramatically accelerate the temperature equalization between the walls. On figb shows a cross section of the ducts and visible jumpers between the walls and a trapezoidal section of the ducts. The introduction of individual air ducts is fruitful in that the walls of general relativity and technical and technical conditions are able to “breathe” during thermal shock, have more flexibility, have the same deformations and do not break.
На фиг.4 представлена схема компановки всего узла выработки энергии. Над ОТО представлена цепочка следующих узлов: стартер (С), компрессор (К), турбина (Т), регенеративный теплообменник (РТО), водяной теплообменник (ВТО), электрогенератор (ЭГ), редуктор (Р). Предварительный теплообменник (ПТО) на фиг.4 не показан, т.к. он может быть исключен из системы, при наличии РТО. При этом повышается КПД МСЭТС, т.к. сокращается длина горячих воздуховодов РТО-ОТО и потери в них тепла.Figure 4 presents the layout of the entire node power generation. A chain of the following units is presented above GRT: starter (C), compressor (K), turbine (T), regenerative heat exchanger (RTO), water heat exchanger (WTO), electric generator (EG), gearbox (R). The preliminary heat exchanger (PTO) in figure 4 is not shown, because it can be excluded from the system, in the presence of PTO. At the same time, the efficiency of MSEC is increased, since the length of the hot RTO-OTO ducts and the loss of heat in them are reduced.
Приведенная на фиг.4 верхняя цепочка узлов (С, К, Т, РТО) свидетельствует о том, что ее роль в МСЭТС может исполнять авиационный (или танковый) газотурбинный двигатель (ГТД) с небольшими переделками: не нужны камеры сгорания, необходимо обеспечить фланцы для выхода воздуха от компрессора и его входа на турбину. Причем многие типы ГТД имеют вмонтированный внутри и РТО (как показано на фиг.4).The upper chain of nodes (C, K, T, PTO) shown in Fig. 4 indicates that its role in the MSEC can be played by an aircraft (or tank) gas turbine engine (GTE) with small alterations: no combustion chambers are needed, it is necessary to provide flanges for air exit from the compressor and its entrance to the turbine. Moreover, many types of gas turbine engines are mounted inside and PTO (as shown in figure 4).
Схема на фиг.4 утрирована. На самом деле общая длина верхней цепочки меньше, чем нижний диаметр ОТО, так что вся цепочка входит в габариты поперечного сечения подвижной фермы, несущей ОТО.The diagram in FIG. 4 is exaggerated. In fact, the total length of the upper chain is less than the lower diameter of GR, so that the whole chain is included in the cross-sectional dimensions of the movable truss carrying GR.
Работа всей системы, представленной на фиг.4, происходит следующим образом. Включается стартер (С) от внешнего источника питания (напр., аккумулятора) и компрессор (К) прогоняет воздух через РТО и ОТО, после чего ОТО вводится в фокальную область зеркала, стартер выключается, и прогретый в РТО и ОТО воздух поступает на турбину (Т) и, отдавая ей тепло, вращает ее и электрогенератор. На пути все еще горячего выхлопного потока воздуха от турбины стоит водяной теплообменник (ВТО), на вход которого подается вода, которая выходит из ВТО в горячем виде или в виде пара.The operation of the entire system shown in figure 4, is as follows. The starter (C) is turned on from an external power source (e.g., battery) and the compressor (K) drives air through the PTO and GTR, after which the GTR is introduced into the focal region of the mirror, the starter is turned off, and the air heated in the GTR and GTR goes to the turbine ( T) and, giving it heat, rotates it and the generator. In the path of the still hot exhaust air stream from the turbine is a water heat exchanger (WTO), the input of which is supplied with water, which leaves the WTO in hot form or in the form of steam.
МСЭТС "Арев" экологически чистая. Она берет воздух из атмосферы и возвращает его обратно, не загрязняя его продуктами сгорания, не сжигая его кислород и т.д.MSETS "Arev" is environmentally friendly. She takes air from the atmosphere and returns it without polluting it with combustion products, without burning its oxygen, etc.
МСЭТС "Арев" могут быть мощностью до 20 МВт каждая, причем эта мощность одинаковая зимой и летом. КПД каждой мощной станции равен 0.4-0.5. Себестоимость выработанной электроэнергии составляет около 0.002 ам. доллара (0.2) или примерно 5.6 копейки за 1 кВт·час. При необходимости иметь очень большие мощности, экономически целесобразнее строить несколько МСЭТС "Арев" по 10-20 МВт каждая.MSETS "Arev" can be up to 20 MW each, and this capacity is the same in winter and summer. The efficiency of each powerful station is 0.4-0.5. The cost of electricity generated is about 0.002 am. dollar (0.2) or about 5.6 kopecks per 1 kWh. If it is necessary to have very large capacities, it is more economically feasible to build several MSEC “Arev” of 10-20 MW each.
ЛитератураLiterature
1. Геруни П.М. Патент РФ 2034204, приоритет от 18.08.92, публ. Из. № 12, 1995 г.1. Geruni P.M. RF patent 2034204, priority 18.08.92, publ. Of. No. 12, 1995
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005123901/06A RU2301380C2 (en) | 2005-07-28 | 2005-07-28 | Powerful solar electro-thermal station |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005123901/06A RU2301380C2 (en) | 2005-07-28 | 2005-07-28 | Powerful solar electro-thermal station |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005123901A RU2005123901A (en) | 2007-02-10 |
RU2301380C2 true RU2301380C2 (en) | 2007-06-20 |
Family
ID=37862107
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005123901/06A RU2301380C2 (en) | 2005-07-28 | 2005-07-28 | Powerful solar electro-thermal station |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2301380C2 (en) |
-
2005
- 2005-07-28 RU RU2005123901/06A patent/RU2301380C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005123901A (en) | 2007-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6899097B1 (en) | Solar blackbody waveguide for efficient and effective conversion of solar flux to heat energy | |
US8360053B2 (en) | Sunlight collecting heat receiver | |
US8613278B2 (en) | Solar thermal receiver for medium- and high-temperature applications | |
US20080184989A1 (en) | Solar blackbody waveguide for high pressure and high temperature applications | |
EP2532984A1 (en) | Solar heat receiver | |
JP6011827B2 (en) | A combined solar concentrator and turbine | |
WO2011001546A1 (en) | Gas turbine plant, heat receiver, power generating device, and solar concentrating system associated with solar thermal electric generation system | |
US20100223925A1 (en) | Solar thermal receiver and solar thermal power generation facility | |
WO2012017078A2 (en) | Solar tower with integrated gas turbine | |
RU2301380C2 (en) | Powerful solar electro-thermal station | |
RU2605867C2 (en) | Solar radiation receiver | |
US20140060518A1 (en) | Solar Absorber for Concentrated Solar Power Generation | |
JP2007205646A (en) | Solar heat collector and solar heat utilization device having the same | |
JP2011220557A (en) | Solar heat receiver | |
JP2013119969A (en) | Solar thermal receiver and solar thermal electric generation system | |
US20210254861A1 (en) | Solar thermal receivers with multi-scale light trapping geometry and features | |
JP2011007150A (en) | Heat receiver | |
JP2011032902A (en) | Sunlight concentrating and heat-receiving device | |
WO2013038555A1 (en) | Solar heat receiver | |
JP2014214660A (en) | Solar gas turbine | |
JP2011163592A (en) | Solar heat receiver | |
CN102393083B (en) | Wind power-driven Freel solar energy focusing hot wind device | |
US8613194B2 (en) | Tri-energy power generating device | |
Utamura et al. | Some alternative technologies for solar thermal power generation | |
STERPOS et al. | Innovative CSP tower system coupled with solar micro gas turbine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20120328 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120729 |